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1、 摘 要直接数字频率合成(DDS)技术采用全数字的合成方法，所产生的信号具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相位噪声低和可以产生任意波形等诸多优点。在理论上对DDS的原理及其输出信号的性能进行了分析，完成了基于DDS的数字移相信号发生器的设计，采用VHDL语言，成功的编写出了设计程序，并在Quartus软件环境中，对编写的VHDL程序进行了仿真，得到了很好的效果。各项性能指标达到了试验要求。关键字：直接数字频率合成器,DDS,FPGA,CPLD,VHDL AbstractThe DDS( Direet Digital Frequeney Synthesis)teehniq
2、ue adoPtsfull-digital synthesismethods.The generated signals have advantages of high frequeney resolutions，fastfrequency switehing，eontinuous phase while frequeney switehing，low noise phase and being able to generate arbitra waveforms.In theory the principle of the DDS output signal and the performa
3、nce of the analysis, based on the completion of the DDS believe that the number of generator transfer the design, use of VHDL, the success of the preparation of a design process, and Quartus software environment, VHDL procedures for the preparation of the simulation, has been very good results. Vari
4、ous performance indicators have reached the test requirements.Keyword: Direct Digital Synthesis, DDS, FPGA, CPLD, VHDL目 录第1章 引言11.1 研究背景11.2 频率合成技术的发展11.3 直接数字频率合成技术的发展31.4 研究思路61.5 本论文主要工作6第2章 系统硬件平台72.1 可编程逻辑器件FPGA/CPLD介绍72.2 硬件描述语言VHDL122.3 可编程逻辑器件开发软件QuartusII介绍13第3章 系统原理与设计153.1 DDS技术和原理153.2 系
5、统结构183.3 系统功能分析183.4 系统结构模块19第4章系统程序实现与仿真204.1 系统的程序实现204.2 系统顶层结构设计234.3 仿真244.4 生成正弦数据的程序和文件24第5章 结论26致 谢27参 考 文 献28英语原文资料29译文32第1章 引言1.1研究背景随着现代电子技术的发展，能够产生各种波形信号的数字式信号发生器的应用越来越广泛，移相信号发生器属于信号源的一个重要组成部分，但传统的模拟移相有许多不足，如移相输出波形易受输入波形的影响，移相角度与负载的大小和性质有关，移相精度不高，分辨率较低等。而且，传统的模拟移相不能实现任意波形的移相，这主要是因为传统的模拟移
6、相由移相电路的幅相特性所决定，对于方波、三角波、锯齿波等非正弦信号各次谐波的相移、幅值衰减不一致，从而导致输出波形发生畸变。目前利用DDS技术产生信号源的方法得到了广泛的应用，DDS技术已经成为频率合成技术发展的主流方向。1.2频率合成技术的发展频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，它作为电子系统的“心脏”，在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥控遥测、仪器仪表等许多领域中得到了广泛的应用。随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的要求越来越高，对相位噪声、频率转换时间、频率分辨率、相对工作带宽、体积及功耗等多种指标同时提出了很高的要求，推动了频率合成技术的发展。频率合成理论是上
7、世纪三十年代提出的，如今己有七十年的发展史。频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通过一些转换，产生一个或多个频率信号的过程。频率合成器是一种频率转换的装置，广泛地应用于产生电子系统的基准频率，其合成的精度和稳定度受其参考频率的精度和稳定度以及外围电路的影响。频率合成器一般分为直接式、间接式、直接数字式三种基本类型。早期的频率合成采取的是直接模拟频率合成方式，由一个或多个参考频率源经分频、倍频、混频、滤波得到所需频率。它包括直接相关频率合成器和直接非相关频率合成器。直接相关频率合成器只有一个频率参考源，合成器所需产生的频率由这个参考源经过分频、混频、倍频后而产生，这样的方式产生的各个频率的精度
8、和稳定度与参考频率源一致。直接非相关频率合成器采用多个参考频率源，这样在需要产生多个频率稳定度和精度都相同的频率源时，实现相当复杂和困难。所以直接相关式应用较多，而直接非相关式现在己很少应用了。直接模拟频率合成具有频率转换时间短、相位噪声低等优点，但由于采用了大量的混频、分频、倍频和滤波等途径，使得频率合成器的体积庞大、成本高、结构复杂、容易产生杂散分量且难于抑制。近几年随着声表面波(SAW)技术的发展，直接模拟频率合成器体积得到了相应减小，因此还具有一定的发展前景。上世纪六十年代，相位反馈理论和模拟锁相技术的应用，产生了间接合成技术，由此引发了频率合成理论的第一次革命。间接模拟频率合成技术就
