التوليف الرقمي المباشر DDS

يوفر “DDS” طريقة لتوليد إشارات تماثلية من القيم المخزنة في الذاكرة باستخدام التقنيات الرقمية، ومن خلال تغيير قيمة تسجيل التوليف يمكن تغيير الترددات بسرعة دون ضبط الوقت، ممّا يجعلها مثالية للاختبار والاتصالات وتطبيقات مسح التردد.

ما هو التوليف الرقمي المباشر DDS؟

التوليف الرقمي المباشر “DDS”: هو طريقة لإنتاج شكل موجة تماثلية، وعادةً موجة جيبية عن طريق توليد إشارة متغيرة بمرور الوقت في شكل رقمي، وبعد ذلك إجراء تحويل من رقمي إلى تمثيلي.

نظراً لأنّ العمليات داخل جهاز “DDS” رقمية بشكل أساسي، فإنّه يمكن أن يوفر التبديل السريع بين ترددات النواتج ودقة تردد دقيقة والتشغيل على نطاق واسع من الترددات، ومع التقدم في تكنولوجيا التصميم والمعالجة، أصبحت أجهزة “DDS” اليوم مضغوطة للغاية ولا تستهلك سوى القليل من الطاقة.

يُعتبر التوليف الرقمي المباشر “DDS”وهو تقنية تستخدم لتوليد إشارة تماثلية، مثل موجة جيبية أو موجة مثلث باستخدام التقنيات الرقمية، كما يتم تصنيع الإشارات التماثلية من القيم المخزنة في الذاكرة، ويتم تخزين “قالب” يحتوي على قيم اتساع الإشارة لجميع مراحل شكل الموجة في الذاكرة ويستخدم لإعادة إنشاء الإشارة.

باستعمال “DDS” يمكن تصنيع الإشارات مباشرة من القالب دون الحاجة إلى الدوائر المقفلة الطور التي تتطلبها طرق أخرى غير مباشرة، كما يتم إنتاج ترددات مختلفة عن طريق تغيير معدل معالجة قيم الطور، وباستخدام تقنيات لإضافة ومضاعفة وقياس الإشارات يمكن إنشاء أشكال موجية مختلفة، والإشارات المركبة قابلة للتكرار والترددات دقيقة، كما تستخدم تقنيات الاتصال مثل قفز تردد الطيف المنتشر “DDS” لتغيير الترددات بسرعة.

• “DDS” هي اختصار لـ “Direct Digital Synthesizers”.

أسباب استخدام التوليف الرقمي المباشر DDS:

أصبحت القدرة على إنتاج أشكال الموجة والتحكم فيها بدقة لمختلف الترددات والملامح مطلباً رئيسياً مشتركاً في عدد من الصناعات، وسواء كان توفير مصادر رشيقة للترددات المتغيرة ذات الضوضاء المنخفضة مع أداء زائف جيد للاتصالات، أو مجرد توليد حافز تردد في تطبيقات معدات الاختبار الصناعية أو الطبية الحيوية، فإنّ الراحة والاكتناز والتكلفة المنخفضة هي اعتبارات تصميم مهمة.

الكثير من الاحتمالات لتوليد تردد مفتوحة للمصمم، بدءاً من مرحلة حلقة الطور المغلقة “PLL” والتقنيات المستندة للغاية توليف عالية التردد، والبرمجة الديناميكية الرقمية إلى تماثلية أي تحويل “DAC”، ومخرجات لتوليد الطول الموجي التعسفي في ترددات أقل، لكن تقنية “DDS” تكتسب قبولاً سريعاً لحل متطلبات توليد التردد أو شكل الموجة في كل من الاتصالات والتطبيقات الصناعية؛ لأنّ أجهزة “IC” أحادية الشريحة يمكن أن تولد أشكالًا موجية تماثلية قابلة للبرمجة ببساطة وبدقة عالية.

• “IC” هي اختصار لـ “International Communications”.

• “PLL” هي اختصار لـ “Phase Locked Loop”.

