DDS

Direct Digital Synthesis ist ein Verfahren zur Signalerzeugung durch numerische Berechnung in Echtzeit und anschließende Umwandlung in eine Analogform. Ein DDS-Schaltkreis nimmt einen Referenztakt, teilt oder vervielfacht dessen Frequenz unter digitaler Kontrolle und erzeugt eine kontinuierliche Ausgangswellenform, typischerweise eine Sinuswelle. Die Kernkomponente ist ein numerisch gesteuerter Oszillator (NCO), der die Phase mit einer Rate akkumuliert, die durch ein Steuerwort in Kontrollregistern vorgegeben wird. Da keine mechanischen Oszillatoren, Varaktoren oder phasengesteuerten Regelschleifen erforderlich sind, ist DDS schneller und stabiler als die analoge Frequenzsynthese für viele Anwendungen.

Der Ausgangspfad in einem DDS-Chip folgt einer festen Abfolge. Der Phasenakkumulator des NCO inkrementiert bei jedem Taktzyklus um das Steuerwort und erzeugt eine Sägezahnrampe. Diese Rampe wird gekürzt und in eine Sinus-Nachschlagetabelle (ROM) eingegeben, die die quantisierte Phase in Amplitudensamples umwandelt. Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) rekonstruiert dann die Analogwellenform. Die Abtastrate des DAC bestimmt die maximale Ausgangsfrequenz, die nach dem Nyquist-Theorem weniger als die Hälfte der Taktrate beträgt. Typische Taktfrequenzen reichen je nach Chip-Technologie und Anwendung von Zehner-Megahertz bis zu mehreren Gigahertz.

Die Frequenzauflösung ist einer der Hauptvorteile. Die Schrittgröße zwischen benachbarten Frequenzen wird durch die Taktfrequenz geteilt durch die Akkumulatorbreite (normalerweise 32 oder 48 Bit) festgelegt. Ein 100-MHz-Takt mit einem 32-Bit-Akkumulator ergibt eine Auflösung von etwa 0,023 Hz, was eine äußerst feine Abstimmung ohne Umschalten zwischen Hardware-Registern oder Warten auf Phasenverriegelung ermöglicht. Die Frequenz kann durch Schreiben eines neuen Steuerworts in den Steuerport geändert werden, mit Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich oder schneller.

DDS wird intensiv in Radar, Sonar, Software-defined Radio, Funktionsgeneratoren und Präzisions-Frequenzsynthese verwendet. Phased-Array-Radar-Systeme nutzen DDS, um mehrere Kanäle mit leicht unterschiedlichen Frequenzen zur Strahlenlenkung zu erzeugen. Kommunikationsprüfgeräte verlassen sich auf DDS für die rauscharme Trägererzeugung. Der Hauptkompromiss besteht darin, dass die endliche Anzahl von Phasenschritten harmonische Spurs und Quantisierungsrauschen verursacht; der spurfreie dynamische Bereich (SFDR) liegt typischerweise zwischen 70 und 110 dB, je nach Akkumulatorbreite und DAC-Auflösung. Die Filterung der Analogausgabe ist normalerweise erforderlich, um diese Artefakte zu unterdrücken, besonders wenn hohe Reinheit erforderlich ist.

Der Begriff 'direkt' unterscheidet diesen Ansatz von indirekten Methoden wie phasengesteuerten Regelschleifen, die die Ausgangsfrequenz eines Oszillators durch Vergleich mit einer Referenz und Rückkopplung eines Fehlersignals anpassen. DDS erzeugt das Signal mathematisch allein aus dem Referenztakt, ohne Rückführungsschleife. Moderne DDS-Chips integrieren den NCO, ROM, DAC und oft einen Taktvervielfacher und Ausgabefilter in einem einzigen integrierten Schaltkreis; Beispiele sind die AD9850- und AD9910-Familien. Ältere analoge Synthesizer mit spannungsgesteuerten Oszillatoren und Varaktoren erforderten mechanische oder elektronische Abstimmung; DDS ersetzte sie überall dort, wo digitale Steuerung und schnelles Frequenzspringen erforderlich waren.