Thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) ứng dụng cho thiết bị thu phát sóng ngắn đơn biên SSB 3

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trước sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật viễn thông và kỹ
thuật vi xử lý đã có ứng dụng rất to lớn vào tất cả các lĩnh vực đặc biệt là
lĩnh vực điện tử. Trong nhiều ứng dụng một trong các thiết bị điện tử quan
trọng nhất là các máy thu phát vô tuyến. Yêu cầu chung đối với các máy
thu phát vô tuyến hiện đại là phải đảm bảo sự hoạt động được một cách ổn
định trong dải tần công tác.
Hiện nay còn có nhiều trang bị thông tin vô tuyến đã cũ và lạc hậu,
hầu hết được nhập từ nước ngoài về và thuộc nhiều chủng loại nhiều thế hệ
khác nhau. Trong quá trình khai thác và sửa chữa gặp rất nhiều khó khăn.
Vì vậy việc cải tiến và nâng cấp trang thiết bị hiện có là một yêu cầu cấp
thiết trong quá trình hiện đại hóa hiện nay.
Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu và thiết kế các modul để
thay thế cho các modul trong thiết bị cũ là một hướng đi đúng đắn. Trước
mắt phục vụ cho công tác bảo đảm kỹ thuật sửa chữa thay thế, đồng thời
tạo cơ sở cho việc thiết kế chế tạo các thiết bị mới trong tương lai. Bộ tổ
hợp tần số là một bộ phận rất quan trọng và quyết định chất lượng của các
thiết bị thông tin vô tuyến. Vì vậy thu hút được sự quan tâm khi nghiên cứu
cải tiến. Yêu cầu chung đối với bộ tổ hợp tần số là tạo ra một dải tần rộng,
khả năng thiết lập tần số nhanh, độ chính xác cao, bước tần hẹp, …
Kỹ thuật tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) là kỹ thuật điều khiển số, cho
phép tạo ra mạng tần số từ một số tần số chuẩn. Nó có độ chính xác cao,
bước tần hẹp, điều chỉnh băng rộng. Hướng đi của đề tài là: “Thiết kế bộ
tổ hợp tần số trực tiếp (DDS) ứng dụng cho thiết bị thu phát sóng ngắn
đơn biên SSB-3”
Với yêu cầu đặt ra là thiết kế bộ tổ hợp tần số trực tiếp, chế tạo thử
nghiệm, đo đạc kiểm tra, đánh giá các tham số kỹ thuật.
1
Nội dung đồ án gồm 3 chương :
- Chương 1: Khái quát chung về phương pháp tổ hợp tần số.
- Chương 2: Phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp.

- Chương 3: Thiết kế, chế tạo modul tổ hợp tần số theo phương pháp
tổ hợp tần số trực tiếp ứng dụng cho SSB-3.
Do những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn nên trong
đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng
góp từ các thầy giáo và bạn đọc quan tâm đến đề tài này để em hoàn thiện
kiến thức của mình hơn nữa.
Em xin chân thành cám ơn!

2
CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ
1.1 Khái quát về tổ hợp tần số
Trong các hệ thống viễn thông, để tạo ra tần số dao động cần thiết, ta
có thể dùng các mạch dao động. Mạch dao động đơn giản nhất là mạch dao
động LC, mạch này cho phép thay đổi tần số dễ dàng nhờ thay đổi các
tham số (L, C) của mạch. Nhưng nó lại có nhược điểm là tần số dao động
được tạo ra có độ ổn định không cao. Ngay với các linh kiện có hệ số phẩm
chất cao và ổn định nhiệt tốt thì độ ổn định
∆
f/f của bộ dao động LC cũng
chỉ đạt từ 10
3−
đến 10
4−
. Để đạt được độ ổn định cao, ta sử dụng bộ tự dao
động thạch anh (giá trị
∆
f/f có thế đạt từ 10
6−
đến 10

8−
). Nhưng các bộ dao
động thạch anh lại rất khó thay đổi tần số vì mỗi bộ dao động có một tần số
cố định. Muốn thay đổi tần số công tác thì ta phải thay đổi bộ dao động
thạch anh. Mặt khác, ở tần số cao thì việc chế tạo bộ dao động thạch anh là
rất phức tạp vì bề dày của thạch anh lúc này là rất nhỏ.
Vậy để tạo tần số công tác vừa đảm bảo dễ thay đổi trong một dải
nhất định (mạng tần số), lại phải đảm bảo độ ổn định tần số cao đáp ứng
yêu cầu của máy thu phát vô tuyến thì phải thực hiện theo giải pháp nào?
Lý thuyết về tổ hợp tần số (THTS) bắt nguồn từ yêu cầu đó.
THTS là phương pháp tạo ra mạng tần số từ một số dao động cho
trước có độ ổn định và độ chính xác tần số cao. Tổ hợp mạng tần số được
tạo ra bằng cách cộng, trừ, nhân, chia các tần số cho trước theo một nguyên
tắc hay một thuật toán nào đó.
Bộ THTS là một thành phần quan trọng trong các thiết bị điện tử nói
chung và trong các thiết bị thu phát vô tuyến nói riêng. Nó có nhiệm vụ tạo
ra các dao động chủ sóng cho tuyến phát và tạo ra dao động ngoại sai cho
3
tuyến thu. Do vậy, bộ THTS được ứng dụng nhiều trong các thiết bị hay hệ
thống thông tin hiện nay.
Để quá trình bắt đầu liên lạc không phải tìm kiếm và thực hiện vi
chỉnh tần số, các yêu cầu đối với bộ THTS là :
• Có khả năng làm việc trong dải tần rộng, bước tần nhỏ thỏa mãn
các yêu cầu đặt ra với số lượng thạch anh ít nhất nếu có thể.
• Đảm bảo độ ổn định và độ chính xác tần số cao.
• Loại bỏ đến mức thấp nhất các tần số phụ sinh ra trong quá trình
biến đổi tần số.
• Thời gian thiết lập tần số nhanh, chính xác.
• Có khả năng điều chỉnh và chuyển tần số nhanh, chính xác.
• Kích thước trọng lượng nhỏ, khả năng modul hóa cao.

