Прямой цифровой синтез

Прямой цифровой синтез ( DDS ) — это метод, используемый синтезаторами частот для создания сигналов произвольной формы из одного опорного тактового сигнала с фиксированной частотой. DDS используется в таких приложениях, как генерация сигналов , гетеродины в системах связи, генераторы функций , смесители, модуляторы , ^[1] синтезаторов звука и в составе цифровой системы фазовой автоподстройки частоты . ^[2]

Обзор

Рисунок 1 – Блок-схема прямого цифрового синтезатора

Базовый прямой цифровой синтезатор состоит из источника опорной частоты (часто кварцевого или ПАВ- генератора), генератора с числовым управлением (NCO) и цифро-аналогового преобразователя (DAC). ^[5] как показано на рисунке 1.

Опорный генератор обеспечивает стабильную временную развертку системы и определяет точность частоты DDS. Он передает тактовый сигнал NCO , в дискретном времени который выдает на своем выходе квантованную версию желаемого выходного сигнала (часто синусоиду ), период которого контролируется цифровым словом, содержащимся в регистре управления частотой . Отобранный цифровой сигнал преобразуется в аналоговый сигнал с помощью ЦАП . Выходной фильтр восстановления отклоняет спектральные копии, созданные в результате удержания нулевого порядка, свойственного процессу аналогового преобразования.

Производительность

DDS имеет много преимуществ по сравнению со своим аналоговым аналогом, системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), включая гораздо лучшую перестройку частоты, улучшенный фазовый шум и точный контроль выходной фазы при переключении частоты. К недостаткам относятся ложные отклики, в основном из-за эффектов усечения в NCO , перекрестные выбросы, возникающие в результате изображений Найквиста высокого порядка (>1), и более высокий уровень шума при больших сдвигах частоты, главным образом из-за цифро-аналогового преобразователя . ^[6]

Поскольку DDS является дискретной системой , в дополнение к желаемой форме сигнала на выходной частоте F _также out изображения Найквиста генерируются _{(первичное изображение находится на частоте F clk} -F _out , где F _clk — опорная тактовая частота). Чтобы отклонить эти нежелательные изображения, DDS обычно используется в сочетании с аналоговым фильтром нижних частот реконструкции , как показано на рисунке 1. ^[7]

Изменение частоты

Выходная частота DDS определяется значением, хранящимся в регистре управления частотой (FCR) (см. рис. 1), который, в свою очередь, управляет . размером шага аккумулятора фазы NCO Поскольку NCO работает в области дискретного времени, он мгновенно меняет частоту на фронте тактового сигнала, что совпадает с изменением значения, хранящегося в FCR. Время установления выходной частоты DDS определяется главным образом фазовой характеристикой восстанавливающего фильтра. Идеальный фильтр восстановления с линейной фазовой характеристикой (то есть выходной сигнал представляет собой просто задержанную версию входного сигнала) обеспечит мгновенную частотную характеристику на своем выходе, поскольку линейная система не может создавать частоты, отсутствующие на ее входе. ^[8]

Фазовый шум и джиттер

Превосходные характеристики шума по ближней фазе DDS обусловлены тем фактом, что это система с прямой связью. В традиционном контуре фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) делитель частоты в цепи обратной связи умножает фазовый шум опорного генератора и в пределах полосы пропускания контура ФАПЧ передает этот избыточный шум на выход ГУН. С другой стороны, DDS снижает фазовый шум опорной тактовой частоты на коэффициент $f_{clk}/f_{o}$ потому что дробное деление часов дает выходной сигнал. эталонной тактовой частоты Джиттер преобразуется непосредственно в выходной сигнал, но этот джиттер составляет меньший процент от периода выходного сигнала (в соответствии с приведенным выше соотношением). Поскольку максимальная выходная частота ограничена $f_{clk}/2$ Выходной фазовый шум при близких смещениях всегда как минимум на 6 дБ ниже фазового шума эталонного тактового сигнала. ^[6]

При смещениях, далеких от несущей, минимальный фазовый шум DDS определяется суммой мощностей минимального шума квантования ЦАП и минимального фазового шума опорного тактового сигнала.

