Hiện nay tổng hợp số trực tiếp là kỹ thuật tổng hợp tần số mới nhất đ- ợc nghiên cứu và phát triển rất nhiều. Thực tế trớc đây DDS chỉ là một hiện tợng với rất ít ứng dụng, nhng hiện nay nó trở thành một công cụ thiết kế quan trọng không thể thiếu đợc đối với ngời thiết kế các hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao và tốc độ thay đổi tần số nhanh. Tổ hợp số trực tiếp là một kỹ thuật điều khiển dới dạng số và tạo ra nguồn tần số tơng tự dựa trên một tần số đồng hồ chuẩn. Phơng pháp này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định của tần số theo nhiệt độ và thời gian là rất cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số rất nhanh.
Tổ hợp số trực tiếp hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là định luật Nyquist, nội dung định luật là :‘Nếu tín hiệu có phổ hữu hạn, có tần số lớn nhất là fmax thì hoàn toàn có thể đợc xác định bởi những giá trị tức thời tại những thời điểm cách nhau những khoảng bằng nhau, khoảng này gọi là chu kỳ lấy mẫu (Tm) thoả mãn điều kiện Tm ≤
max
2 1 1
f hay fm ≥ 2.fmax ’ Nh vậy để tạo ra tín hiệu hình sin có tần số f chỉ cần có không ít hơn 2 giá trị mẫu rời rạc của nó trong chu kỳ lấy mẫu là đợc, tuy nhiên trên thực tế th- ờng dùng nhiều hơn 4 giá trị. Các mẫu rời rạc này qua bộ lọc thông thấp sẽ khôi phục đợc tín hiệu ban đầu. Về bản chất phơng pháp tổng hợp tần số trực tiếp DDS là tạo ra tín hiệu hình sin từ chuỗi xung chuẩn. Các giá trị lấy mẫu của dao động hình sin sẽ đợc tính toán và lu trớc trong bộ nhớ, pha hiện thời của dao động hình sin sẽ đợc xác định sau các khoảng thời gian băng chu kỳ lấy mẫu. Từ bộ nhớ các giá trị biên độ tơng ứng với pha hiện thời sẽ đợc đa ra thành chuỗi dữ liệu số, qua bộ biến đổi DAC các giá trị biên độ này sẽ đợc biến đổi thành điện áp bậc thang, sau khi qua bộ lọc
thông thấp sẽ cho ta tín hiệu hình sin có tần số mong muốn. Thay đổi tần số tín hiệu ra bằng cách thay đổi luồng dữ liệu số từ bộ nhớ ra.
Hình 2.9 đồ thị tơng quan pha lợng tử và đầu ra DAC
Cấu trúc một hệ thống DDS cơ bản bao gồm một khối NCO (Numerically Controler Osillator – dùng để tạo sóng mang đầu ra) và một khối DAC (Digital to Analog Converter – dùng để chuyển đổi giá trị biên độ hình sin dạng số thành tín hiệu tơng tự). Dạng sóng đầu ra của DAC đợc làn trơn và loại bỏ nhiễu nhờ bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter). Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống DDS nh hình 2.10 :
Hình 2.10: Sơ đồ khối của tổ hợp số trực tiếp
Thành phần cơ bản của khối NCO gồm 1 khối tích luỹ pha và một khối ROM, ngoài ra còn có khối điều chế pha khối này sẽ thực hiện tính
toán pha hiện thời của dao động trớc khi đa dữ liệu tới ROM.
Hình 2.11: Sơ đồ khối của khối NCO
Đầu vào của bộ tích luỹ pha là một từ điều khiển tần số N bít đợc đa vào đồng bộ với tần số chuẩn. Từ điều khiển này đợc tích luỹ liên tục bởi 1 bộ cộng N bít. Khi bộ tích luỹ pha đạt giá trị lớn nhất thì nó lại reset về trạng thái ban đầu. Đầu ra bộ tích luỹ pha đợc sử dụng làm địa chỉ cho khối ROM. Khối ROM thực chất là một bảng lu các giá trị biên độ dạng số. Quá trình xử lý trong khối NCO nhằm chuyển đổi các giá trị pha thành các gía trị biên độ hình sin và cosin tơng ứng. Số bít dùng ở bộ tích luỹ pha sẽ quyết định độ phân giải của bớc điều chỉnh tần số. Mối quan hệ giữa tần số đầu ra và tần số đầu vào đợc thể hiện nh sau :
fout= N f c
2
φ ∆
Với : N là số bit của từ điều khiển tần số đầu vào ;
∆φ là từ điều khiển tần số đầu vào ; fc là tần số chuẩn của đồng hồ .
