用软件定义波形： DDS 信号源的原理、实操演示以及在量子光电领域的应用突破

在量子通信与精密光电测控的前沿实验室中，每一次突破性的实验背后，都离不开一个核心环节：如何生成“完美”且“灵活可控”的驱动信号？

无论是驱动声光调制器（AOM）对激光进行精密调制，还是控制声光偏转器（AOD）生成多达64束独立可控的光镊阵列，亦或是为电光调制器（EOM）生成复杂的多频微波信号以操控量子态——这些任务的共同核心，都指向了一种关键技术：直接数字合成（DDS）信号源。

与传统的模拟信号源不同，DDS技术通过纯数字方式合成波形，带来了亚赫兹级的频率分辨率、极低的相位噪声和纳秒级的切换速度。其真正的革命性在于其 “软件定义” 的架构：每个DDS核心（Core）如同一个独立可编程的信号发生器，只需通过简单的代码指令，即可实时、动态地调整频率、相位和幅度。这意味着，研究人员可以将复杂的调制模式、脉冲序列甚至多路复用信号，像编写软件一样预先定义或实时生成，从而从根本上破解了复杂系统在信号灵活性、同步性与集成度上的核心瓶颈。

然而，理解DDS的内部原理并将其高效应用于实际系统，仍存在门槛。

• 如何理解数字控制振荡器（NCO）、相位累加器和查找表（LUT）的协同工作？
• 如何通过简洁的API命令，将理论上的灵活性转化为驱动AOM/AOD/EOM的实际代码？
• 全球顶尖实验室又是如何利用DDS选件解决其特定挑战的？

德思特将为您系统地解答这些问题，深入剖析DDS架构、编程逻辑，并详解在量子光学、光镊及量子比特操控中的三大核心应用案例。

一、DDS的核心架构：从“数字内核”到“模拟输出”的精准控制

DDS信号源的强大能力，根植于其高度数字化的核心架构。其核心单元是数字控制振荡器（NCO），它通过一个相位累加器在数字域内精确地线性递增相位值。这个相位值随后作为地址，查询一个存储了正弦波形数字幅值的查找表（LUT），最终经过数模转换器（DAC）输出平滑的模拟信号。

这一纯数字过程带来了三大颠覆性优势：

1. 无与伦比的频率精度与稳定性：输出频率由数字时钟和频率控制字决定，分辨率可达毫赫兹级别，且不受温度和元器件老化的漂移影响，满足了量子实验对信号长期稳定性的苛刻要求。
2. 相位连续性与快速捷变能力：改变频率控制字即可无缝切换频率，输出信号相位保持连续，无传统PLL可能产生的瞬断或相位跳变。这对于需要频率扫描（如Chirp信号）或快速跳频的应用至关重要。
3. 内在的灵活性与可编程性：波形数据存储在LUT中，理论上可以通过更换LUT内容生成任意波形。而通过实时或预置命令控制多个DDS核心的参数，便能实现幅值、相位和频率的复杂调制。

一张德思特M5i.63系列DDS板卡，其单个模拟输出通道背后，可并行运行多达64个独立的DDS核心。这意味着，一个物理通道可以同时输出6 4个频率、相位、幅度各不相同的正弦波，并可在软件控制下动态调整，为多光束独立控制、复杂频谱合成提供了硬件基础。

二、软件定义的灵魂：DDS的编程逻辑与核心工作模式

通过代码直接与DDS硬件对话，是实现系统集成和自动化测试的关键。DDS的编程接口直观而强大。

其基本逻辑是：选择核心 -> 设置参数 -> 触发执行。参数设置分为静态（如初始频率、幅度）和动态（如频率变化斜率）。例如，通过简单的API函数 spcm_dwSetParam_d64，即可精准设定某一核心的输出特性。

