DDS 應(yīng)用程序之調(diào)制/數(shù)據(jù)編碼和同步中的DDS

直接數(shù)字頻率合成( DDS)是一種利用數(shù)字技術(shù)生成模擬信號(hào)的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電子測(cè)試設(shè)備、無線通信、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域。DDS技術(shù)以其高頻率分辨率、快速的頻率切換時(shí)間和精確的頻率控制能力而受到青睞。

DDS技術(shù)的核心是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來生成模擬信號(hào)。其基本原理可以分為以下幾個(gè)步驟：

直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是一種先進(jìn)的頻率合成技術(shù)，它利用數(shù)字技術(shù)生成模擬信號(hào)。DDS具有高頻率分辨率、快速的頻率切換時(shí)間、精確的頻率控制、可編程波形輸出、高穩(wěn)定性和重復(fù)性、低相位噪聲、易于集成和小型化、低功耗和成本效益等優(yōu)勢(shì)。這些特性使得DDS在無線通信、測(cè)試與測(cè)量設(shè)備、數(shù)字信號(hào)處理、音頻處理、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

DDS 應(yīng)用程序可以分為兩個(gè)主要類別：

需要敏捷頻率源進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制應(yīng)用的通信和雷達(dá)系統(tǒng)

測(cè)量、工業(yè)和光學(xué)應(yīng)用，需要具有可編程調(diào)諧、掃描和激勵(lì)功能的通用頻率合成功能

在這兩種情況下，更高的頻譜純度(更低的相位噪聲和更高的無雜散動(dòng)態(tài)范圍)的趨勢(shì)越來越高，同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程或電池供電設(shè)備的低功耗和尺寸要求也越來越高。

調(diào)制/數(shù)據(jù)編碼和同步中的DDS

DDS技術(shù)起源于雷達(dá)和軍事應(yīng)用，其產(chǎn)品特性(性能改進(jìn)、成本和尺寸)的一些進(jìn)步相結(jié)合，使DDS技術(shù)在調(diào)制和數(shù)據(jù)編碼應(yīng)用中非常受歡迎。本節(jié)將討論兩種數(shù)據(jù)編碼方案及其與DDS系統(tǒng)的建議實(shí)現(xiàn)。

二進(jìn)制頻移鍵控(BFSK，或簡(jiǎn)稱FSK)是最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼形式之一。數(shù)據(jù)通過在兩個(gè)離散頻率的一個(gè)(二進(jìn)制 1 或標(biāo)記)和另一個(gè)(二進(jìn)制 0 或空格)之間移動(dòng)連續(xù)載波的頻率來傳輸。圖4顯示了數(shù)據(jù)和傳輸信號(hào)之間的關(guān)系。

圖4.二進(jìn)制 FSK 調(diào)制。

二進(jìn)制 1 和 0 分別表示為兩個(gè)不同的頻率，f0 和 f1。這種編碼方案很容易通過DDS設(shè)備實(shí)現(xiàn)。改變代表輸出頻率的DDS頻率調(diào)諧字，以便從要傳輸?shù)?s和0s生成f0和f1。在ADI公司完整的DDS產(chǎn)品系列(AD9834和AD9838—另見附錄)中，用戶只需將兩個(gè)FSK電流頻率調(diào)諧字編程到IC的嵌入式頻率寄存器中即可。為了改變輸出頻率，專用引腳FSELECT選擇包含相應(yīng)調(diào)諧字的寄存器。

相移鍵控(PSK)是另一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼形式。在PSK中，載波的頻率保持恒定，并且傳輸信號(hào)的相位變化以傳達(dá)信息?？梢允褂枚喾N方案來完成 PSK。最簡(jiǎn)單的方法，通常稱為二進(jìn)制PSK(或BPSK)，僅使用兩個(gè)信號(hào)相位：0°(邏輯1)和180°(邏輯0)。每個(gè)位的狀態(tài)根據(jù)前一個(gè)位的狀態(tài)確定。如果波的相位沒有改變，則信號(hào)狀態(tài)保持不變(低或高)。如果波的相位變化 180°，即相位反轉(zhuǎn)，則信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化(從低到高，或從高到低)。PSK編碼可通過DDS產(chǎn)品輕松實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)器件都有一個(gè)單獨(dú)的輸入寄存器(相位寄存器)，可以加載相位值。該值直接添加到載波的相位中，而不改變其頻率。更改此寄存器的內(nèi)容會(huì)調(diào)制載波的相位，從而產(chǎn)生PSK輸出。對(duì)于需要高速調(diào)制的應(yīng)用，AD9834和AD9838具有成對(duì)相位寄存器，允許PSELECT引腳上的信號(hào)在預(yù)加載相位寄存器之間交替，以根據(jù)需要調(diào)制載波。

更復(fù)雜的PSK形式采用四個(gè)或八個(gè)波相。這允許二進(jìn)制數(shù)據(jù)以比BPSK調(diào)制更快的每次相變速率傳輸。在四相調(diào)制(正交PSK)中，可能的相位角為0°、+90°、?90°和+180°;每個(gè)相移可以代表兩個(gè)信號(hào)元素。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四相寄存器，可通過不斷更新寄存器的不同相位偏移來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的相位調(diào)制方案。