Ta thấy bộ tổng hợp số trực tiếp có hai đầu vào đó là : - Từ điều khiển pha.
- Tần số chuẩn .
Tần số chuẩn đầu vào là không đổi và có độ ổn định cao, bằng việc thay đổi từ điều khiển đặt tần số ta sẽ có đợc dao động ở đầu ra theo yêu cầu. Băng phơng pháp DDS ta có thể tạo ra dãy tần số với bớc tần rất nhỏ, b- ớc tần này phụ thuộc số bít N của từ điều khiển đầu vào ∆f =
C N f 2 1 . Đây là một u điểm rất lớn của phơng pháp tổng hợp tần số trực tiếp.
Bởi vì tổ hợp tần số số trực tiếp là một vòng lặp hở nên sự chuyển đổi tần số đầu ra có thể thực hiện trong vài chu kỳ clock. Tuy nhiên độ sạch phổ của DDS lại bị hạn chế bởi tốc độ và bớc lợng tử trong bộ chuyển đổi số sang tơng tự bởi vì sự hạn chế trong bớc lợng tử làm cho sóng sin có độ chính xác không cao do đó tại đầu ra có nhiễu tạp. Nếu tần số đầu ra là một dạng dao động điều hoà của tần số clock, khi đó đầu ra không có nhiễu tạp.
+Ưu điểm:
- Có độ phân giải tần số rất cao
- Tổ hợp số trực tiếp là một vòng lặp mở nên nó không mất thời gian thiết lập lại tần số vợt quá tần số ra.
- Ngay bản thân trong phơng pháp tổ hợp số trực tiếp có cả quá trình điều pha và điều biên.
- Tổ hợp số trực tiếp có khả năng đồng bộ cao với các thiết bị điện tử khác.
- Tổ hợp số trực tiếp là một thiết bị cho phép điều khiển số nên có thể tích hợp vào các thiết bị số phức tạp hơn.
+ Nhợc điểm:
- Tổ hợp số trực tiếp yêu cầu tần số chuẩn vào phải lớn gấp hai lần tần số ra.
- Tổ hợp số là thiết bị số nên nó đòi hỏi cần phải xây dựng một bộ lọc tại đầu ra.
2.2 Một số ứng dụng các phơng pháp tổng hợp tần số trong thực tế
Ngày nay có rất nhiều phơng pháp để thực hiện tổng hợp tần số cho một máy thu phát vô tuyến. Tổng hợp tần số số trực tiếp là biện pháp tốt nhất cho sự chuyển đổi tần số nhanh và bớc nhảy tần nhỏ nhng do sự hạn chế về công nghệ cũng nh kỹ thuật nên bộ tổ hợp tần số theo phơng pháp DDS sẽ có công suất tiêu tán cao và 1 hạn chế nữa đó là tần số tạo ra không đợc lớn. Tổng hợp tần số sử dụng PLL với dải tần hẹp là phổ biến nhất, nó cho ta một bộ tổ hợp tần số có hiệu quả cao, nhiễu pha và tạp âm nhỏ. Nhng các phần tử có hệ số phẩm chất cao không tuân theo quy luật tích hợp trong bộ tổ hợp tần số. Hơn nữa bộ tổng hợp tần số sử dụng vòng khoá pha dải hẹp tạo ra độ ổn định không cao trong những hệ thống cần chuyển đổi tần số nhanh. Một phơng pháp đợc sử dụng rất nhiều hiện nay đó là kết hợp cả tổng hợp tần số trực tiếp DDS và vòng khoá pha PLL để tạo ra một mạng tần
số chuẩn có bớc tần phù hợp và bảo đảm các tiêu chuẩn về phổ cũng nh dải tần công tác.