Síntesis digital directa

Síntesis digital directa ()DDS) es un método empleado por sintetizadores de frecuencia usados para crear ondas arbitrarias de un reloj de referencia de frecuencia fija única. El DDS se utiliza en aplicaciones como generación de señales, osciladores locales en sistemas de comunicación, generadores de funciones, mezcladores, moduladores, sintetizadores de sonido y como parte de un bucle digital bloqueado por fases.

Descripción general

Un sintetizador digital directo básico consiste en una referencia de frecuencia (a menudo un oscilador de cristal o SAW), un oscilador controlado numéricamente (NCO) y un convertidor digital-a-analógico (DAC) como se muestra en la Figura 1.

El oscilador de referencia proporciona una base de tiempo estable para el sistema y determina la precisión de frecuencia del DDS. Proporciona el reloj al NCO, que produce a su salida una versión discreta y cuantitativa de la forma de onda de salida deseada (a menudo un sinusoide) cuyo período es controlado por la palabra digital contenida en la Registro de control de frecuencias. La onda digital muestrada se convierte en una onda analógica por el DAC. El filtro de reconstrucción de salida rechaza las réplicas espectrales producidas por la retención de cero en el proceso de conversión analógica.

Rendimiento

Un DDS tiene muchas ventajas sobre su contraparte analógica, el bucle de bloqueo de fase (PLL), incluida una agilidad de frecuencia mucho mejor, un ruido de fase mejorado y un control preciso de la fase de salida a través de las transiciones de conmutación de frecuencia. Las desventajas incluyen respuestas espurias debido principalmente a efectos de truncamiento en el NCO, espolones cruzados resultantes de imágenes Nyquist de alto orden (>1) y un piso de ruido más alto en grandes desplazamientos de frecuencia debido principalmente al convertidor de digital a analógico.

Debido a que un DDS es un sistema muestreado, además de la forma de onda deseada en la frecuencia de salida F_out, también se generan imágenes Nyquist (la imagen principal está en F_clk -F_out, donde F_clk es la frecuencia del reloj de referencia). Para rechazar estas imágenes no deseadas, generalmente se usa un DDS junto con un filtro de paso bajo de reconstrucción analógica, como se muestra en la Figura 1.

Agilidad de frecuencia

La frecuencia de salida de un DDS está determinada por el valor almacenado en el registro de control de frecuencia (FCR) (ver Fig.1), que a su vez controla el tamaño del paso del acumulador de fase del NCO. Debido a que el NCO opera en el dominio del tiempo discreto, cambia la frecuencia instantáneamente en el borde del reloj coincidiendo con un cambio en el valor almacenado en el FCR. El tiempo de establecimiento de la frecuencia de salida del DDS está determinado principalmente por la respuesta de fase del filtro de reconstrucción. Un filtro de reconstrucción ideal con una respuesta de fase lineal (lo que significa que la salida es simplemente una versión retardada de la señal de entrada) permitiría una respuesta de frecuencia instantánea en su salida porque un sistema lineal no puede crear frecuencias que no estén presentes en su entrada.

Ruido de fase y fluctuación

El alto rendimiento de ruido de fase de un DDS se deriva del hecho de que es un sistema de alimentación. En un bucle tradicional de fase bloqueada (PLL), el separador de frecuencia en la ruta de retroalimentación actúa para multiplicar el ruido de fase del oscilador de referencia y, dentro del ancho de banda PLL, impresiona este exceso de ruido sobre la salida VCO. Un DDS, por otro lado, reduce el ruido de la fase del reloj de referencia por la relación fclk/fo{displaystyle f_{clk}/f_{o} porque la división fraccional del reloj deriva su salida. El juego del reloj de referencia se traduce directamente a la salida, pero este jitter es un porcentaje más pequeño del período de salida (por la relación anterior). Puesto que la frecuencia máxima de salida se limita a fclk/2{displaystyle f_{clk}/2}, el ruido de la fase de salida en los offsets de cierre es siempre al menos 6 dB debajo del ruido de la fase del reloj de referencia.

En compensaciones muy alejadas de la portadora, el piso de ruido de fase de un DDS está determinado por la suma de potencias del piso de ruido de cuantificación del DAC y el piso de ruido de fase del reloj de referencia.

Enlaces externos y lecturas adicionales

• Tutorial sobre Síntesis de Señal Digital (De dispositivos analógicos)
• L. Cordesses, "Direct Digital Synthesis: A Tool for Periodic Wave Generation (Part 1)" IEEE Signal Processing Magazine, DSP Consejos " Columna de trucos ", págs. 50 a 54, vol. 21, No 4 de julio de 2004.
• L. Cordesses, Direct Digital Synthesis: A Tool for Periodic Wave Generation (Part 2) IEEE Signal Processing Magazine, DSP Consejos " Columna de trucos ", pp. 110–117, Vol. 21, No. 5, Sep. 2004.
• Jouko Vankka & Kari A.I. Halonen (2010). Direct Digital Sintetizadores: Teoría, Diseño y Aplicaciones. La serie internacional Kluwer en Ingeniería y Ciencias de la Computación. Boston, MA: Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-1-4419-4895-3.