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1、 陕西理工学院毕业论文（设计）引言现场可编程门阵列(FPGA)的出现是超大规模集成电路(VLSI)技术和计算机辅助设计(CAD)技术发展的结果。FPGA器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。另外，采用FPGA器件可以将原来的电路板级的产品升级为芯片级的产品，降低了功耗，提高了可靠性。同时还可以很方便地对设计进行在线修改。FPGA器件成为研制开发的理想器件，特别适合于产品的样机开发和小批量生产，因此FPGA也被称为可编程的AS
2、IC.近年来FPGA市场发展十分迅速，各大FPGA公司不断推出新的产品，从数千门级到百万门级，从主要满足较简单数字系统设计的器件到内嵌微处理器的器件，设计者的选择越来越多，开发软件的功能也越来越强大。目前FPGA器件广泛应用于通信、自动控制、信息处理等领域，熟练掌握FPGA的设计方法已经成为一名电子设计技术人员的基本要求。我现在毕业设计的题目正是基于FPGA的直接频率合成器DDS的设计，EDA实践和应用能力是高等教育的重要特色，这正是对我基础知识的考验。尽管EDA技术(这里主要是指可编程逻辑器件的开发和应用技术)和VHDL语言的在我们学习中已经有所掌握，但自己的动手设计能力还是很差,实践环节还
3、是很薄弱.在本次毕业设计中我重点放在对程序的设计和时序电路的调试上面.学会了用EDA软件去分析数字电路.我完成了基于FPGA的数字化DDS系统的软件仿真和时序仿真，内容涉及AD/ DA转换.直接数字频率合成技术,提出了一种数字化实现DDS的新方法.是一个内容比较全面的FPGA的应用系统，希望能以此次设计为契机提高我的EDA综合设计能力。1.绪论1.1 频率合成器的研究背景及意义1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”一文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新集成原理。限于当时的技术和器件产量，它的
4、性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近10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佼佼者。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的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。Altera
5、是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等，因此Altera的产品获得了广泛的应用。Altera的产品有多个系列，按照推出的先后顺序依次为Classic系列、MAX（Multiple Array Matrix）系列、FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列、APEX（Advanced Logic Element Matrix）系列、ACEX系列等。DDS的研究方法主要是基于EDA技
6、术的发展。进入信息化社会对微电子信息技术和微电子VLSI基础技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有重要的地位。伴随IC技术的发展，电子设计自动化(Electronic Design Automation EDA)已经逐渐成为重要设计手段，其广泛用于模拟与数字电路系统等许多领域。，直接数字频率合成技术(Direct Digital FrequencySynthesis即DDFS，一般简称DDS)是从相位直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。近年来，DDS技术和器件水平的不断发展，使得DDS
7、合成技术也得到了飞速的发展。目前，该技术在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力以及集成化等一系列性能指标已远远超过了传统的频率合成技术所能达到的水平，从而完成了频率合成技术的又一次飞跃，同时也已成为目前运用最广泛的频率合成技术。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。1.2 频率合成技术的发展现状及趋势随着电子技术的发展，很多应用领域对信号频率的稳定性要求越来越高，而且不仅需要单一的固定频率，还需要多点频率。如短波通信接收机要求在2-30MHz的范围内提供以100Hz为间隔的280000个通信频道。为了解决
8、既要频率稳定准确.又要频率能在很大范围内变化的问题，于是产生了频率合成技术。频率合成技术是在实际应用中产生，又是在实践中不断提高的。频率合成技术始于20世纪30年代，最初采用多个频率源通过混频的办法产生更多的频率，由于需要过多的三极管，因而逐渐被淘汰，最后形成目前使用的由一个晶体振荡器产生标准频率再合成多个频率点的频率合成技术。这种频率合成技术是通过多级倍频和分频，运用混频器产生所需的各种频率点，可称为直接频率合成。到了60-70年代，由于数字集成电路技术的迅速发展，出现了第二代频率合成锁相环法频率合成。它的电路由鉴相器（PD），低通滤波器（LF），和压控振荡器(VCO)，和分频器组成，如图1