• Giá thành hạ.
Việc thiết kế, chế tạo bộ THTS phải thoả mãn các yêu cầu trên. Tuy
nhiên, việc thiết kế và chế tạo bộ THTS cũng phải dựa theo yêu cầu trong
trường hợp cụ thể, chỉ tiêu kỹ thuật của các thiết bị và ứng dụng của nó.
1.2 Các phương pháp tổ hợp tần số
Có rất nhiều cách phân loại THTS theo tiêu chí và quan điểm khác
nhau. Tuy nhiên, có một cách thông dụng là chia các bộ THTS theo ba loại
sau:
- THTS thụ động
- THTS tích cực
- THTS trực tiếp
1.2.1 Phương pháp THTS thụ động
THTS thụ động là THTS dùng phương pháp lọc mà không dùng so
pha hay so tần.
a / THTS thụ động dùng linh kiện tương tự :
4
*/ Sơ đồ THTS kết hợp :
Theo nguyên tắc này thì bộ THTS dùng nhiều thạch anh. Phương
pháp này dễ chế tạo song lại có nhược điểm tạo ra tần số phụ ở lối ra bộ
THTS. Mạng tần số được hình thành theo một công thức cố định nên không
linh hoạt cho việc thay đổi tần số công tác.
Hình 1.1 Sơ đồ tổ hợp tần số kết hợp
*/ Sơ đồ THTS bù trừ :
Cơ sở của phương pháp này là THTS trực tiếp song có bổ sung thêm
các phép tính nhằm tăng độ chọn lọc của các thành phần trong mạng
THTS. Thực chất của phương pháp này là thành phần được chọn trong
mạng biến tần được quy về tần số cố định rất thấp. Ở tần số này sẽ đảm bảo
điều kiện lọc tốt nhất. Sau đó, bằng con đường ngược lại nó chuyển về tần
số cũ hoặc tần số bất kỳ khác. Các tần số biến đổi phụ này được thực hiện
nhờ bộ dao động phụ.

Hình 1.2 Sơ đồ tổ hợp tần số bù trừ
5
Bộ lọc BPF1 ở lối ra bộ tổ hợp chỉ có thể tách ra một nhóm một
nhóm các thành phần của mạng, trong đó có thành phần được chọn f.
Nhóm các thành phần này nhờ dao động phụ được dịch xuống dưới theo
trục tần số. Sao cho tần số được chọn nằm trong giải thông của bộ lọc
BPF2 với tần số trung gian. Sau bộ lọc, nhờ tần số phụ của bộ dao động đó,
tg
f
được biến đổi thành tần số
ra
f f=
. Để tách lấy các thành phần khác, ví
dụ
s
f f+∆
chỉ cần tăng tần số của bộ dao động phụ thêm lượng
s
Δf
là đủ.
Tóm lại, các bộ THTS thụ động dùng linh kiện tương tự có các ưu
nhược điểm sau:
- Ưu điểm:
+ Sơ đồ cấu trúc đơn giản.
+ Có thể tạo ra các dải tần làm việc liên tục hay gián đoạn theo yêu
cầu.
+ Độ ổn định tần số cao.
+ Thiết lập tần số nhanh.
+ Xác suất xuất hiện độ lệch tần số nhỏ vì không dùng mạch tự dao
động trong tổ hợp.

- Nhược điểm:
+ Độ chính xác tần số kém.
+ Phổ tín hiệu đầu ra lớn, mức các dao động phụ còn nhiều.
+ Số lượng tần số công tác chưa lớn.
+ Thiết lập bộ lọc phức tạp.
+ Khó sử dụng, điều chỉnh, không thuận tiện cho sửa chữa.
b/ THTS thụ động dùng linh kiện số:
Là ứng dụng các IC số có kích thước rất nhỏ, độ bền và độ tin cậy
cao, thời gian trễ nhỏ. Các dao động tạo ra tần số cần thiết là những dòng
xung có độ chính xác và độ ổn định cao. Chỉ sử dụng các linh kiện ở các
6
mạng lọc đầu ra. Sơ đồ tổng quát như trên hình 1.3.
Ngược với phương pháp THTS thụ động trên linh kiện tương tự, THTS thụ
động trên linh kiện số chia tần số thạch anh và cộng giữa các tần số thạch
anh đã chia tạo ra mạng tần số chuẩn.
Hình 1.3 Sơ đồ tổng quát tổ hợp tần số thụ động dùng linh kiện số
0 01
ra
f f
f
N M
= +
(1.1)
Tuy nhiên, nó có nhược điểm: dải tần rời rạc, khoảng cách tần số lớn,
nhiều hài và phức tạp.
* / Sơ đồ THTS trực tiếp:
Hình 1.4 Sơ đồ tổ hợp tần số trực tiếp trên linh kiện tương tự
- Ưu điểm:
+ Thời gian thiết lập tần số nhanh.
+ Độ ổn định tần số tương đối cao (Đánh giá qua mức tạp âm lượng tử).

