DDS II - LIMITATIONS





F6EHJ - Gérard LAGIER - F6EHJ@wanadoo.fr

INTRODUCTION


Avant d’aborder l’aspect pratique à travers la réalisation d’un
générateur HF ou d’un VFO couvrant les bandes amateurs qui seront
décrits ci après, il est nécessaire d’avertir le lecteur de la limitation de
certaines performances des DDS afin de ne pas surestimer ce qu’ils
sont capables de réellement offrir.

Les DDS ont été développés majoritairement pour les applications
de téléphone mobile et ont donc été optimisés pour ces fonctions,
à savoir un fonctionnement dans une plage de fréquences étroites.
On ne s'étonnera donc pas que les applications amateurs nécessitant
généralement une large couverture en fréquence aient à faire face
aux limitations de ces composants.
Le document présente en détail les défauts observés et sensibilise
les futurs utilisateurs d'une mise en œuvre hâtive de ces composants.

LIMITATION DES DDS :

7.1. Limitation en fréquence et conséquences :

Comme décrits précédemment, la limitation en fréquence d’un DDS est définie
par le constructeur comme étant la fréquence maximum d’horloge
acceptable. Pour l’AD9850, nous avons vu qu’elle était limitée à 125 MHz.
Bien entendu, rien ne s’oppose à utiliser une horloge de fréquence plus basse
« à condition » que la fréquence du signal de sortie n‘excède pas 1/3 de la
fréquence d’horloge.
Cette formule empirique prend toute sa réalité lorsqu’on visualise le spectre
du signal de sortie. En effet, ce dernier n’est pas parfait et des raies
parasites entachent le spectre.
Ces raies ont plusieurs origines :

- les fréquences images et aliasing

Ces signaux indésirables sont inhérents à tout signal échantillonné et c’est le
cas du DDS avec son convertisseur DAC 10 bits. Nyquist sévit encore une
fois et la fréquence des signaux parasites est multiple de la fréquence de
l’horloge. A ceci s’ajoute la non linéarité du DAC.

Par exemple, avec une horloge à 125 MHz et un signal de sortie à 5 MHz, les
signaux indésirables vont se retrouver à 120 MHz (1ère image), 130 MHz
(2ème image), 245 MHz (3ème image), 255 MHz (4ème image)…..
De plus, comme le signal d’horloge réussi à s’introduire dans le signal de
sortie, ces images vont encore se mélanger entre elles pour fournir des raies
supplémentaires…
Les deux spectres ci-dessous issus d’un AD 9850 piloté par une horloge à 80
MHz montrent clairement le phénomène :

Le premier spectre est celui d’un signal à 36 MHz, on voit nettement le signal à 44 MHz sur la droite, correspondant au mélange soustractif de l’horloge (80 MHz) et du signal utile (36 MHz).

Le second spectre renforce l’observation par un signal utile de 39 MHz et du parasite à 41 MHz provenant encore cette fois du mélange avec le signal d’horloge.











- Troncatures :

La génération du signal obéit au chargement d’un mot de 32 bits dans un des
registres (le registre de phase) du DDS.
Le nombre de fréquences différentes pouvant être générées est égale à 2
exp 32 soit 4 294 967 296….. ! L’espace nécessaire pour stocker l’ensemble
de ces valeurs requerrait environ 4Go de mémoire ! Afin de contourner ce
problème, les valeurs sont tronquées en abandonnant les 20 bits de poids
faibles et en n’utilisant que les 12 bits de poids forts pour l’AD9850.
Sans entrer dans l’analyse fine, les conséquences d’une telle option sont la
production de signaux parasites supplémentaires dont la prédiction en terme
de fréquence et d’occurrence n’est pas des plus simples.
Il faut cependant noter que certaines fréquences seront dénuées de signaux
parasites lorsque le mot de chargement correspondra exactement à un mot
initialement présent dans le DDS, nous y reviendrons.
Les spectres ci-dessous montre le phénomène.

Le premier spectre montre un signal à 28.510 MHz, soit à seulement 10 kHz
du précédent. On note clairement l’apparition d’une raie vers 28.400 MHz
dont l’amplitude n’est plus qu’à –50 dB du signal utile..


Le second spectre montre un signal à 28.5 MHz dont la pureté spectrale est considérée de référence : les deux petites rais sur la gauche sont à –65 dB..


Les deux derniers spectres, toujours centrés autour de 28.5 MHz, mettent en évidence la difficile prédiction des signaux parasites en fonction de la fréquence utile, rendant ces parasites particulièrement délicats à neutraliser.












7.3. Amplitude des signaux indésirables :

Les signaux indésirables sont d’autant plus gênants qu’ils sévissent dans la bande de fréquence utile du DDS ; les autres pourront être filtrés par les moyens classiques de filtres passe-haut ou/et passe-bas.
Selon Analog Device, l’atténuation de ces signaux est meilleure que –50 dB par rapport au signal utile, cette valeur est confirmée par les spectres précédents. Par contre, l’ensemble de ces signaux forment un bruit de fond continu qui se situe à –70 dB du signal utile.

