F6EHJ - Gérard LAGIER - F6EHJ@wanadoo.fr

INTRODUCTION

Avant dâ??aborder lâ??aspect pratique à travers la réalisation dâ??un
générateur HF ou dâ??un VFO couvrant les bandes amateurs qui seront
décrits ci aprÚs, il est nécessaire dâ??avertir le lecteur de la limitation de
certaines performances des DDS afin de ne pas surestimer ce quâ??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 Å?uvre hâtive de ces composants.

LIMITATION DES DDS :

7.1. Limitation en fréquence et conséquences :

Comme décrits précédemment, la limitation en fréquence dâ??un DDS est définie
par le constructeur comme étant la fréquence maximum dâ??horloge
acceptable. Pour lâ??AD9850, nous avons vu quâ??elle était limitée à 125 MHz.
Bien entendu, rien ne sâ??oppose à utiliser une horloge de fréquence plus basse
« à condition » que la fréquence du signal de sortie nâ??excÚde pas 1/3 de la
fréquence dâ??horloge.
Cette formule empirique prend toute sa réalité lorsquâ??on visualise le spectre
du signal de sortie. En effet, ce dernier nâ??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 câ??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
lâ??horloge. A ceci sâ??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 (1Úre image), 130 MHz
(2Úme image), 245 MHz (3Úme image), 255 MHz (4Úme image)�..
De plus, comme le signal dâ??horloge réussi à sâ??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 dâ??un AD 9850 piloté par une horloge à 80
MHz montrent clairement le phénomÚne :

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

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

- Troncatures :

La génération du signal obéit au chargement dâ??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 296â?Š.. ! Lâ??espace nécessaire pour stocker lâ??ensemble
de ces valeurs requerrait environ 4Go de mémoire ! Afin de contourner ce
problÚme, les valeurs sont tronquées en abandonnant les 20 bits de poids
faibles et en nâ??utilisant que les 12 bits de poids forts pour lâ??AD9850.
Sans entrer dans lâ??analyse fine, les conséquences dâ??une telle option sont la
production de signaux parasites supplémentaires dont la prédiction en terme
de fréquence et dâ??occurrence nâ??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 phénomÚne.

Le premier spectre montre un signal à 28.510 MHz, soit à seulement 10 kHz
du précédent. On note clairement lâ??apparition dâ??une raie vers 28.400 MHz
dont lâ??amplitude nâ??est plus quâ??à â??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 â??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 particuliÚrement délicats à neutraliser.

7.3. Amplitude des signaux indésirables :

Les signaux indésirables sont dâ??autant plus gênants quâ??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, lâ??atténuation de ces signaux est meilleure que â??50 dB par rapport au signal utile, cette valeur est confirmée par les spectres précédents. Par contre, lâ??ensemble de ces signaux forment un bruit de fond continu qui se situe à â??70 dB du signal utile.

7.4. Conséquences induites par les signaux indésirables :

Seul le cas dâ??un oscillateur local de récepteur sera considéré car pour un générateur HF, lâ??impact sera négligeable.
Supposons que lâ??étage dâ??entrée dâ??un récepteur soit composé dâ??un double mélangeur équilibré (DBM) du type SBL-1 requérant +7dBm dâ??oscillation locale. Par construction, le résidu dâ??oscillation locale en sortie du mélangeur est à â??40 dB, soit â??33 dBm à lâ??entrée de la rampe FI.
Les signaux parasites énumérés ci avant vont donc se trouver entre â??83 et â??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 lâ??entrée du mélangeur par un préamplificateur HF.
Câ??est là que précisément on se trouve à la croisée des chemins car lâ??introduction dâ??un tel étage draine quantité dâ??inconvénients, le principal étant lâ??affaiblissement de la résistance à la transmodulation et bien entendu lâ??accroissement global du bruit de fond du récepteur.
Si lâ??hypothÚse dâ??introduire un préampli HF est considérée inacceptable, il faut reconsidérer lâ??utilisation dâ??un DDS en oscillateur local direct dans le récepteur.
Ce point est particuliÚrement important car il décline toute lâ??architecture qui sera retenue pour la construction.

7.5 . Bruit de phase :

Le bruit de phase est un paramÚtre essentiel des oscillateurs et particuliÚrement des oscillateurs locaux . En effet, il influe directement sur la résistance à la transmodulation du récepteur. Il se traduit par lâ??apparition dâ??un souffle plus ou moins important en présence dâ??un émetteur puissant à proximité de la fréquence reçue.
Bien que les DDS possÚdent intrinsÚquement un bruit de phase trÚs faible, le niveau de celui-ci est lié au bruit propre de lâ??oscillateur dâ??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 lâ??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 dâ??horloge. On sâ??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 dâ??un oscillateur intégré.
Pour mémoire, on notera que lâ??AD 9851 qui admet une horloge à 180 MHz, possÚde un multiplicateur intégré permettant ainsi de sâ??affranchir dâ??un quartz de fréquence élevé. On se trouve alors dans une configuration inverse ou le bruit de phase est accru parlâ??étage multiplicateur. Cette option est donc à éviter si lâ??on souhaite un bruit de phase minimum.

7.6. Conclusion :

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

8. Les DDS pour quelles applications ?

AprÚs tout ce qui vient dâ??être dit, on peut se demander à quels domaines les DDS sont réellement bien adaptésâ?Š.
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 quâ??ils fonctionnent à des fréquences prédéterminées et dans des plages de fréquences étroites et quâ??il est alors possible dâ??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 lâ??efficacité du filtrage.
Pour conclure, le DDS nâ??est pas la panacée universelle et son utilisation devra être soigneusement considérée avant de lancer dans une réalisation dâ??envergure, sachant quâ??il sera plus à lâ??aise à générer des fréquences fixes dans des bandes réduites en largeur que de fournir en continu un signal possédant une pureté spectrale convenable.

Retour