+ Tránh không phải dùng hệ số chia biến đổi có hệ số chia lớn trong
vòng giữ so pha.
7
- Nhược điểm:
+ Để giảm bớt méo lượng tử thì phải có dung lượng bộ nhớ lớn. Do đó,
việc thiết kế, chế tạo phức tạp, giá thành cao.
1.2.2 Phương pháp THTS tích cực
THTS tích cực thực chất là phương pháp THTS trong đó có sử dụng
vòng so pha hay so tần để ổn định tần số đầu ra. Sau đây ta sẽ nghiên cứu
một số sơ đồ THTS tích cực cơ bản.
a/ THTS tích cực trên linh kiện tương tự:
*/ Bộ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số (TDT):
Kỹ thuật này được minh họa trên hình 1.5. Trong sơ đồ này, VCO
thực chất là một bộ dao động LC làm việc được trong dải tần rộng nhưng
độ ổn định tần số không cao. Để tần số ổn định, ta sử dụng vòng tự động
điều chỉnh tần số. Trên cơ sở so sánh giữa f
VCO
và f
DĐC
, sai số của phép so
sánh này sẽ tạo ra ở đầu ra thiết bị so sánh một tín hiệu sai số U
TS
, tín hiệu
này được đưa qua bộ lọc thông thấp. Sau đó được đưa qua thiết bị điều
khiển để lôi kéo tần số làm việc về tần số danh định.
Hình 1.5 Sơ đồ tổ hợp dùng vòng tự động điều chỉnh theo tần số
Nhược điểm của sơ đồ này là ở trạng thái dừng luôn tồn tại độ lệch
tần số còn dư. Do đó, trạng thái đầu ra của TSTS luôn xuất hiện trạng thái
8
sai số nên tần số làm việc có độ chính xác chưa cao và không ổn định.

*/ Sơ đồ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh theo pha (TDF):
Hình 1.6 Sơ đồ tổ hợp tần số TDF
Phương pháp trên là sự so sánh về pha giữa f
DĐC
và f
VCO
sẽ tạo ra một
điện áp điều chỉnh ở đầu ra. Điện áp này qua bộ lọc thông thấp đến thiết bị
điều khiển điều chỉnh tần số VCO về tần số danh định.
Sơ đồ THTS dùng vòng tự động điều chỉnh tần số theo pha (TDF)
dựa trên nguyên tắc bám chính xác theo pha dao động chuẩn. Nên ưu việt
hơn hẳn so với phương pháp TDT là không còn độ lệch pha tần số còn dư,
sai số chỉ còn là sai số về pha. Vì thế người ta còn gọi bộ THTS kiểu này là
bộ tinh chỉnh. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là dải giữ của vòng so pha
hẹp nên khi sai lệch về pha giữa hai dao động cần so pha lớn thì vòng so
pha có thể mất tác dụng điều chỉnh. Chính vì thế, để khắc phục người ta đã
kết hợp cả vòng so tần và so pha.
Tuy nhiên, các bộ THTS tích cực dùng linh kiện tương tự là phải sử
dụng mạch tạo mạng tần số chuẩn. Các linh kiện tương tự có độ chính xác
không cao nên độ tin cậy hệ thống thấp. Kích thước và trọng lượng của các
linh kiện lớn nên kích thước và trọng lượng của hệ thống lớn, việc điều
chỉnh tự động khá phức tạp.
b/ THTS tích cực dùng linh kiện số:
*/ Sơ đồ khối tổng quát:
9
Hình 1.7 Sơ đồ tổng quát
Các bộ chia cố định M, bộ chia biến đổi N và tách sóng pha là linh
kiện số. Dao động thạch anh làm việc ở một tần số cố định thoả mãn đảm
bảo độ ổn định tần số cao. Sau đó được đưa đến bộ chia tần. Nguyên tắc
chia được thực hiện theo phương pháp số đơn giản hơn nhiều so với chia