الفوائد الرئيسية لاستخدام DDS:

لفهم فوائد “DDS” وإذا كنت تستخدم راديواً تماثلياً مضبوطاً عند محاولة الضبط على محطة معينة، فيمكنك ضبط أي مقابض متوفرة، قد يتك الحصول على محطة مرة واحدة بالضبط، ولكن بعد ذلك قد يستغرق الأمر بعض الوقت لضبطها في وقت آخر، وفقط لأنّك قمت بضبطها مرة واحدة، فهذا لا يعني عدم وجود انحراف، ممّا يجبرك على إعادة الضبط، أمّا عندما يكون لديك موالف رقمي فإنّك تدخل المحطة التي تريدها وتغلقها الأجهزة الإلكترونية.

وبنفس الطريقة، فإن استخدام المكونات التماثلية لتوليد الإشارات يعني إجراء تعديلات ووقتاً للحصول على التردد الصحيح، ودون أي ضمان بأنّ الإنتاج سيكون ثابتاً، كما تسمح تقنية “DDS” بدارات التكييف بضبط تردد معين بسرعة وثبات وبشكل متكرر، وكان لـ “DDS” تأثير كبير في الاختبار، وقبل مولدات التردد “DDS” كانت محاولة إنتاج مخططات استجابة تردد دقيقة جهداً محبطاً.

عند اختبار فلاتر ضيقة للغاية وعالية الجودة وعالية الجودة عند تقييم أداء المرشح عبر نطاق درجة حرارة، يلزم وجود ترددات دقيقة وقابلة للتكرار بدرجات دقة لا تستطيع المولدات التماثلية توفيرها، كما تعتمد بعض تقنيات تعديل الترددات الراديوية “RF” على توليد تردد دقيق ممكن فقط مع “DDS”، وعند مسح ترددات الراديو بحثًا عن الإشارات وقياسات الطاقة يتيح نظام “DDS” إجراء عمليات مسح التردد اللاسلكي بسرعة.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio Frequency”.

وفوائد “DDS” هي:

• القدرة على توليد ترددات عشوائية بدقة وثبات، ومحدودة فقط بواسطة مذبذب يستخدم لتسجيل تراكم الطور، ويمكن للمذبذبات البلورية، اعتماداً على مواصفاتها، كما تقديم تفاوتات تتراوح من “50 جزءاً في المليون” إلى “0.1 جزء في المليار”، ممّا يجعل “DDS” دقيقة للغاية، كما يمكن لمولدات الإشارة التماثلية تقديم دقة واستقرار فقط لأعشار قليلة من النسبة المئوية ما لم تستخدم جهازاً متطوراً.

•  الترددات التي توفرها “DDS” قابلة للتكرار، حيث يؤدي تحميل سجل كلمات الضبط بالقيمة المقابلة للتردد “F1” إلى إنشاء إشارة عند التردد “F1″، إذا تم تحميل سجل الموالفة بعد ذلك بقيمة التردد “F2” يتم تغيير إشارة النواتج بسرعة إلى التردد “F2″، عندما يتم إعادة تحميل سجل الموالفة بقيمة “F1” يتم توفير نفس التردد بالضبط “F1″، كما تم إنشاؤه من قبل، ولا يمكن للمولدات التماثلية أن تضمن هذه الدقة.

• يمكن تحقيق دقة عالية التردد باستخدام التقنيات الرقمية المستخدمة في “DDS”، وزيادة الدقة بسيطة مثل إضافة المزيد من البتات إلى النهاية الأقل أهمية لمراكم الطور وضبط السجل، والمولدات الموجية التماثلية والتي تعتمد على المكونات الميكانيكية مثل مقاييس الجهد والمكثفات المتغيرة لضبط المذبذب ومحدودة في الدقة التي يمكن أن توفرها.

• هذه القدرة على تغيير تردد النواتج بسرعة وبدقة ضرورية أيضاً في تقنيات الاتصال مثل قفز تردد الطيف المنتشر، حيث يتم إرسال إشارات الراديو عن طريق التبديل السريع للحامل بين العديد من قنوات التردد، كما تُشكل القدرة على إعادة إنتاج الترددات الدقيقة وتقديم تغييرات التردد بسرعة أساس تقنية التشكيل.

كيفية عمل التوليف الرقمي المباشر:

يعتمد التوليف الرقمي على تراكم الطور الذي يولد سلسلة من الحالات الرقمية وتزداد قيمتها خطياً وتشكل منحدراً رقمياً، كما يتم إجراء هذه الإشارة بشكل دوري وتمثل المرحلة اللحظية لشكل الموجة الناتج من صفر إلى “2p راديان”، وهذا هو الإدخال الرقمي لجدول البحث الذي يحول المنحدر الرقمي إلى موجة جيبية، في حين أنّ شكل الموجة الناتج “DDS” الأكثر شيوعاً هو الموجة الجيبية، كما يتم أيضاً إنشاء المنحدرات وموجات المثلث والموجات المربعة بسهولة.