См. также

Ссылки

^ «DDS управляет сигналами при тестировании, измерениях и связи» . Корпорация Аналоговые Устройства .
^ Пол Керн (июль 2007 г.). «Прямой цифровой синтез позволяет использовать цифровые системы ФАПЧ» (PDF) . РФДизайн. Архивировано из оригинала (PDF) 5 апреля 2012 г. Проверено 15 января 2010 г.
^ «Генератор с числовым управлением» . Решётчатая полупроводниковая корпорация. 2009.
^ Джейн Радац, Стандартный словарь терминов IEEE по электротехнике и электронике, Офис стандартов IEEE, Нью-Йорк, Нью-Йорк, 1997 г.
^ Хотя некоторые авторы используют термины DDS и NCO как синонимы, ^[3] по соглашению NCO относится к цифровой (т. е. дискретной по времени и дискретной амплитуде) части DDS. ^[4]
^ Jump up to: ^а ^б «Однокристальный прямой цифровой синтез против аналоговой ФАПЧ» . Корпорация Аналоговые Устройства .
^ Крупа, Венцеслав Ф., Прямые цифровые синтезаторы частоты , IEEE Press, 1999, ISBN 0-7803-3438-8
^ Чен, Коннектикут (1970). Введение в теорию линейных систем . Холт, Райнхарт и Winston, Inc. ISBN 978-0-03-077155-2 .

Внешние ссылки и дальнейшее чтение

Учебное пособие по синтезу цифровых сигналов (от Analog Devices )
Л. Кордессес, «Прямой цифровой синтез: инструмент для генерации периодических волн (часть 1)» , журнал IEEE Signal Processing Magazine, колонка «Советы и рекомендации DSP» , стр. 50–54, Vol. 21, № 4, июль 2004 г.
Л. Кордесс, Прямой цифровой синтез: инструмент для генерации периодических волн (Часть 2) , журнал IEEE Signal Processing Magazine, колонка «Советы и рекомендации DSP» , стр. 110–117, Vol. 21, № 5, сентябрь 2004 г.
Йоуко Ванкка и Кари А.И. Халонен (2010). Прямые цифровые синтезаторы: теория, конструкция и приложения . Международная серия Kluwer по инженерным наукам и информатике. Бостон, Массачусетс: Издательство Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-1-4419-4895-3 .

[AD_app-1] «DDS управляет сигналами при тестировании, измерениях и связи» . Корпорация Аналоговые Устройства .

[RFDesign_July_2007-2] Пол Керн (июль 2007 г.). «Прямой цифровой синтез позволяет использовать цифровые системы ФАПЧ» (PDF) . РФДизайн. Архивировано из оригинала (PDF) 5 апреля 2012 г. Проверено 15 января 2010 г.

[latticeSC-3] «Генератор с числовым управлением» . Решётчатая полупроводниковая корпорация. 2009.

[4] Джейн Радац, Стандартный словарь терминов IEEE по электротехнике и электронике, Офис стандартов IEEE, Нью-Йорк, Нью-Йорк, 1997 г.

[5] Хотя некоторые авторы используют термины DDS и NCO как синонимы, ^[3] по соглашению NCO относится к цифровой (т. е. дискретной по времени и дискретной амплитуде) части DDS. ^[4]

[AD_DDSvPLL-6] Jump up to: ^а ^б «Однокристальный прямой цифровой синтез против аналоговой ФАПЧ» . Корпорация Аналоговые Устройства .

[7] Крупа, Венцеслав Ф., Прямые цифровые синтезаторы частоты , IEEE Press, 1999, ISBN 0-7803-3438-8

[Chen-8] Чен, Коннектикут (1970). Введение в теорию линейных систем . Холт, Райнхарт и Winston, Inc. ISBN 978-0-03-077155-2 .

[1]

[2]

[5]

[6]

[7]

[8]

[3]

[4]