tương tự. Để chia dao động điều hòa người ta phải biến dao động điều hòa
thành dãy xung bằng các bộ hạn biên và mạch vi phân rồi chuyển vào mạch
đếm.
Để nâng cao dải tần đồng bộ và mở rộng phạm vi điều chỉnh người ta sử
dụng kết hợp vòng so pha và so tần. Giải pháp này thể hiện trên hình 1.8.
Hình 1.8 Sơ đồ kết hợp vòng so pha và so tần
Trong sơ đồ này, vòng so tần đóng vai trò điều chỉnh thô vì có dải bắt
rộng có nhiệm vụ lôi kéo sự sai lệch tần số về độ lệch tần số còn dư. Vòng
so pha thực hiện bước tinh chỉnh lôi kéo tần số dao động chủ sóng có độ
lệch tần số còn dư về giá trị danh định. Sơ đồ này có độ ổn định tần số cao,
10
dải tần đầu ra rộng. Khả năng tự động điều chỉnh của hệ thống lớn đảm bảo
độ tin cậy, sử dụng đơn giản.
Thực tế, để tạo ra dải tần số rộng, bước tần số nhỏ với sơ đồ trên là
rất khó khăn vì tần số nhỏ thì bộ chia N phải lớn dẫn đến số lượng vi mạch
chia tăng lên, điều này gây ra sự trễ pha tín hiệu tương đối lớn, cũng như
hiện tượng trôi pha rất khó khắc phục.
*/Ưu điểm :
+ Các linh kiện số được chế tạo bằng công nghệ tiên tiến cho nên độ
chính xác, độ tin cậy, độ bền và tuổi thọ cao. Kích thước và trọng lượng
nhỏ cho nên có thể modul hóa tổ hợp tần số để thuận tiện cho việc thay thế
và sửa chữa, giá thành phải chăng.
+ Sử dụng bộ trộn nên vẫn có thành phần tần số phụ. Tuy nhiên, có thể
khắc phục được bằng cách mắc bộ lọc đầu ra và bộ lọc cộng hưởng thạch
anh.
+ Có thể tạo ra được mạng tần số công tác rộng, bước tần số hẹp, độ ổn
định tần số cao theo yêu cầu. Việc điều khiển thiết lập tần số đơn giản, chỉ
cần thay đổi hệ số chia của các bộ chia biến đổi.
+ Tín hiệu có độ sạch phổ cao vì chỉ do một bộ phận dao động tạo ra. Do
đó, có thể sử dụng để điều chế các dạng tín hiệu cao cấp, thu hẹp dải thông

máy thu.
*/ Nhược điểm:
+ Một số phần tử chưa được vi mạch hóa như các bộ dao động, bộ lọc,
cho nên kích thước và trọng lượng của bộ tổ hợp tần số chưa được giảm tới
mức tối ưu.
+ Các linh kiện số thường có giới hạn tần số công tác nhỏ hơn 50MHz
nên khó tạo ra được tần số lớn.
+ Để điều chỉnh chính xác cần chọn tần số đưa vào so pha nhỏ khi có hệ
số chia sẽ phải lớn dẫn đến số vi mạch chia tăng lên. Do đó thời gian trễ
11
của tín hiệu tăng. Tốc độ khóa pha của dòng so pha giảm, nên nó cũng
không phản ứng kịp thời với những sai lệch tần số của bộ dao động tần số
liên tục xuất hiện dưới dạng tạp âm điều tần. Có thể khắc phục nhược điểm
này bằng cách thay tần số f
0
/M bằng một mạng tần số sử dụng THTS tích
cực trên linh kiện số tạo mạng tần số chuẩn gọi là phương pháp THTS sử
dụng nhiều vòng so pha, thông thường có 3 vòng so pha.
+ Bộ dao động liên tục có thể bị điều chỉnh nhầm lẫn bởi nhiễu có biên
độ lớn.
Qua nghiên cứu cho thấy phương pháp THTS tích cực dùng linh kiện
số có ưu điểm hơn so với phương pháp THTS tích cực dùng linh kiện
tương tự. Tuy nhiên, nhược điểm là bước tần lớn. Để khắc phục điều này
phải sử dụng hệ số chia lớn, tương đương với việc tăng vi mạch dẫn đến
thời gian thiết lập tần số tăng. Tuy nhiên, do kỹ thuật phát triển đặc biệt là
trong kỹ thuật điện tử đã cho ta giải pháp để khắc phục vấn đề trên đó là sử
dụng hệ vi xử lý.
1.2.3 Phương pháp THTS trực tiếp
THTS trực tiếp (DDS) là phương pháp THTS được nghiên cứu và
ứng dụng phát triển nhất hiện nay. Trước đây DDS rất ít được ứng dụng thì

ngày nay nó trở thành bộ phận quan trọng không thể thiếu trong các hệ
thống đòi hỏi độ chính xác và tốc độ thay đổi tần số nhanh.
THTS trực tiếp là một kỹ thuật điều khiển dưới dạng số và tạo ra
nguồn tần số tương tự dựa trên một tần số đồng hồ chuẩn. Phương pháp
này tạo ra độ chính xác tần số cao, độ ổn định tần số theo nhiệt độ và thời
gian cao, dải điều chỉnh tần số rộng, tốc độ điều chỉnh tần số nhanh. Ta
cũng có thể hiểu đơn giản THTS trực tiếp là tạo ra một dải tín hiệu điều hòa
có độ ổn định và chính xác cao.
12
THTS trực tiếp hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là định luật
Nyquist. Theo định lý này thì để tạo ra tín hiệu hình sin có tần số f, chỉ cần
có không ít hơn 2 giá trị của nó trong chu kỳ T=1/f là đủ. Tuy nhiên, trong
thực tế thường dùng hơn 4 giá trị của nó trong một chu kỳ. Sơ đồ khối tổng
quát của DDS thể hiện trên hình 1.9.