在同步模式下使用多個(gè) DDS 組件的 I/Q 功能

許多應(yīng)用需要生成兩個(gè)或多個(gè)具有已知相位關(guān)系的正弦波或方波信號(hào)。一個(gè)流行的例子是同相和正交調(diào)制(I/Q)，這是一種技術(shù)，其中信號(hào)信息來自0°和90°相位角的載波頻率。兩個(gè)單獨(dú)的DDS組件可以從相同的源時(shí)鐘運(yùn)行到輸出信號(hào)，其相位關(guān)系可以直接控制和操縱。在圖6中，AD9838器件使用一個(gè)參考時(shí)鐘進(jìn)行編程;相同的RESET引腳用于更新兩個(gè)器件。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的I/Q調(diào)制。

必須在上電后和將任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)?DDS 之前啟動(dòng)復(fù)位。這將在已知相位中建立DDS輸出，該相位成為允許同步多個(gè)DDS設(shè)備的通用參考角度。當(dāng)新數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到多個(gè)DDS器件時(shí)，可以保持相干的相位關(guān)系，或者可以通過相位偏移寄存器預(yù)測(cè)多個(gè)DDS器件之間的相對(duì)相位偏移。AD983x系列DDS產(chǎn)品具有12位相位分辨率，有效分辨率為0.1°。

有關(guān)同步多個(gè)DDS器件的更多信息，請(qǐng)參見AN-605應(yīng)用筆記：同步多個(gè)基于DDS的AD9852頻率合成器。

電子世界中的許多應(yīng)用都涉及從模擬測(cè)量和光通信系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)收集和解碼數(shù)據(jù)。通常，系統(tǒng)分析要求是激勵(lì)具有已知幅度和相位頻率的電路或系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)分析響應(yīng)信號(hào)的信號(hào)特性。

在響應(yīng)信號(hào)上收集的信息用于確定關(guān)鍵系統(tǒng)信息。被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的范圍(見圖7)可能相當(dāng)廣泛，包括電纜完整性測(cè)試、生物醫(yī)學(xué)傳感和流量測(cè)量系統(tǒng)。無論基本要求是生成基于頻率的信號(hào)并將響應(yīng)信號(hào)的相位和幅度與原始信號(hào)進(jìn)行比較，或者需要通過系統(tǒng)激勵(lì)一系列頻率，或者如果需要具有不同相位關(guān)系的測(cè)試信號(hào)(如在具有I/Q功能的系統(tǒng)中)，直接數(shù)字頻率合成IC對(duì)于通過簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的軟件對(duì)激勵(lì)頻率和相位進(jìn)行數(shù)字控制非常有用。

電纜完整性/損耗測(cè)量

電纜完整性測(cè)量是一種非侵入性方法，用于分析飛機(jī)布線、局域網(wǎng) (LAN) 和電話線等應(yīng)用中的電纜。確定性能的一種方法是查看通過電纜損失了多少信號(hào)。通過注入已知頻率和幅度的信號(hào)，用戶可以通過測(cè)量電纜遠(yuǎn)程部分的幅度和相位來計(jì)算電纜衰減。直流電阻和特性阻抗等參數(shù)將影響特定電纜的衰減。結(jié)果通常以低于測(cè)試頻率范圍內(nèi)信號(hào)源 (0 dB) 的分貝表示。感興趣的頻率取決于電纜類型。DDS設(shè)備具有產(chǎn)生寬頻率范圍的能力，可以用作具有必要頻率分辨率的激勵(lì)。

流量計(jì)

一個(gè)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域是管道中的水、其他液體和氣體流量分析。一個(gè)例子是超聲波流量測(cè)量，它基于相移原理工作，如圖8所示?；旧希盘?hào)從液體流動(dòng)的通道的一側(cè)傳輸，傳感器傳感器位于另一側(cè)以測(cè)量相位響應(yīng) - 這取決于流速。這種技術(shù)有很多變化。測(cè)試頻率取決于被測(cè)物質(zhì);通常，輸出信號(hào)通常在一定頻率范圍內(nèi)傳輸。DDS 提供了無縫設(shè)置和更改頻率的靈活性。

更多信息和有用的鏈接

交互式設(shè)計(jì)工具

這是什么?DDS的在線交互式設(shè)計(jì)工具是用于選擇調(diào)諧字的助手，給定參考時(shí)鐘和所需的輸出頻率和/或相位。該工具顯示調(diào)諧字和其他配置為一系列代碼的配置位，用于通過其串行接口對(duì)器件進(jìn)行編程。應(yīng)用外部重建濾波器后，可以顯示所選參考時(shí)鐘和輸出頻率的理想輸出諧波。ADI設(shè)計(jì)工具的鏈接可在交互式設(shè)計(jì)工具主頁(yè)上找到。AD9834設(shè)計(jì)工具就是一個(gè)例子。