7.4. Conséquences induites par les signaux indésirables :

Seul le cas d’un oscillateur local de récepteur sera considéré car pour un générateur HF, l’impact sera négligeable.
Supposons que l’étage d’entrée d’un récepteur soit composé d’un double mélangeur équilibré (DBM) du type SBL-1 requérant +7dBm d’oscillation locale. Par construction, le résidu d’oscillation locale en sortie du mélangeur est à –40 dB, soit –33 dBm à l’entrée de la rampe FI.
Les signaux parasites énumérés ci avant vont donc se trouver entre –83 et –103 dBm à cet endroit. On conçoit alors que certains signaux parasites puissent être clairement entendus dans le haut-parleur sauf si le bruit de fond de la bande écouté est supérieur à leur amplitude.
En considérant les chiffres énoncés précédemment, le bruit de bande doit être supérieur à 2 µV, voire 20 µV pour le cas pire. Cette situation se rencontre couramment sur les bandes basses (3.5 et 7MHz), mais il en est autrement sur les bandes supérieures.
La solution serait donc de renforcer le signal arrivant à l’entrée du mélangeur par un préamplificateur HF.
C’est là que précisément on se trouve à la croisée des chemins car l’introduction d’un tel étage draine quantité d’inconvénients, le principal étant l’affaiblissement de la résistance à la transmodulation et bien entendu l’accroissement global du bruit de fond du récepteur.
Si l’hypothèse d’introduire un préampli HF est considérée inacceptable, il faut reconsidérer l’utilisation d’un DDS en oscillateur local direct dans le récepteur.
Ce point est particulièrement important car il décline toute l’architecture qui sera retenue pour la construction.

7.5 . Bruit de phase :

Le bruit de phase est un paramètre essentiel des oscillateurs et particulièrement des oscillateurs locaux . En effet, il influe directement sur la résistance à la transmodulation du récepteur. Il se traduit par l’apparition d’un souffle plus ou moins important en présence d’un émetteur puissant à proximité de la fréquence reçue.
Bien que les DDS possèdent intrinsèquement un bruit de phase très faible, le niveau de celui-ci est lié au bruit propre de l’oscillateur d’horloge par la relation :

N=20log (F Horloge/F utile)

On voit donc immédiatement que plus la fréquence utile est éloignée de la fréquence de l’horloge, meilleur sera le bruit de phase.
Pour exemple, un signal de fréquence 5 MHz, aura un bruit de phase inférieur de 28 dB à celui du signal d’horloge. On s’efforcera donc de piloter le DDS avec une horloge possédant un bruit de phase minimal, quitte à avoir recours aux composants discrets en lieu et place d’un oscillateur intégré.
Pour mémoire, on notera que l’AD 9851 qui admet une horloge à 180 MHz, possède un multiplicateur intégré permettant ainsi de s’affranchir d’un quartz de fréquence élevé. On se trouve alors dans une configuration inverse ou le bruit de phase est accru parl’étage multiplicateur. Cette option est donc à éviter si l’on souhaite un bruit de phase minimum.

7.6. Conclusion :

Les propos tenus ci dessus prennent en compte l’utilisation des DDS pour la réalisation d’un oscillateur local « haute performance » d’un récepteur. Dans ce cadre, les limitations décrites deviennent plus ou moins pénalisantes et pourront être considérées par certains comme rhédibitoires.
C’est à chacun de décider si la mise en œuvre d’un DDS est compatible avec les spécifications que l’on s’est fixées. Il faut bien reconnaître que les alternatives sont peu nombreuses et que leur complexité peut apparaître dissuasive pour l’amateur.
Malgré tout, je proposerai ultérieurement une solution de rechange incluant un DDS pilotant des VCO.

8. Les DDS pour quelles applications ?

Après tout ce qui vient d’être dit, on peut se demander à quels domaines les DDS sont réellement bien adaptés….
En fait, les DDS ont été initialement développés pour répondre à des besoins commerciaux de masse tels que les téléphones cellulaires.
La particularité de ces équipements est qu’ils fonctionnent à des fréquences prédéterminées et dans des plages de fréquences étroites et qu’il est alors possible d’optimiser les signaux parasites par filtrage, voire mot de commande sans troncature.
Dans les applications qui nous préoccupent, nous sommes aux antipodes de ce mode de fonctionnement car la variation de fréquence est continue et donc sujette à mauvaise rencontres et la plage couverte est importante, réduisant l’efficacité du filtrage.
Pour conclure, le DDS n’est pas la panacée universelle et son utilisation devra être soigneusement considérée avant de lancer dans une réalisation d’envergure, sachant qu’il sera plus à l’aise à générer des fréquences fixes dans des bandes réduites en largeur que de fournir en continu un signal possédant une pureté spectrale convenable.

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