在相位控制上，DDS提供两种核心模式，应对不同场景：

• 相位跳变模式：在触发事件发生时，相位计数器直接复位到预设值。此模式适用于需要严格时间同步的相参频率复用或雷达脉冲序列生成，能够在精确的时刻产生特定的相位状态。
• 相位偏移模式：在触发时，将预设的相位偏移值累加到当前相位上。此模式的巨大优势在于能保持通道间确定的相位关系，即使触发信号存在微小抖动。这对于生成正交相移键控（QPSK） 等数字调制信号，或实现多通道间精确的相移控制不可或缺。

这两种模式，赋予了研究人员在“时间确定性”和“相位关系确定性”之间进行最优选择的权力。

三、破解三大应用瓶颈：DDS如何驱动前沿实验

理解了核心原理，我们来看DDS如何具体破解量子与光电领域的经典难题。

1. 激光的精密多维控制

破解方案：驱动AOM进行频率、振幅与相位调控

AOM通过射频信号驱动晶体产生声光栅，从而衍射并调制激光。DDS生成的多载波射频信号，可以同时且独立地控制衍射光的频率（通过射频频率）、强度（通过射频幅度）和等效相位（通过射频相位），为量子态制备和光通信编码提供了理想的“光画笔”。

2. 生成大规模、可动态重构的光束阵列

破解方案：驱动AOD实现光束分束与偏转

AOD与AOM原理类似，但更侧重于控制光束偏转角度。DDS的多核心并行输出能力在此大放异彩。每个核心生成一个特定频率的射频信号，驱动AOD后即对应一束特定偏转角度的衍射光。通过M5i.63系列板卡的64个核心，仅用单通道即可生成分出64束光的载波信号，并能通过软件实时调整每一束光的位置（频率控制）和亮度（幅度控制），轻松构建用于原子囚禁、光学微操纵的复杂光镊阵列。

3. 为量子比特操控生成纯净复杂的微波边带

破解方案：驱动EOM并抑制非线性失真

在通过光纤传输微波信号以驱动超导量子比特等应用中，EOM是关键器件。但其电光转换过程存在非线性，会产生不需要的谐波和混频项，污染信号频谱。

DDS的解决方案是：预先计算并生成一个包含主信号和特定反相声学成分的复合波形。当这个波形驱动EOM时，由非线性产生的杂散分量会与反相成分相互抵消，从而在输出光载波上获得异常纯净的微波边带，极大提升了量子比特操控的保真度。

四、从案例看选择：全球顶尖实验室的实践

理论的优势需要实践的检验。全球多个顶级研究机构的成功案例，印证了DDS技术的工程价值：

• 西班牙巴塞罗那大学光子学实验室在进行全息光场调制时，需要驱动一对AOD来生成二维光场。他们对扫描平滑性、双通道同步精度及信号重复稳定性有极致要求，最终选用了具备DDS选件的AWG板卡。该方案不仅能生成复杂的幅度与相位调制波形，其卓越的通道同步性和信号一致性，有效消除了光学相干伪影，满足了高质量全息图生成的需求。
• 哈佛大学物理系在里德堡原子量子计算研究中，需要同时驱动AOD分光系统和里德堡态激发激光器，以制备和操控多原子纠缠态（薛定谔猫态）。他们对信号源的频率灵活切换、多路时序编排以及长期相位稳定有严苛需求。采用基于DDS方案的AWG板卡，使他们能够通过编程精确协调多路光场，实现了对原子阵列的复杂量子操控。

END

DDS信号源凭借其软件定义的灵活性、极高的精度与确定性，已成为破解量子通信、量子计算、精密光电子等领域中信号生成瓶颈的利器。它将复杂的射频信号生成，从传统的硬件调谐转变为软件编程，极大地加速了实验迭代与系统集成。

然而，要充分释放其潜力，仍需要深入理解其数字内核的工作原理，掌握其编程模型，并将其与具体的光电器件（AOM/AOD/EOM）特性相结合。这正是即将到来的技术直播希望与您深度探讨的核心。

无论您是正在搭建新一代量子光学实验平台，还是致力于提升现有光电测试系统的性能与自动化程度，深入了解DDS技术都将是您解锁更高水平研究的关键一步。如果您有任何需求，欢迎联系德思特！