Hình 1.9 Sơ đồ tổng quát của bộ tổ hợp tần số trực tiếp
Bộ THTS trực tiếp có hai đầu vào đó là:
- Từ điều khiển tần số
∆Φ
.
- Tần số chuẩn f
C
.
Đầu ra của bộ THTS trực tiếp là tín hiệu tương tự hình sin có tần số là f
OUT
,
mối quan hệ giữa tần số đầu ra và tần số đầu vào được thể hiện như sau:
C
N
out

f
2
ΔΦ
f =
(1.2)
Trong đó:
+ N là số bít của từ điều khiển tần số đầu vào.
+
ΔΦ
là từ điều khiển tần số đầu vào.
+ f
C
là tần số chuẩn của đồng hồ.
Như vậy, THTS trực tiếp thực chất là tạo ra tần số chuẩn mà tần số này là
phân số của tần số clock đầu vào. Kích thước bước nhảy tần của DDS được
xác định bởi N và
∆Φ
=






C
N
f
2
1
. Ví dụ nếu tần số clock chuẩn là f

C
13
=100MHz và N=32 bít thì bước nhảy tần là
Δ
f=0,02Hz. Đây chính là ưu
điểm vượt trội của DDS so với THTS tích cực.
Tóm lại, qua chương 1 ta đã xem xét một cách khái quát về các
phương pháp THTS cơ bản. Qua đó cũng đánh giá được các ưu, nhược
điểm của từng phương pháp và giải pháp khắc phục nhược điểm. Đồng thời
cũng khái quát và đánh giá được ưu điểm của phương pháp THTS trực tiếp.




14
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP TẦN SỐ TRỰC TIẾP DDS

Hiện nay có rất nhiều phương pháp THTS, nhưng để tạo ra bộ THTS
cho phép điều chỉnh dải rộng với mức nhiễu pha và tạp âm thấp thì phương
pháp tổ hợp tần số trực tiếp là biện pháp tốt nhất vì nó có ưu điểm cho phép
chuyển đổi tần số nhanh và bước tần nhỏ. Nhưng do sự hạn chế về công
nghệ cũng như kỹ thuật nên bộ tổ hợp tần số theo phương pháp DDS có
công suất tiêu tán cao. Tổ hợp tần số sử dụng PLL với dải tần hẹp là phổ
biến nhất, nó cho phép tạo ra bộ tổ hợp tần số hiệu quả cao, nhiễu pha và
tạp âm nhỏ. Tuy nhiên các bộ tổ 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 mô hình khác của vòng khoá pha dải hẹp là phương pháp tổ
hợp với thừa số N. Mô hình này làm suy giảm rất lớn sự phụ thuộc của dải
tần vào tốc độ chuyển đổi tần số, nhưng nó lại tạo ra lượng tạp âm lớn.

Như đã xem xét ở trên, ta thấy rằng phương pháp tổ hợp tần số trực
tiếp có ưu điểm hơn nhiều so với các phương pháp tổ hợp tần số khác như
phương pháp tổ hợp tần số dùng vòng khoá pha và phương pháp tổ hợp tần
số trực tiếp kiểu tương tự. Vì vậy, trong chương này ta sẽ nghiên cứu sâu về
phương pháp tổ hợp tần số trực tiếp cả về nguyên tắc hoạt động và các ứng
dụng của nó.
2.1 Sơ đồ khối của DDS
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 các giá trị biên độ hàm
sin dạng số thành tín hiệu tương tự ). Đầu ra DAC được lấy mẫu tại tần số
clock chuẩn, dạng sóng đầu ra của DAC sau đó được là nhẵn và lọc bỏ
nhiễu nhờ bộ lọc thông thấp (Low pass filter).
15
Hình 2.1 Hệ thống DDS điển hình
Việc tạo ra sóng mang đầu ra từ tần số chuẩn đầu vào được thực hiện
bởi khối NCO.
Hình 2.2 Khối NCO điển hình
Các thành phần cơ bản của khối NCO bao gồm:
- Khối tích luỹ pha gồm 1 thanh ghi để chốt dữ liệu đầu vào FSW
hay FTW (từ mã điều khiển hay từ mã thiết lập tần số), sau đó tín hiệu qua
bộ cộng sau đó tới thanh ghi (dùng trigơ D, JK), nó được đồng bộ bởi tín
hiệu xung clock.
- Khối điều chế pha: thực chất là tín hiệu ra của bộ tích luỹ pha và tín
hiệu điều chế và đầu ra là bảng tra cứu LuT, với nhiệm vụ là tạo ra tín hiệu
hình sin rời rạc và lưu trữ (có thể dùng ROM hoặc RAM) tín hiệu đó.
Để hiểu rõ hơn các chức năng của khối NCO, trước tiên ta thấy rằng
một khối NCO cơ bản chỉ gồm một khối tích luỹ pha và một khối ROM.
Chức năng của hai khối này trong NCO được thấy rõ nhất khi so sánh với
Thanh

ghi
Thanh
ghi
FSW
LUT
CLK
Tín hiệu điều chế pha
Bộ tích luỹ pha
Điều
chế pha
t/h sin
16
biểu diễn bằng đồ thị của công thức Euler (e
jω
=cos(
ω
)+j.sin(
ω
). Đồ thị
biểu diễn công thức Euler được thể hiện trên hình dưới đây :
Hình 2.3 Hình chiếu của vector Euler
Đó là một vector quay xung quanh tâm trục của mặt phẳng thực và
mặt phẳng phức với vận tốc góc
ω
rad/s. Hình chiếu của đồ thị lên trục
thực là sóng sin và lên trục ảo là sóng cosin.
Đầu vào của bộ tích luỹ pha là một từ điều khiển tần số N bít được
đưa vào đồng bộ với tần số chuẩn. Từ điều khiển tần số này được tích luỹ
liên tục bởi một bộ cộng N bít. Khi bộ tích luỹ pha đạt giá trị lớn nhất thì
bộ tích lũy quay lại trạng thái ban đầu và lại tiếp tục quá trình tích luỹ như

trên. Khi đó đồ thị đầu ra của bộ tích luỹ pha có dạng hình răng cưa như
hình vẽ sau:
Hình 2.4 Đồ thị đầu ra của bộ tích luỹ pha
Chu kỳ của bộ tích lũy được tính theo công thức sau:
1 1
.
2
roll
out
clk
N
T
FSW
F
F
= =
Trong đó :
17
roll
T
là chu kỳ quay vòng bộ tích luỹ pha.
out
F
là tần số sóng mang đầu ra hệ thống DDS.
clk
F
là tần số đồng hồ lấy mẫu chuẩn .
FSW
là từ mã điều khiển tần số.
Sau đó, đầu ra bộ tích luỹ pha được sử dụng làm địa chỉ cho khối ROM.

