一文看懂DDS原理、混疊、幅度調制

注意，DAC輸出(濾波前)的幅度響應跟隨著(zhù)一個(gè)sin(x)/x響應，在時(shí)鐘頻率及其整數倍時(shí)，該值為零。歸一化輸出幅度A(fO)的精確計算公式如下：

其中，fO為輸出頻率，fc為時(shí)鐘頻率。

出現該滾降的原因是由于DAC輸出并非一系列零寬脈沖(和最佳重新采樣器中一樣)，而是一系列矩形脈沖，寬度等于更新速率的倒數。sin(x)/x響應的幅度比奈奎斯特頻率低3.92 dB(DAC更新速率的1/2)。實(shí)際上，抗混疊濾波器的傳遞函數可用來(lái)補償sin(x)/x滾降，使整體頻率響應相對平坦，達到最大輸出DAC頻率(一般為1/3更新速率)。

另一個(gè)重要的考慮因素在于，和基于PLL的系統不同，DDS系統中的基本輸出頻率高階諧波會(huì )因混疊而折回至基帶。這些諧波無(wú)法通過(guò)抗混疊濾波器去除。例如，如果時(shí)鐘頻率為100 MHz，輸出頻率為30 MHz，則30 MHz的第二個(gè)諧波會(huì )出現在60 MHz(帶外)，但也會(huì )出現在100 – 60 = 40 MHz(混疊成分)。同樣，第三個(gè)諧波(90 MHz)會(huì )出現在帶內，頻率為100 – 90 = 10 MHz，第四個(gè)諧波出現在120 – 100 MHz = 20 MHz。高階諧波也會(huì )落在奈奎斯特帶寬內(直流至fc/2)。前4個(gè)諧波的位置如圖所示。

用作ADC時(shí)鐘驅動(dòng)器的DDS系統

DDS系統(如AD9850)可以提供產(chǎn)生ADC采樣時(shí)鐘的出色方法，尤其適合ADC采樣頻率必須受到軟件控制，且鎖定至系統時(shí)鐘的情況(參見(jiàn)圖6)。DAC輸出電流IOUT驅動(dòng)200 Ω、42 MHz的低通濾波器，源和負載阻抗端接，等效負載為100 Ω。濾波器可以消除42 MHz以上的雜散頻率成分。經(jīng)過(guò)濾波的輸出可以驅動(dòng)AD9850內部比較器的一個(gè)輸入端。DAC補償輸出電流可以驅動(dòng)100 Ω的負載。位于兩個(gè)輸出之間的100 kΩ電阻分壓器輸出經(jīng)過(guò)去耦，可以產(chǎn)生參考電壓以供內部比較器使用。

比較器輸出有2 ns的上升和下降時(shí)間，可以產(chǎn)生與TTL/CMOS邏輯電平兼容方波。比較器輸出邊緣的抖動(dòng)小于20 ps rms。輸出和補償輸出均可按要求提供。

圖6：將DDS系統用作ADC時(shí)鐘驅動(dòng)器

在圖6所示的電路中，40 MSPS ADC時(shí)鐘的總輸出均方根抖動(dòng)為50 ps rms，由此產(chǎn)生的信噪比下降在寬動(dòng)態(tài)范圍應用中必須加以考慮。

DDS系統中的幅度調制

DDS系統中的幅度調制可以通過(guò)在查找表和DAC輸入之間放置數字乘法器來(lái)實(shí)現，如圖7所示。調制DAC輸出幅度的另一種方法是改變DAC的參考電壓。在A(yíng)D9850中，內部參考控制放大器的帶寬約為1 MHz。這種方法在輸出幅度變化相對較小的情況下非常有效，只要輸出信號不超過(guò)+1 V的規格即可。

圖7：DDS系統中的幅度調制

DDS系統中的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍考慮

在大多數DDS應用中，首要考慮因素是DAC輸出的頻譜純度。遺憾的是，該性能的測量、預測和分析十分復雜，涉及大量相互作用的因素。

即便是理想的N位DAC，也會(huì )在DDS系統中產(chǎn)生諧波。這些諧波的幅度主要取決于輸出頻率與時(shí)鐘頻率的比值。原因在于，DAC量化噪聲的頻譜成分會(huì )隨著(zhù)該比值的變化而變化，雖然其理論均方根值仍等于q/√12(其中q是LSB的權重)。“量化噪聲表現為白噪聲，在奈奎斯特帶寬內均勻分布”這條假設在DDS系統中并不適用(這條假設在A(yíng)DC系統中更為適用，因為ADC會(huì )給信號增加一定的噪聲，從而“擾動(dòng)”量化誤差或使其隨機化。但是，依然存在一定的相關(guān)性)。例如，如果DAC輸出頻率精確設置為時(shí)鐘頻率的約數，則量化噪聲會(huì )集中在輸出頻率的倍數，也就是說(shuō)，主要取決于信號。如果輸出頻率稍有失調，量化噪聲會(huì )變得更加隨機，從而改進(jìn)有效SFDR。

圖8說(shuō)明了上述情況，其中4096 (4k)點(diǎn)FFT基于理想12位DAC中數字化生成的數據計算得出。左側圖表(A)中，所選的時(shí)鐘頻率和輸出頻率的比值恰好等于40，獲得的SFDR約為77 dBc。右側圖表中，比例稍有失調，有效SFDR增至94 dBc。在這一理想情況下，只是略微改變了頻率比，SFDR就改變了17 dB。

圖8：采用4096點(diǎn)FFT時(shí)，時(shí)鐘與輸出頻率比值對理論12位DAC SFDR的影響

因此，通過(guò)仔細選擇時(shí)鐘與輸出頻率，就可以獲得最佳SFDR。但是，在有些應用中，這點(diǎn)可能難以實(shí)現。在基于A(yíng)DC的系統中，增加少量的隨機噪聲至輸入就可能使量化誤差隨機化，并且減少這種效應。DDS系統中也可以實(shí)現同樣的效果，如圖9所示。偽隨機數字噪聲發(fā)生器輸出先增加至DDS正弦幅度字，然后再載入DAC。數字噪聲的幅度設置為1/2 LSB左右。這樣就能實(shí)現隨機化過(guò)程，代價(jià)是整體輸出本底噪聲會(huì )略微增加。但是，在大多數DDS系統中，有足夠的靈活性可以選擇不同的頻率比，因此不需要擾動(dòng)。

圖9：向DDS系統注入數字擾動(dòng)以使量化噪聲隨機化并提高SFDR