يتم إرسال ناتج المرحلة إلى جدول البحث عن السعة إلى محول رقمي إلى تماثلي “DAC“، ويتم تحويله إلى شكل موجة تمثيلي وهو الأكثر شيوعاً جيبياً، ونظراً لأنّ المدخلات إلى “DAC” عبارة عن سلسلة من القيم المأخوذة بعينها، فإنّ المخرجات لها خطوات تكمية، كما تنتج هذه الخطوات صوراً طيفية بمضاعفات معدل العينة في مجال التردد غير المرغوب فيه، ويعمل مرشح التمرير المنخفض الذي تم وضعه بعد “DAC” على قمع هذه الاستجابات الطيفية غير المرغوب فيها.

تراكم المرحلة في DDS:

مجمع الطور: هو عداد نمطي “Nك يحتوي على “² N” حالات رقمية تزداد لكل نبضة إدخال لساعة النظام،ويعتمد حجم الزيادة على قيمة كلمة الضبط “M” المطبقة على مرحلة “adder adder”، وتعمل كلمة الضبط على إصلاح حجم خطوة زيادة العداد، كما سيحدد هذا تردد شكل الموجة الناتج.

تتطلب معظم مكونات الدوائر الأساسية مثل الميكروكونترولر  تردداً واحداً على مدار الساعة لأغراض التوقيت والتحكم، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مذبذب قياسي التي تصدر تردداً واحداً محدداً مسبقاً، كما قد يبدو هذا حديثاً بعض الشيء لكنّه يأتي في محادثات مختلفة جداً لقطعة من الكوارتز تصدر تردداً يُعتقد أنّه يتردد صداها مع أجزاء معينة.

تردد المذبذب البلوري يعتمد على الخصائص الكهروضغطية للمادة الفيزيائية في الجهاز، بينما توجد دوائر متكاملة مثل مقسمات  ومضاعفات الساعة، ومن الممكن إجراء تعديلات طفيفة على التردد من خلال تغيير المكونات المحيطة، كما تتطلب بعض الأجهزة مثل أجهزة إثارة الترددات اللاسلكية ترددات متعددة.

حتى لو لم تكن هذه الترددات مطلوبة بشكل متزامن، فإنّ كل تردد ليس مضاعفاً دقيقاً لآخر يتطلب مذبذباً خاصاً به، كما تتطلب معظم هذه التطبيقات متعددة الترددات أيضاً القدرة على التنقل بين الترددات بسرعة وديناميكية، والأمر الذي يتطلب مستوى من التحكم يمكن أن يكون مستحيلاً لنظام يجب أن يختار بسرعة بين عدة بلورات مميزة.

يختلف نظام “DDS” عن “PLL” بعدة طرق، ونظراً لأنّ نظام “DDS” عبارة عن نظام بيانات مأخوذ من العينات، يجب مراعاة جميع المشكلات التي ينطوي عليها أخذ العينات، بما في ذلك ضوضاء التكميم والتشكيل والتصفية، فعلى سبيل المثال يتم طي التوافقيات ذات الترتيب الأعلى لترددات ناتج “DAC” مرة أخرى في عرض النطاق الترددي “Nyquist”، ممّا يجعلها غير قابلة لتصفية، وفي حين يمكن تصفية التوافقيات ذات الترتيب الأعلى لمخرجات المزج المستندة إلى “PLL”.

تتمثل إحدى المشكلات الأساسية في نظام “DDS” البسيط هذا في أنّه لا يمكن تغيير تردد الإنتاج النهائي إلّا عن طريق تغيير تردد الساعة المرجعية أو عن طريق إعادة برمجة “Prom”، ممّا يجعلها غير مرنة إلى حد ما، كما يقوم نظام “DDS” العملي بتنفيذ هذه الوظيفة الأساسية بطريقة أكثر مرونة وكفاءة باستخدام أجهزة رقمية تسمى مذبذب يتم التحكم فيه عددياً “NCO”.

• “DAC” هي اختصار لـ “Digital to Analog Converter”.

• “NCO” هي اختصار لـ “numerically-controlled oscillator”.