9、.1VCO LFPD 图1.1 锁相环法频率合成器频率控制字累加器相位寄储器加法器正（余）弦查找表DACLPF相位控制字时钟源f1971年，美国学者JTierney,CM Rader和B.Gold提出了以全数字技术从相位概念出发，直接合成所需波形的一种新的频率合成原理，形成了第三代频率合成方案 直接数字频率合成(DDS)。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与己有的技术相比，故未受到重视。近年来，随着数字技术的发展以及器件制作工艺水平的提高，DDS得到了飞速的发展，它在工作频率范围、频率转换速度、频率分辩力、相位连续性、正交输出以及易集成化方面的性能都超越了传统的频率合成器所能达到的水
10、平，使频率合成技术大大地前进了一步。图1.2是频率器的组成框图。 输入F M 图1.2 直接数字颜率合成（DDS）DDS的全数字结构也给它带来了两个缺点，一个是输出杂散较大，另一个是输出带宽受到限制。DDS有三个杂散源：相位截断，幅度量化和D/A转化的非理想特征。DDS输出带宽受限是由于数字器件的工作频率不能很高以及DDS本质上是一个分频器引起的。为了克服DDS输出杂散大的缺点，国外学者对DDS输出频谱特性进行大量研究，Henry T.Nicholas和Henry Samueli等人用误信号分析相位截断误差，他们建立了相位截断误差的数学模型，利用数论对相位截断误差的谱线位置和功率进行了较为精确
11、的研究。还有一种波形分析法，它根据DDS中相位累加器的周期性以及实际DDS结构，得到DDS输出波形的数学描述，然后对得到的波形进行傅立叶级数分析，波形分析法简单，直接，计算量大，但借助于计算机和FFT技术，这一分析方法还是相当有效的。在分析DDS输出频谱特性的基础上，提出了一些降低杂散频率的方法。归纳起来有三种。第一种方法是优化设计波形ROM和相位累加器，为了降低相位截断误差，需要增加波形ROM的地址线位数，但地址线位数增加一位，ROM的容量就要增加一倍，因此一味增加地址线位数是不切实际的，可以通过压缩存储数据来有效增大ROM数据寻址位。最简单而直接的方法是只保存正弦波0，pi/2区间的数据。
12、然后利用对称性来恢复其他对象的数值，这样一来可得到4：1的数据压缩比。对1/4周期正弦波数据的进一步压缩最早是利用三角函数的恒等变换，将一个大容量的ROM分成几个小容量的ROM数据并配合运算电路来实现对要求正弦数值的近似。这些运算包括正弦相差算法，由Sunderland提出的粗，细ROM结构以及其修改形式，其最高压缩比为59：1。另一种是基于数字优化的方法，可以根据实际参数优化计算出粗，细ROM的容量及数据位数。其数据压缩比可达到128：1。这种方法已经在DDS器件AD9955中得到了应用。还有泰勒技术近似法，泰勒级数近似是对正弦函数在某一点进行泰勒级数展开，取其前三项分别赋予不同的权值后存于
13、三个ROM中，最后由运算电路进行合成，这种方法得到64：1的压缩比，已应用与QUALCOMM公司的Q2334中。第二种方法是用随机抖动法提高无杂散动态范围，由于DDS的周期性，输出杂散频谱往往表现为离散谱线，随机抖动技术使离散谱线均匀变化，从而提高输出频谱的无杂散动态范围。第三种方法是以过采样的 方法降低带内的误差功率，当量化噪声为白噪声时其功率是均匀分布的如果提高采样频率，则在原先频带内的噪声功率将降低，通过低通滤波器后，带外噪声被滤波器虑除。为了提高DDS输出的频率，一方面 一些半导体公司利用目前最先进的半导体技术不断提高 DDS芯片本身的工作频率，另一方面很多学者和单位把DDS技术和其他
14、方法组合起来以扩展输出频率，例如：DDS+PLL组合式频率合成器就是一种扩展DDS频率的有效方法，它兼顾了DDS和PLL两者的优点。DDS是一项充满生命力的技术，其发展速度和应用范围之广是惊人的，从七十年代到今天，西方国家从未间断过对DDS技术及应用的研究，一批批成功的DDS芯片和DDS应用产品正在逐步获得国际市场的青睐。我国对DDS的研究刚刚起步，存在大量的艰巨的工作要做，如：精确分析DDS的杂散频谱特性，研究DDS杂散功率降低方法以及扩展DDS的输出带宽，以发挥其功率分辨率高，频率转换速度快。相位噪声低和全数字化等优点。使DDS早日用于雷达，通信和仪器仪表等电子系统。1.3 本课题的研究主
15、要内容本次设计是利用可编程逻辑器件FPGA完成一个数字频率合成器（DDS）系统的设计，实现频率合成技术。提出了一种有别于传统频率合成器的设计方案，该方案首先利用频率控制字M和相位控制字分别控制DDS输出正（余）弦波的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位累加器以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为正（余）弦查表的地址。图中正（余）弦查表由存储器（ROM）构成，内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中0的范围的一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成正余弦波幅度信号，同时输出到数模转化器（DAC）的输入端，DAC输出的模拟信号经过低通滤波器（LPF），可得到一个频谱纯净的正（余）弦波。另外，本次设计使用Altera公司的FPGA器件，利用其内嵌阵列块(EAB)实现ROM的功能。由于FPGA中的ROM一般容量较小，因此在实用中，没有将一