Khối ROM thực chất là một bảng lưu các giá trị biên độ hình sin dạng số.
Quá trình này nhằm chuyển đổi các giá trị pha thành các giá trị biên độ
hình sin và cosin tương ứng với thành phần thực và thành phần ảo trên trục
thời gian.
Vì số bít dùng ở bộ tích luỹ pha quyết định độ phân giải của các
bước điều chỉnh tần số, thực tế thì khi thiết kế kích thước của bộ tích luỹ
pha điển hình là 24 đến 32 bít. Vì kích thước của ROM lưu các giá trị biên
độ hình sin tỷ lệ thuận với phạm vi chứa địa chỉ nên để giảm sự phức tạp
của khối ROM thì kích thước của bộ tích lũy pha không phải hoàn toàn là
24 hay 32 bít dùng để làm địa chỉ cho bảng ROM nữa mà chỉ là Y bít. Y bít
này được dùng làm địa chỉ cho bảng ROM ( ở đây Y < N bít và không nhất
thiết Y=D, với D là số bít biên độ đầu ra của bảng ROM ).
Do các đầu ra sóng mang của NCO dựa trên biểu diễn số các giá trị
pha và biên độ của dạng sóng hình sin. Chúng ta có thể điều khiển toàn bộ
các tham số như tần số, pha thậm chí cả biên độ của sóng mang đầu ra.
Bằng cách thêm vào NCO một bộ cộng pha. Lúc này sóng mang đầu ra của
NCO được điều chế pha M mức với M bằng số bít của cổng pha và M phải
nhỏ hơn hoặc bằng Y. Đối với hệ thống thiết kế theo yêu cầu điều chế biên
độ, thí dụ như điều chế QAM chẳng hạn thì chúng ta phải thêm một cổng
điều chỉnh biên độ đầu ra bảng ROM. Để giảm bớt sự phức tạp thì ở đây ta
không thể hiện sự có mặt của cổng này.
Cuối cùng điều chế tần số được đưa ra với thiết kế NCO cơ bản. Cổng
tần số có thể điều khiển trực tiếp tần số sóng mang đầu ra. Vì các từ điều
18
khiển tần số được đưa vào đồng bộ với clock lấy mẫu nên tần số biến đổi
nhưng pha được duy trì.
Tuy hệ thống DDS cho phép người thiết kế khả năng điều khiển toàn
bộ tổ hợp điều chế phức tạp, biểu diễn biên độ và pha sóng sin ở dạng số
phi tuyến đưa ra nhiều phức tạp trong quá trình thiết kế. Một trong những
phức tạp mà người thiết kế phải xem xét đó là lý thuyết lấy mẫu và sai số

lượng tử.
Để hiểu rõ sự tác động của lý thuyết lấy mẫu trong hệ thống DDS,
cách tốt nhất là ta đi xem xét các tác động của nó tới quá trình tổng hợp
DDS trên cả miền thời gian và miền tần số. Như đã nói ở trên, khối NCO
tạo ra dạng sóng mang hình sin bằng cách tích luỹ pha tại một tốc độ nhất
định. Và sau đó nó lấy giá trị pha này làm địa chỉ cho bảng ROM chứa giá
trị biên độ hình sin. Vì thế ta có thể khẳng định rằng bản chất của NCO là
quá trình lấy mẫu dạng sóng sin tại sườn dương hoặc sườn âm của clock
chuẩn đầu vào NCO.
Hình 2.5 Quá trình xử lý của NCO trên miền tần số và miền thời gian
Trên cơ sở từ điều khiển tần số được đưa vào, khối NCO sẽ tạo ra
một tập các giá trị biên độ đầu ra tại mỗi chu kỳ thiết lập. Biểu diễn trên
miền tần số của các giá trị biên độ hàm sin này là một hàm xung tại tần số
19
xác định. Nhưng đầu ra của NCO là các mẫu dưới dạng số rời rạc của
đường hình sin tại tốc độ đồng hồ chuẩn đưa vào NCO. Trên miền thời
gian, đầu ra của NCO là một hàm các sườn xung lấy mẫu nhân với dạng
sóng đường hình sin tạo ra một chuỗi xung tại biên độ đường hình sin. Trên
miền tần số, các mẫu của clock chuẩn tạo ra một chuỗi xung tại các tần số
bằng K là tần số clock chuẩn. Với K= 1,0,1, Vì clock lấy mẫu được nhân
chập với đường hình sin trên miền thời gian. Còn các thành phần trên miền
tần số của đường hình sin và clock lấy mẫu phải được nhân để tạo ra biểu
diễn miền tần số của đầu ra NCO.
Kết quả trên miền tần số là hàm xung tại tần số cơ bản của đường
hình sin và các thành phần hài xảy ra tại K tần số chuẩn cộng hoặc trừ tần
số cơ bản:

