数字频率合成器dds的量化性能分析matlab仿真

1.课题概述

        数字频率合成器dds的量化性能分析matlab仿真，分别定义累加器位宽，截位位宽，模拟DAC位宽等，分析不同的量化位宽对DDS信号输出频谱的影响。

2.系统仿真结果

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3.核心程序与模型

版本：MATLAB2022a

Yo_err  = mod(n*K,2^(Wbits-Wmsb));
%相位映射输出
Yo_phase= cos(2*pi*(Yo_adder-Yo_err)/(2^Wbits));     
%量化
Q_interval = [-1+1/(2^(Wdac-1)) : 1/(2^(Wdac-1)) : 1-1/ (2^(Wdac-1))]; 
%量化码本值
cb         = [-1+1/(2^Wdac)     : 1/(2^(Wdac-1)) : 1-1/(2^Wdac)]; 
%频偏分析
[Pxx1,wx1]   = periodogram(Yo_phase,[],'onesided',pp);

figure;
subplot(211);
plot(Yo_phase);title('进行10bit DAC位宽截取');
xlim([0,200]);
subplot(212);
psdplot(Pxx1/max(Pxx1),wx1);



Yo2     = cos(2*pi*Yo_adder/(2^Wbits));
%量化
[~,Yo3] = quantiz(Yo2,Q_interval,cb);
%频偏分析
[Pyy2,wy2]= periodogram(Yo3,[],'onesided',pp);

figure;
subplot(211);
plot(Yo3);title('不进行位宽截取');
xlim([0,200]);
subplot(212);
psdplot(Pyy2/max(Pyy2),wy2);

%量化
[~,Yo4]   = quantiz(Yo_phase,Q_interval,cb);
 %频谱分析；
[Pzz3,wz3]= periodogram(Yo4,[],'onesided',pp);   

figure;
subplot(211);
plot(Yo4);title('进行相位位宽截取');
xlim([0,200]);
subplot(212);
psdplot(Pzz3/max(Pzz3),wz3);24

4.系统原理简介

        数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer, DDS）是一种用于生成精确频率信号的电子设备。与传统的模拟频率合成方法相比，DDS具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位连续可调等优点。DDS的核心是一个相位累加器和一个波形查找表（Look-Up Table, LUT），通过将相位累加器的输出作为查找表的地址，可以实时生成任意频率和相位的数字波形。

4.1 DDS的基本原理

       DDS的基本原理是利用数字信号处理技术来生成所需的模拟信号。DDS主要由相位累加器、波形查找表、数模转换器（DAC）和低通滤波器（LPF）等部分组成。DDS的输出信号可以表示为：

       相位累加器：相位累加器是DDS中的核心部分，用于实现相位的线性递增。在每个时钟周期，相位累加器将其输出与频率控制字（Frequency Control Word, FCW）相加，得到新的相位值。相位累加器的位数决定了DDS的频率分辨率和最大输出频率。

相位累加器的输出可以表示为：

波形查找表：波形查找表存储了预先计算好的波形数据（通常是正弦波或余弦波）。相位累加器的输出作为查找表的地址，用于从查找表中读取相应的波形数据。查找表的大小和深度决定了DDS的波形质量和内存需求。

数模转换器（DAC）：DAC将查找表输出的数字波形转换为模拟信号。DAC的分辨率和线性度直接影响DDS输出信号的精度和失真。

低通滤波器（LPF）：由于DAC输出的信号包含高频分量（量化噪声和采样频率的谐波），因此需要通过低通滤波器来滤除这些不需要的频率成分，得到平滑的模拟信号。

4.2 DDS的量化性能分析

DDS的量化性能主要包括频率分辨率、杂散性能和噪声性能等方面。

频率分辨率：DDS的频率分辨率是指DDS能够分辨的最小频率间隔。频率分辨率与相位累加器的位数和DDS的时钟频率有关。

其中，N 是相位累加器的位数。增加 N 可以提高频率分辨率，但也会增加硬件复杂性和成本。

杂散性能：杂散是指DDS输出信号中除了所需频率成分以外的其他频率成分。杂散主要来源于相位截断误差、幅度量化误差和DAC的非线性。

为了改善杂散性能，可以采取增加相位累加器和查找表的位数、优化DAC的设计和使用高性能的低通滤波器等措施。

相位截断误差：由于相位累加器的位数有限，相位值会被截断，导致相位不连续和周期性误差。这种误差会在输出频谱中产生杂散。

幅度量化误差：查找表中的波形数据是有限精度的，因此会引入幅度量化误差。这种误差也会在输出频谱中产生杂散。

DAC的非线性：DAC的非线性会导致输出信号的失真和谐波成分。

噪声性能：DDS的噪声主要来源于DAC的量化噪声和系统的热噪声。量化噪声是由于DAC的有限分辨率引起的，而热噪声是由于电子器件的热运动引起的。

噪声性能可以通过信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）来衡量。SNR定义为信号功率与噪声功率之比。提高SNR可以通过增加DAC的分辨率、优化电路设计和降低系统温度等方法实现。