Direct Digital Synthesis

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Die Direct Digital Synthesis oder direkte digitale Synthese (kurz DDS) ist ein Verfahren zur Erzeugung analoger Signale (fast) beliebiger Signalform und Frequenz mit digitaler Hardware, die mit einer festen Frequenz betrieben wird.

Das Verfahren wird vor allem bei Funktionsgeneratoren eingesetzt, um verschiedene Signalformen mit möglichst hohem Nebenwellenabstand (d.h. hoher Signalqualität) in einem breiten Frequenzbereich zu erzeugen. Weiterhin eignet sich die DDS hervorragend, um z.B. für Modulationszwecke schnelle und genaue Frequenz- und Phasenänderungen zu erzeugen. Mittlerweile sind dedizierte DDS-ICs erhältlich, die mit bis zu 1 GHz betrieben werden und so theoretisch Signale von 0 Hz bis 500 MHz ausgeben können.

[Bearbeiten] Das Prinzip

Bei der DDS wird eine Periode eines beliebigen $2π$ -periodischen Signals in einem Rechnerspeicher abgelegt. Idealerweise werden möglichst viele Werte mit einer möglichst guten Amplitudenauflösung gespeichert, in der Praxis sind das üblicherweise etwa 2000 bis 8000 Werte mit einer Quantisierungsgenauigkeit von 8-12 Bit. Diese Tabelle von Amplituden (Stützstellen) ist in der Regel fest in einem Mikrocontroller oder einem speziellen DDS-Baustein gespeichert und nur schwer veränderbar.

Im Folgenden soll beispielhaft die Verarbeitung eines Sinussignals betrachtet werden. Die gespeicherten Werte werden in einem gleichmäßigen Takt nacheinander über einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU, häufig auch englisch DAC für Digital-Analog-Converter) ausgegeben und ergeben dann, abhängig von der Anzahl und Quantisierungsgenauigkeit der Stützstellen und der Qualität der nachfolgenden Tiefpassfilterung, wieder ein mehr oder weniger genaues Sinussignal. Werden alle Speicherstellen pro Periode genau einmal ausgegeben entsteht die Grundfrequenz, die nur von der Anzahl der Stützstellen und der Ausgabegeschwindigkeit abhängt.

Prinzip der DDS. Das obere Sinussignal (Grundfrequenz) erhält man bei Ausgabe aller gespeicherten Stützwerte über einen DAU ohne Änderung der Geschwindigkeit. Beim unteren Sinussignal wird jede dritte Stützstelle (die grünen Stellen in der Grundfrequenz) ausgelassen. So wird eine kürzere Periodendauer und damit eine höhere Frequenz erreicht; hier die 1,5fache Grundfrequenz.

Um andere Frequenzen als die Grundfrequenz zu erzeugen, überspringt oder verdoppelt man bei der Ausgabe der Stützstellen nach einem einfachen Rechenschema die Ausgabe einiger Speicherstellen. Eine Frequenzverdoppelung könnte man beispielsweise durch Auslassen jeder zweiten Stützstelle erreichen, so dass statt z.B. 4096 Stellen nur 2048 Stellen ausgegeben werden.

Lässt man nicht jeden zweiten, sondern nur jeden hundertsten Wert aus, dann ergibt sich eine, im Bezug auf die Grundfrequenz, nur geringfügig andere Frequenz. Dadurch lassen sich bei Auslassen von z.B. nur einer Stützstelle pro ausgegebener Periode durchaus Frequenzänderungen im Millihertzbereich realisieren. Diese sehr genaue Beeinflussbarkeit der Frequenz ist einer der großen Vorteile der DDS.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Ausgabefrequenzen und ihre Phase praktisch sofort zu ändern, indem man die Anzahl der ausgelassenen Stützstellen variiert oder z.B. einfach Teile von Perioden überspringt. Dadurch lassen sich recht einfach Frequenz- und Phasenmodulationen realisieren.