out
clk
K.F -F

out
clk
K.F +F

Ở đây K=…-1,0,1… với K=0 tương ứng với tần số cơ bản;

out
F
là tần số đầu ra NCO;

clk
F
là tần số clock chuẩn.
Khối DAC trong hệ thống DDS thực hiện lấy mẫu các giá trị đầu ra
của khối NCO và chuyển đổi các giá trị đó thành các giá trị điện áp tương
tự. Hình 2.6 minh họa quả trình xử lý của DAC trên miền tần số và miền
thời gian. Khối DAC sẽ lấy các giá trị biên độ dạng số từ khối NCO và tiến
hành chuyển các giá trị này thành các giá trị điện áp tương tự, đồng thời
lưu giữ giá trị này trong mỗi chu kỳ lấy mẫu. Đồ thị của DAC trên miền
thời gian là tích chập của các giá trị đầu ra NCO được lấy mẫu với một
xung của mỗi chu kỳ lấy mẫu. Đồ thị trên miền tần số của xung lấy mẫu là
hàm sin(x)/x với giá trị không đầu tiên tại tần số clock lấy mẫu. Vì miền
thời gian được nhân chập nên miền tần số được nhân. Phép nhân này làm
20
suy giảm đầu ra của NCO đối với đường bao hàm sin(x)/x và phổ đầu ra
được minh họa trên hình 2.6. Sự suy giảm này tại đầu ra DAC có thể được
tính toán như sau:
Atten(F)=20log
clk

clk
sin (πF/F )
πF/F
 
 
 
 
(2.2)
Trong đó:
F là tần số đầu ra;
clk
F
là tần số chuẩn.
Hình 2.6 Biễu diễn đầu ra DAC trên miền thời gian và miền tần số
Ngoài ra, lượng tử hóa các giá trị thực thành dạng số cũng cần được xem
xét trong chức năng của hệ thống DDS. Chất lượng của một hệ thống DDS
quyết định bởi các tham số lượng tử. Các tham số đó là sự lượng tử hóa pha
ở khối tích luỹ pha, lượng tử hóa biên độ ở bảng ROM và khối DAC.
Như đã nói ở trên, chỉ có Y bít cao của khối tích luỹ pha được dùng
làm địa chỉ cho bảng ROM. Tuy nhiên ta nên chú ý rằng, việc sử dụng Y
bít cao của bộ tích lũy pha sẽ tạo ra sự cắt pha. Khi từ tần số bao gồm các
giá trị khác 0 trong (N-Y-1:0) bít thấp được đưa vào hệ thống DDS. Các bít
thấp khác 0 này sẽ tích luỹ với Y bít cao và gây ra sự cắt pha. Ta có thể
tính toán tần số tại nơi xảy ra sự cắt pha như sau:
21
Trunc
F
=FW(N-Y-1:0)/2
YN−
.

clk
F
(2.3)
Sự cắt pha sẽ điều chế pha một cách định kỳ (tại tốc độ cắt) sóng mang đầu
ra. Sự nhảy pha gây ra sự tích luỹ pha của các bít pha bị cắt tạo ra các xung
kim quanh thành phần cơ bản. Các xung kim được đặt vào vị trí cộng và trừ
tần số cắt cho tần số cơ bản và biên độ của các xung đinh sẽ là 20log(2
Y
)
db như minh họa ở hình vẽ 2.6.
Trong một thiết kế NCO điển hình, khối chuyển đổi các giá trị pha
thành các giá trị biên độ hình sin sẽ lưu giữ các giá trị biên độ sóng sin.
Thực chất nó được xem như một thiết bị ánh xạ, nhằm thực hiện phép biến
đổi không tuyến tính từ
ωt
=> sin(
ωt
). Để thực hiện phép biến đổi này ta
thường sử dụng bảng ROM/RAM, tuy nhiên tín hiệu đầu ra muốn có chất
lượng cao đòi hỏi cả
t
ω
và sin(
t
ω
) đều phải có độ rộng Bus lớn, vì thế yêu
cầu bộ nhớ phải có dung lượng lớn. Bảng ROM được tạo ra bằng cách lấy
toàn bộ các giá trị địa chỉ pha từ bộ tích luỹ pha hay từ khối điều chế pha
có thể và ánh xạ tới một giá trị biên độ Sin được làm tròn tới D bít gần
nhất. Vì thế sai lỗi lượng tử đầu ra là

