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1、目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 频率合成的概念及其发展11.3 Matlab/Dsp builder简介41.4 Modelsim仿真软件71.5 论文研究内容和目的8第二章 软件设计92.1 Simulink模型仿真92.2 Quartus的功能及应用102.3使用QuartusII实现时序仿真172.4 DSP Builder层次化设计18第三章 DDS的理论性能分析193.1 DDS的基本原理193.2 理论计算203.3 用DSPBuilder设计DDS21结 论26参考文献27致 谢28-29-摘 要直接数字频率合成技术（DDS）在数字通信系统中被广泛采用。DSP Bui
2、lder是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具，本论文是在研究直接数字频率合成技术基本原理的基础上 ,利用 DSPBuilder对直接数字频率合成器进行算法级建模和硬件实现，而将Quartus作为底层设计工具置于后台，从而最大程度地发挥了这三种工具的优势。本设计采用DSP Builder作为Simulink中的一个工具箱，使得用FPGA设计DSP系统完全可以通过Simulink的图形化界面进行，并给出了设计过程和仿真，直到把设计文件下载到FPGA中实现硬件。关键词:直接数字频率合成 DSPBuilder Simulink QuartusII FPGAABSTRACTDirect
3、 Digital Synthesis Technology (DDS) in digital communications systems that are widely used. DSP Builder is Altera has introduced a DSP-oriented development of system-level tools, in this paper is on Direct Digital Synthesis technology on the basis of basic principles, using DSPBuilder on Direct Digi
4、tal Synthesis for algorithm-level modeling and hardware, And will Quartus design tools at the bottom as a background to maximize the advantages of these three tools. This design uses a DSP Builder Simulink in a tool box, making DSP with FPGA design system is entirely possible through the Simulink gr
5、aphical interface, and gives the design process and simulation, until the design documents downloaded to the FPGA to achieve hardware. Key words: Direct Digital Synthesis DSPBuilder Simulink QuartusII FPGA第一章 绪 论1.1 引言1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”-首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所
6、需波形的一种新合成原理。限于当时的技术和器件生产，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近1年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际
7、应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。 实现DDS的方式由单一的小规模的集成元件，发展到现在的大规模集成电路独立完成，在功耗和成本方面也显现出其优势。如今，作为信号源的主要部分，很多著名的芯片生产商仍在DDS方面上不断深入研究，开发更低成本，低功耗的芯片，而速度和稳定性却不断提高。在可编程逻辑器件方面，DDS同样显示出它的优势。因此，DDS已经成为当今信号处理中的主要发展研究方向。1.2 频率合成的
8、概念及其发展现在的战争从根本上就是敌我双方高科技的较量电子战在一场现代化战争中已是重要的组成部分。比如雷达定位，遥测遥控，卫星通信等，在海湾战争，南斯拉夫，阿富汗及伊拉克战场上，电子战都发挥着举足轻重的作用。谁的武器中的电子系统体积小，集程度高，精度越好，抗干扰性越好，谁取胜的可能性就越大。其中电子系统的核心部分频率合成器更加成为整个电子战争的关键所在。因此，人们对频率合成器的相位噪声，频率分辨率，频率转换时间，频率稳定度，相对工作带宽，体积，功率等指标要求越来越高。频率合成器一般分为直接式，间接式，直接数字式三种基本形式。早期的频率合成器采用直接的方式，是由一个或多个晶体震荡器经分频，倍频，
9、混频得到所需频率。它又包括直接式相关频率合成器和直接式非相关频率合成器。直接式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和参考频率源一致；直接式非相关频率合成器采用多个参考频率源，这样需要产生多个频率稳定度和精度都相同的频率源是相当复杂和困难的，所以直接相关式应用较多，而直接非相关式现在已较少使用了。直接模拟合成频率捷变较快，相位噪声低，所以目前仍在应用。直接模拟式频率合成器的主要特点是体积庞大，近几年随着声表面波技术的发展，直接模拟式频率合成器体积会变小，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
10、和模拟锁相技术的应用，产生了间接合成理论，由此引发了频率合成理论的第一次革命。间接频率合成包括模拟间接频率合成（注入锁相，模拟环路锁相，取样锁相），锁频环频率合成，数字锁相频率合成。这种方法主要是将相位反馈理论和锁相技术应用于频率合成领域，它的主要代表是锁相环PLL（Phase-Lockde Loop）频率合成，称为第二代频率合成技术。现在最常用的结构是数模混合的锁相环，即数字鉴相器，分频器，模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式，因具有相噪声低，杂散抑制好，输出频率高，价格便宜等优点至至今仍在频率合成器领域占有重要地位。目前已有许多性能优良的单片PLL频率合成器面市，PLL频率合成利用了相位反馈
11、控制原理来稳频，在频率切换数度要求不高，但相对相位噪声，杂散有较高要求时，PLL频率合成有特殊的优势。PLL式频综输出的频率分辨率越高时，器频率切换数度就越慢。如果要提高切换速度，就必须牺牲分辨率，这是PLL的工作原理所致，无法通过性能优化来解决。所以在选择锁相式频率合成时除了考虑频谱纯度外，还要考查其他性能是否满足要求。随着数字信号理论和超大元曲模集成电路VLSE的发展，在频率合成领域诞生了一种革命的技术，那就是七十年代出现的直接数字频率合成器DDS（Direct Digital frequency Synthesis）,它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。1971年3月，J.Tiern
12、ey和C.M.Tader等人 首先提出了DDS的概念：利用数字方式累相相位，再以相位之和作为址来查询正弦波幅度的离散数字序列，最后经D/A变换得到模拟正弦输出。DDS由于具有较高的频率分辨率，极快的变频速度，变频相位连续，相噪较低，易于功能扩展合全数字化便于集成等优点，因此在短短二十多年里得到了飞速地发展和广泛的应用。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 (1) 输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为50%fs (理论值) 。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输
13、出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。 (2) 频率转换时间短 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 (3) 频率分辨率极高 若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数D
14、DS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mhz甚至更小。 (4) 相位变化连续改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 (5) 输出波形的灵活性只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 (6)
15、 其他优点由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 DDS也有局限性，主要表现在： (1) 输出频带范围有限 由于DDS内部DAC和波形存储器(ROM)的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限。目前市场上采用CMOS、TYL、ECL工艺制作的DDS芯片，工作频率一般在几十MHz至400MHz左右。采用GaAs工艺的DDS芯片工作频率可达2GHz左右。 (2) 输出杂散大由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差(由存储器有限字长引起)造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。 根据上文的分析，本论文详细地阐述和分析DDS原理，具体讨论DDS的优势和缺点，利用Quartus II得出系统原理框图和源程序；根据制作的实际电路，测试系统性能；同时，显示实际DDS电路中模拟时序。由此，通过学习，进一步学习和掌握DDS的原理，在具体应用中逐渐解决问题。1.3 Matlab/Dsp builder简介Matlab是国内强大的数学分析工具，广泛用于科学计算和工程计算，还可以进行复杂的数字信号处理系统的建