9、是一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频、分频等变换，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环(PLL)将频率锁定在某一谐波或组合频率上。由于锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，所以可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了使用大量滤波器，十分有利于集成化和小型化。此外，一个设计良好的压控振荡器V(CO)具有高的短期频率稳定性，而标准频率源具有高的长期频率稳定度，锁相环频率合成器将二者结合在一起，使得合成信号的稳定度大大提高。另外锁相环频率合成器还具有控制方便、体积较小、较好的性价比等优点，因此广泛地应用于同步跟踪、信号提取、解调等雷达与通信系统中。不过由于锁相环存在捕获时间问题，其频
10、率转换时间较长，单环频率合成器的频率间隔不可能做得很小，使之很难适用于高速、超高速的技术要求。采用多环、变模分频、小数分频等方法，可以克服单环间接式频率合成器的频率转换时间慢的缺点，所以目前这种方式的频率合成器用的还比较广泛。上世纪后期提出的直接数字频率合成理论是频率合成史上的第二次革命。1971年，美国学者.JTiemyc、C.M.Rader、B.Gold发表的关于直接数字频率合成的研究结果，第一次提出了DDS的概念，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS技术并没有受到重视。随着电子工程领域的实际需要和数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。DDS具有
11、很高的频率捷变速度、很宽的相对带宽、很高的频率分辨率、输出相位连续，可编程和全数字化便于单片集成、并且可以输出正交信号，这些优越性使直接频率合成技术在短短二三十年时间里发展飞速。DDS技术将成为未来频率合成技术发展的主流方向，它高度的集成性，对于简化电子系统的设计方案，降低硬件的复杂程度，提高系统的整机性能意义重大。可以预料将来DDS产品的时钟频率将越来越高，杂散会越来越低，价格也将更低，DDS产品将会得到普遍的应用和发展。由于DDS直接输出频率上限较低，实际工作频带较窄，无法满足宽带信号源输出要求，因此产生了混合式频率合成技术。例如，利用DDS加混频器扩频、DDS+PLL混合、双路DDS正交
12、相乘输出、多路DDS并行输出等。其中以DDS激励PLL频率合成器应用最为广泛，其基本原理就是用DDS的输出作为锁相环的参考输入，来解决频率分辨率和捷变速度的矛盾。DDS和传统技术相结合，组成各种混合方案，将频率源的性能提高到了一个新的水平。DDS与数字信号处理器(DSP)、计算机的结合正在成为智能化的发展趋势。1.3 直接数字频率合成技术的发展数字信号处理包括分析和综合两方面的内容，直接数字频率合成技术是建立在现代数字信号处理理论基础上的一种新型的频率合成技术，是关于信号综合的硬件实现问题。随着信号处理理论的不断完善和微电子技术的不断进步，直接数字频率合成技术也得到了很大的发展。世界上许多的大
13、规模集成电路厂商都提供这方面的集成电路芯片。目前，在国外己经将直接数字频率合成技术视作频率合成的发展方向，成为研究热点，一系列性能优越的直接数字频率合成产品相继问世。几十年来，大量的专家学者及工程师们在DDS的研究工作上花费了巨大的精力，通过对DDS理论、算法以及结构的研究和优化，DDS芯片的功能、性能及体积都有了很大的改变。DDS有两点不足之处:输出带宽和杂散。输出带宽主要受DDS工作时钟频率的限制。目前市场上价格不太高的，如AD9854，时钟频率为300MHz，输出带宽为0120MHz，但这对于飞速发展的无线通信是远远不够的。虽然目前采用GaAs(砷化镓)技术生产出来的DDS芯片其输出频率
14、可达300到400MHz，但它的价格过于昂贵，难以大量应用。但随着GaAs器件的发展，输出带宽的限制正在逐步被克服。而杂散是DDS本身所固有的，且随着输出带宽的扩展，杂散将越来越明显地成为限制DDS技术发展的重要因素。利用GaAs技术的高速DDS芯片只能达到-40 -50dBc而一般的CMOS工艺的DDS芯片可达到-70 -90dBc，但其输出的频率不高，当采用倍频或变频提高其频率时会使杂散恶化。因此如何抑制杂散仍然是高速DDS技术急待解决的问题。另外DDS芯片功耗高，体积也不小。DDS芯片体积的大幅度减小主要是通过改进相位累加器的结构、优化的ROM(只读存储器)、将DAC(数模转换器)集成于
15、DDS内部等方法实现的。最近几年，高性能的DDS芯片不断推出。DDS芯片的频率分辨率己达到了9个以上数量级，这是由于相位累加器的位数从开始的十几位提高到现在的48位(如AD公司的AD9852和AD9854)。以前的DDS产品仅能产生单一的正弦信号，现在能够产生多种信号，并且可以进行多种调制输出，它的工作频率也己从最初的几MHz发展到几十GHz。由于在DDS内部采取了杂散抑制技术，使得DDS芯片的杂散性能大大提高。DDS的频率捷变速度己经提高到了ns级，而价格大幅度下跌，因此具有良好的性价比。DDS的控制方式也由原来的并行控制发展到串行控制、总线控制等多种控制方式。特别是与先进的DSP技术结合，使用DDS芯片实现的频率源向智能化、实用化方向发展。具有高时钟频率、低相位噪声、低杂散、低成本、低功耗的高性能DDS产品一直是各个厂商追求的目标。目前生产的DDS芯片的厂商主要有:AnalgoDveiecs公司、Qualeomm公司、Stanofrd公司、Harris公司(现在的Inetrsil公司)、Osicom公司等。我国目前还没有自己生产销售DDS芯片的厂商。各家公司生产的DDS芯片以其特有的性能特点竞争市场。Qualcomm公司先后推出了Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368等DDS产品，其中Q2368作为单个DDS时的时钟频率可达130MHz，作为两个独立
