DDS的相位噪声和杂散分析

标签:RF射频DDS
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随着射频技术的发展,很多技术都得到了更多的开发和应用,DDS就是其中用途比较广泛的一个技术。DDS指的是一种由固定频率参考时钟源产生正弦波的数字技术,与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高解析度和快速转换时间等优点,广泛使用在电信与电子仪器领域,是实现设备全数位化的一个关键技术,参考时钟源的动态性能会直接影响到DDS的输出频谱,今天我们就来详细看看DDS技术。
 
DDS的优点
 
DDS的输出频率是数字可调的,具有小于1赫兹(Hz)的频率分辨率。输出正弦波的相位是数字可调的,这一特性对于那些需要多个DDS互相同步的应用来说是非常有用的。没有因温度漂移或元件老化引起的误差。
 
DDS的局限
DDS输出的基频必须低于参考时钟频率的40% ,有这个限制是为了充分滤除DDS输出频谱中的镜像频率。DDS输出的基频幅度会随着输出频率的增高而衰减,但是有一些DDS内置了数字反SINC滤波器来克服这种效应。因为DDS输出的正弦波是用数字化采样方法产生的,所以用户必须允许一定程度的失真。也就是说这种正弦波的频谱不是理想的。
 
DDS由三部分构成:累加器,它是一个数字模块,包括一个带反馈的加法器。
角度幅度转换器,它将数字相位值转换为数字幅度值。数模转换器(DAC),它将输入的数字幅度值转换为成比例的模拟量输出,所对应的连续模拟信号可以是电压形式或者电流形式。
 
DDS
 
这里有两点要注意,第一点是在角度幅度转换器输入端的相位截短,第二
点是在角度幅度转换器输出端的幅度分辨率是有限的。下面分析这两个方面,即有限的相位和幅度分辨率是如何调制DDS输出的。
 
DDS
 
根据DDS的输出频谱,必须采取某种滤波方法以便对镜像频率进行衰减。在DDS评估板上通常采用一个5阶或7阶的低通椭圆滤波器,并将滤波器的转折频率设在DDS最大时钟频率的40%左右。
 
频率规划
 
频率规划的主要内容包括:
Ø  DDS主要杂散源的判定。在这一部分,你们会看到判定主要杂散源的框图。
Ø  DDS参考时钟性能的重要性。我们会给出一些这方面的频谱图。
Ø  利用简单的公式或模型预测DDS所有最大杂散的频率位置。几乎所有的DDS杂散都很容易判定。
Ø  相位截短杂散、相位幅度转换杂散和参考时钟杂散的幅度估计。我们可以非常近似的得到这些杂散的幅度。
Ø  DAC谐波杂散这里用一个简单的模型即可。
Ø  数字开关的馈通信号杂散。后面也会有这方面的频谱图。目标是为了得到最大的SFDR。
 
DDS
 
这个框图揭示了四个主要杂散源。它们是参考时钟源、相位截短、角度幅度转换和DAC非线性。我们将详细讨论每种杂散源,它们产生的杂散的频率位置都可以预测。
 
REF CLOCK SPURS / NOISE
 
参考时钟对DDS输出的影响:
 
1)参考时钟性能会直接影响到DDS的输出性能。
 
2)参考时钟的杂散频率会以相同的固定频率偏移传递到DDS的输出。
 
3)参考时钟的噪声会以同样的方式传递到DDS的输出。
 
4)DDS输出的参考时钟杂散或噪声的幅度会随着控制字的减小而减小,可以用下式表达:
dBc= - 20 log(参考时钟频率/DDS输出频率)
 
5)如果使用了内置参考时钟倍频器,参考时钟的所有噪声和杂散都会在PLL环路带宽内按照下式放大:
dBc= 20 log(参考时钟的倍频数4倍~20倍)
 
如果知道了参考时钟的这些影响,那么就能很快地确定DDS输出中的杂散是不是由参考时钟引起的。
 
DDS
 
在这张频谱图中,已经将参考时钟频率和DDS输出频率叠放在一起,其中参考时钟频谱用蓝色曲线表示,为400 MHz ,DDS输出频谱用绿色线表示,约为10.1 MHz。这样叠放的目的是要体现出参考时钟杂散对DDS输出的影响。为了说明这种影响,我们用100 kHz正弦信号对400 MHz参考时钟进行了10%的幅度调制(AM),如图中所示,100 kHz的调制频率,在参考时钟中存在,在DDS输出中也存在。
 
请注意在参考时钟和DDS输出中的杂散引起的频率偏移是一样的。这就是参考时钟杂散的固有性质。也就是说无论DDS的控制字为多少,参考时钟的杂散在DDS输出中都会表现为相同的频偏。
 
这张图还示出了参考时钟杂散是怎样以20log(x)的关系衰减的,这里的x指参考时钟频率与DDS输出频率的比率。在本例中我们用的比率是400 MHz比10 MHz,这相当于32 dB。
 
但是如果你仔细看的话,图中所示的衰减将近38 dB。我们认为另外6 dB的衰减是由于参考时钟输入级从幅度调制(AM)到相位调制(PM)的转换过程中引起的,但是上述结论和分析是一致的。
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