DDS 应用程序之调制/数据编码和同步中的DDS

直接数字频率合成( DDS)是一种利用数字技术生成模拟信号的技术，广泛应用于电子测试设备、无线通信、数字信号处理等领域。DDS技术以其高频率分辨率、快速的频率切换时间和精确的频率控制能力而受到青睐。

DDS技术的核心是利用数字信号处理技术来生成模拟信号。其基本原理可以分为以下几个步骤：

直接数字频率合成(DDS)技术是一种先进的频率合成技术，它利用数字技术生成模拟信号。DDS具有高频率分辨率、快速的频率切换时间、精确的频率控制、可编程波形输出、高稳定性和重复性、低相位噪声、易于集成和小型化、低功耗和成本效益等优势。这些特性使得DDS在无线通信、测试与测量设备、数字信号处理、音频处理、医疗设备、航空航天等领域得到了广泛的应用。

DDS 应用程序可以分为两个主要类别：

需要敏捷频率源进行数据编码和调制应用的通信和雷达系统

测量、工业和光学应用，需要具有可编程调谐、扫描和激励功能的通用频率合成功能

在这两种情况下，更高的频谱纯度(更低的相位噪声和更高的无杂散动态范围)的趋势越来越高，同时对远程或电池供电设备的低功耗和尺寸要求也越来越高。

调制/数据编码和同步中的DDS

DDS技术起源于雷达和军事应用，其产品特性(性能改进、成本和尺寸)的一些进步相结合，使DDS技术在调制和数据编码应用中非常受欢迎。本节将讨论两种数据编码方案及其与DDS系统的建议实现。

二进制频移键控(BFSK，或简称FSK)是最简单的数据编码形式之一。数据通过在两个离散频率的一个(二进制 1 或标记)和另一个(二进制 0 或空格)之间移动连续载波的频率来传输。图4显示了数据和传输信号之间的关系。

图4.二进制 FSK 调制。

二进制 1 和 0 分别表示为两个不同的频率，f0 和 f1。这种编码方案很容易通过DDS设备实现。改变代表输出频率的DDS频率调谐字，以便从要传输的1s和0s生成f0和f1。在ADI公司完整的DDS产品系列(AD9834和AD9838—另见附录)中，用户只需将两个FSK电流频率调谐字编程到IC的嵌入式频率寄存器中即可。为了改变输出频率，专用引脚FSELECT选择包含相应调谐字的寄存器。

相移键控(PSK)是另一种简单的数据编码形式。在PSK中，载波的频率保持恒定，并且传输信号的相位变化以传达信息。可以使用多种方案来完成 PSK。最简单的方法，通常称为二进制PSK(或BPSK)，仅使用两个信号相位：0°(逻辑1)和180°(逻辑0)。每个位的状态根据前一个位的状态确定。如果波的相位没有改变，则信号状态保持不变(低或高)。如果波的相位变化 180°，即相位反转，则信号状态发生变化(从低到高，或从高到低)。PSK编码可通过DDS产品轻松实现，因为大多数器件都有一个单独的输入寄存器(相位寄存器)，可以加载相位值。该值直接添加到载波的相位中，而不改变其频率。更改此寄存器的内容会调制载波的相位，从而产生PSK输出。对于需要高速调制的应用，AD9834和AD9838具有成对相位寄存器，允许PSELECT引脚上的信号在预加载相位寄存器之间交替，以根据需要调制载波。

更复杂的PSK形式采用四个或八个波相。这允许二进制数据以比BPSK调制更快的每次相变速率传输。在四相调制(正交PSK)中，可能的相位角为0°、+90°、−90°和+180°;每个相移可以代表两个信号元素。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四相寄存器，可通过不断更新寄存器的不同相位偏移来实现复杂的相位调制方案。

在同步模式下使用多个 DDS 组件的 I/Q 功能

许多应用需要生成两个或多个具有已知相位关系的正弦波或方波信号。一个流行的例子是同相和正交调制(I/Q)，这是一种技术，其中信号信息来自0°和90°相位角的载波频率。两个单独的DDS组件可以从相同的源时钟运行到输出信号，其相位关系可以直接控制和操纵。在图6中，AD9838器件使用一个参考时钟进行编程;相同的RESET引脚用于更新两个器件。通过这种方式，可以实现简单的I/Q调制。

必须在上电后和将任何数据传输到 DDS 之前启动复位。这将在已知相位中建立DDS输出，该相位成为允许同步多个DDS设备的通用参考角度。当新数据同时发送到多个DDS器件时，可以保持相干的相位关系，或者可以通过相位偏移寄存器预测多个DDS器件之间的相对相位偏移。AD983x系列DDS产品具有12位相位分辨率，有效分辨率为0.1°。

有关同步多个DDS器件的更多信息，请参见AN-605应用笔记：同步多个基于DDS的AD9852频率合成器。

电子世界中的许多应用都涉及从模拟测量和光通信系统等网络收集和解码数据。通常，系统分析要求是激励具有已知幅度和相位频率的电路或系统，并通过系统分析响应信号的信号特性。

在响应信号上收集的信息用于确定关键系统信息。被测网络的范围(见图7)可能相当广泛，包括电缆完整性测试、生物医学传感和流量测量系统。无论基本要求是生成基于频率的信号并将响应信号的相位和幅度与原始信号进行比较，或者需要通过系统激励一系列频率，或者如果需要具有不同相位关系的测试信号(如在具有I/Q功能的系统中)，直接数字频率合成IC对于通过简单而优雅的软件对激励频率和相位进行数字控制非常有用。

电缆完整性/损耗测量

电缆完整性测量是一种非侵入性方法，用于分析飞机布线、局域网 (LAN) 和电话线等应用中的电缆。确定性能的一种方法是查看通过电缆损失了多少信号。通过注入已知频率和幅度的信号，用户可以通过测量电缆远程部分的幅度和相位来计算电缆衰减。直流电阻和特性阻抗等参数将影响特定电缆的衰减。结果通常以低于测试频率范围内信号源 (0 dB) 的分贝表示。感兴趣的频率取决于电缆类型。DDS设备具有产生宽频率范围的能力，可以用作具有必要频率分辨率的激励。

流量计

一个相关的应用领域是管道中的水、其他液体和气体流量分析。一个例子是超声波流量测量，它基于相移原理工作，如图8所示。基本上，信号从液体流动的通道的一侧传输，传感器传感器位于另一侧以测量相位响应 - 这取决于流速。这种技术有很多变化。测试频率取决于被测物质;通常，输出信号通常在一定频率范围内传输。DDS 提供了无缝设置和更改频率的灵活性。

更多信息和有用的链接

交互式设计工具

这是什么?DDS的在线交互式设计工具是用于选择调谐字的助手，给定参考时钟和所需的输出频率和/或相位。该工具显示调谐字和其他配置为一系列代码的配置位，用于通过其串行接口对器件进行编程。应用外部重建滤波器后，可以显示所选参考时钟和输出频率的理想输出谐波。ADI设计工具的链接可在交互式设计工具主页上找到。AD9834设计工具就是一个例子。