一种基于谐波对消技术的DDS杂散改善方法 夏浩淼

[摘 要] 从理论上来说，DDS可以将数字信号正确无误的转换成等效的模拟信号，但实际上，转换过程几乎不可能是完美的。本文介绍了一种谐波对消技术可以大幅改善DDS的杂散动态范围。实验证明该设计应用于雷达系统中的可行性。

[关键词]DDS；谐波对消；杂散

中图分类号：TN741 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）33-0339-01

1 引言

随着数字技术在雷达系统和通信系统中的广泛应用，可从参考源产生多个频率的数字控制方法诞生了，即直接数字频率合成（DDS）。其基本架构为采用一个稳定时钟来查找存储正弦波一个或多个整数周期的可编程只读存储器（PROM）。随着地址计数器逐步执行每个存储器位置，每个位置相应的信号数字幅度会驱动DAC，进而产生模拟输出信号。最终模拟输出信号的频谱纯度主要取决于DAC。相位噪声主要来自参考时钟。因为DDS是一种采样数据系统，因此必须考虑所有与采样相关的问题，包括量化噪声、混叠、滤波等。例如，DAC输出频率的高阶谐波会折回奈奎斯特带宽，因而不可滤波，而基于PLL的合成器的高阶谐波则可以滤波。

其中数模转换器（DAC）的作用是将数字信号转换为模拟信号。直接数字频率合成器（DDS）也是一种DAC，可以生成数字正弦信号，并将其馈入DAC来产生相应的模拟信号。本文将重点介绍新近出现的一项技术突破，它借助DDS技术大幅提升了DAC的无杂散动态范围（SFDR）性能，极大的扩展了DDS的应用。

2 基于射频对消的DDS

从理论上来说，DAC可以将数字信号准确无误的转换成相同的模拟信号。但实际中，转换过程肯定不可能是完美的。DAC的数字分辨率，会引入幅度量化误差，当将DAC的输出信号通过频谱分析时，这种误差带来的信号的噪声底。此外，其它误差，例如线性度误差，会造成DAC输出频谱上出现不期望的谐波分量，这些谐波往往是限制DAC无杂散动态范围（SFDR）性能的一个因素。

一般说来，谐波并不是一个严重的问题，因为电路中可以比较容易的将其分量从输出频谱中抑制。不过，通过DAC将数字信号转换为模拟信号的过程属于采样定理所规范的领域。根据定理可以得知，谐波信号并不总是出现在容易观察到的频率点上。例如，假定一个以200MHz采样的DAC可以产生一路频率为52MHz的正弦信号，明显可以发现其三次谐波会出现在156MHz频率处，这可以轻松地滤除。事实上，由于采样的影响，在44MHz处还会出现一个三次谐波的镜像。该镜像距离52MHz的基频信号只有8MHz的间隔，这使得滤除谐波信号的工作难度大大增加。显然，如果谐波可以有选择性的衰减，则DAC的SFDR性能将得到极大的提升。

DDS的主要功能是产生正弦波。合成正弦波的质量的一个关键衡量标准是谐波失真。正如上面所解释的那样，DAC所引入的谐波失真往往是限制DDS中SFDR性能提高的因素。目前改善SFDR的解决方案是频率规划和在DAC输出端添加外部滤波电路，但这些方法往往并不能普遍适用，特别在采样理论的控制下，其高次谐波的折叠非常接近基频信号。一个可选的方案是对DAC输入端的数字信号进行预失真处理，以抵消失真信号。这一概念实际是“相消干涉”技术的翻新。众所周知，将两个具有相同频率、幅值相同但方向相反的正弦信号相加，则这两路信号将完全抵消。谐波对消提供了滤波器以外的一种选择。谐波对消的原理是通过相消干涉的方式衰减频带中的杂散频率分量，具体实现过程是截取主DDS 中相位累加器输出与配置的对消谐波阶数进行运算产生新的相位，并结合相位偏移控制字和幅度控制字产生一路与主DDS 输出当中的谐波信号频率幅度相同，相位相差180°的信号，该信号与主DDS 输出信号叠加后即可实现带内谐波杂散的能量衰减。

为了消除谐波杂散分量，首先应该确定其实际的频率。采样影响会导致所期望的谐波频率之外的频率点上出 现谐波杂散分量。其具体的频率点位置可以通过如下流程来确定。首先，令fS为DAC的采样速率，fP是原始正弦信号的频率，fH是谐波频率，而fSPUR是在对采样的影响进行修正后的谐波杂散分量的频率。为了找到fH，将fP乘以谐波数N（即，二次谐波N=2，三次谐波N=3）。接下来，求出fH/fS的余数R。如果R

这种杂散削减技术的使用提供了抑制最差情形下杂散分量的方法，该最差情形通常由二次和三次谐波分量所造成。于是，宽带SFDR可以得到显著的改善。事实上，对于谐波相关的杂散分量来说，该技术的特性类似于一个完美的陷波滤波器。这可以大大简化DAC输出端的滤波要求，从而减少元器件的数量并节省成本。

3 结束语

应该注意到，该降低杂散分量的方法是在最近DDS技术进步的辅助下实现的。新的算法和架构已经降低了功耗和杂散分量水平。未来的DDS将继续遵循其低功耗化和降低杂散分量的趋势发展，为DDS作为系统设计的一个关键构建模块的广泛应用铺平道路。

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