±
1/2LSB…
Do dạng sóng hình sin là đối xứng, nên để giảm dung lượng nhớ cho
khối ROM thì ta chỉ cần lưu giữ các giá trị biên độ của 1/4 chu kỳ đường
hình sin. Các giá trị biên độ được lưu giữ này sẽ được sử dụng cho các 1/4
chu kỳ còn lại bằng cách hiệu chỉnh pha tương ứng. Cũng giống như bảng
ROM của khối NCO, khối DAC lượng tử hóa các giá trị biên độ số. Tuy
nhiên, có sự khác nhau đó là ở khối DAC thì đầu ra của nó là các điện áp
tương tự và đầu vào của nó ở dạng số.
Khi tổ hợp số trực tiếp tạo ra một số tần số chuẩn thì nó cũng tạo ra
một tính chất khóa trên miền tần số. Trong khi đó độ ổn định tần số và
nhiễu pha là điều kiện cần thiết để liên kết trực tiếp với tần số chuẩn
c
f
. Sẽ
khó khăn khi thực hiện liên kết trực tiếp dải tần với dải động giải phóng
22
nhiễu tạp để tạo ra khối chuyển đổi số sang tương tự tốc độ cao cho phù
hợp với các ứng dụng tổ hợp số trực tiếp. Các bộ chuyển đổi số sang tương
tự truyền thống thường có tốc độ chuyển đổi số rất nhanh trong miền thời
gian, chính vì vậy mà hầu hết các ứng dụng truyền thống đều liên quan đến
đặc tính trên miền thời gian.
Như đã nói ở trên, những tính chất ưu việt của tổ hợp sử dụng DDS
đang được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực viễn thông công cộng, đo
lường và đặc biệt là trong quân sự. Để đạt được những tính năng ưu việt
trên thì cần phải lựa chọn một khối DAC phù hợp. Với những bộ DAC tích
hợp cao đã thực hiện tối ưu cho các bộ tổ hợp tấn số có bán sẵn trên thị
trường và nhà sản xuất phải tạo ra những ứng dụng hỗ trợ trong việc sử
dụng các modul tổ hợp tần số trực tiếp, đây quả là một điều khó thực hiện.
Đó là vì hai lý do sau:

- Trong các hệ thống tổ hợp trực tiếp cần có một dải động giải phóng
nhiễu tạp rộng.
- Những quan điểm không đồng nhất trong hiệu quả sử dụng của hệ
thống tổ hợp số trực tiếp.
Để thỏa mãn cả hai lý do trên thì rất khó có thể tạo ra một sản phẩm
riêng biệt. Tương tự, nếu hiệu quả sử dụng DAC không được quan tâm
trong một vài trường hợp thì nhà sản xuất lại phải cung cấp lại dữ liệu hoặc
phải thiết lập lại đường cong hiệu suất để cho phép người thiết kế xác định
được hiệu quả của hệ thống tổ hợp tần số trực tiếp.
23
Hình 2.7. Hàm truyền đạt của bộ DAC
Hình 2.7 minh họa hàm truyền đạt thực và lý tưởng trong bộ chuyển đổi số
sang tương tự 3-bít. Nhà sản xuất đã chỉ ra độ lệch tiêu chuẩn, sai số
khuếch đại, sai số phi tuyến (DNL), tích phân phi tuyến (INL) có dạng gần
giống với hàm truyền đạt của nó.
Độ lệch tần số đầu ra thường được xác định như sai số lệch không
không đổi trong đường cong của hàm truyền đạt, như vậy là không có ảnh
hưởng xấu đến tín hiệu ra trên miền tần số. Hệ số khuếch đại cho ta biết là
tín hiệu ra của bộ chuyển đổi số sang tương tự không thay đổi so với mạch
DAC chuẩn. Sai số khuếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đường
đặc tuyến thực so với độ dốc trung bình của đường đặc tuyến lý tưởng. Sai
số phi tuyến và tích phân phi tuyến thường cung cấp cho nhà thiết kế những
thông tin cần thiết về hiệu quả sử dụng của bộ chuyển đổi số sang tương tự.
Sai số phi tuyến được đặc trưng bởi sự thay đổi độ đường trung bình của
đặc tuyến thực trong dải biến đổi điện áp vào. Sai số phi tuyến được đo tại
bít thấp nhất trong trường hợp sai số của bước lượng tử là lớn nhất có nghĩa
là sự sai lệch giữa bước lượng tử lý tưởng so với các bước lượng tử lân cận.
Các bộ chuyển đổi số sang tương tự có sai số phi tuyến nhỏ hơn một bước
lượng tử thường không đảm bảo tính đơn điệu của đặc tuyến bộ DAC. Với
sai số phi tuyến của mỗi sự chuyển đổi mã sẽ cho ta những dự đoán riêng

24
biệt về tính chất của hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi số sang tương tự
trong miền tần số. Đây là một trong những mô hình số hóa trong khối tổ
hợp số trực tiếp, khi đó sử dụng dữ liệu vào khối tổ hợp số trực tiếp làm
mẫu để thực hiện chức năng lựa chọn mức lượng tử và chuyển đổi Fourie
thì ta có thể quan sát được dạng tín hiệu ra trên miền tần số. INL chính là
diện tích sai lệch giữa đường thẳng nối giữa hai điểm đầu và cuối trong đặc
tuyến thực của bộ chuyển đổi số sang tương tự với đặc tuyến thực của nó.
Đường thẳng này là giới hạn của sai số lệch không và sai số khuếch đại
trong bộ DAC.
Hình 2.8 minh họa dạng tích phân phi tuyến của đặc tuyến trong bộ chuyển
đổi số sang tương tự.
Hình 2.8. Tích phân phi tuyến trong DAC
Mỗi đường cong trên biểu đồ thể hiện một đặc tuyến chuyển đổi mà
các đường đặc tuyến này có cùng dạng tích phân phi tuyến, nhưng được
phân biệt thành ba hiệu ứng trên miền tần số. Đường cong hình cung chỉ
chứa hai thành phần méo điều hoà trong khi đó đường cong hình sin có đến
ba thành phần méo điều hoà. Do vậy khi thiết kế các bộ chuyển đổi số sang
tương tự trong modul tổ hợp tần số ta đều phải dự đoán trước sai số phi
25