基于DDS的可掃頻移相信號(hào)發(fā)生器的畢業(yè)論文.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)基于DDS的可掃頻移相信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)摘 要現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)信號(hào)源提出了越來(lái)越高的要求，要求信號(hào)源的頻帶寬、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲和雜散很低、能程控等。直接數(shù)字頻率合成DDS是一種新的頻率合成方法。全數(shù)字化的DDS技術(shù)具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低和頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。本課題根據(jù)DDS技術(shù)的理論，首先對(duì)DDS頻率合成技術(shù)的原理作了介紹，分析了該合成技術(shù)的時(shí)域與頻域的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，討論了頻譜雜散的三個(gè)因素，并總結(jié)了消除DDS雜散的一些方法。本設(shè)計(jì)是基于FPGA的嵌入式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)DDS功能，對(duì)各個(gè)模塊都進(jìn)行了仿真，完全符合設(shè)計(jì)要求。再進(jìn)行系統(tǒng)整體功能的仿真，完成了多功能的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。完成的DDS信號(hào)發(fā)生器具有調(diào)頻、調(diào)相、掃頻和掃速控制功能。最后設(shè)計(jì)了一個(gè)5級(jí)m序列發(fā)生器作為數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，驗(yàn)證該信號(hào)發(fā)生器在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：DDS； VHDL； 信號(hào)發(fā)生器； 仿真； 數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)ABSTRACTThe development of modern science technology put forward more and more higher demands to signal source, that the width of bandwidth, higher stability,higher resolution, higher frequency, the phase noise and stray must be very low, program control, etc. Direct digital Frequency SynthesisDDS (Digital Direct Frequency Synthesis) is a new Frequency Synthesis method. The full digital DDS technology has the the advantages of high frequency resolution, the fast switching of frequency, low phase noise and high frequency stability .This topic is based on DDS technology theory, First of all, introduces the principle of DDS frequency synthesis technology, analyzes its characteristics of time domain and frequency domain. On this basis, discusses the three factors of spectrum stray, and sums up some methods to eliminate DDS stray. This design is based on FPGA embedded system, adopted VHDL language to design and realize the function, simulate each module of DDS, and the output fully comply with the requirements. Then as a whole, simulate the functiona of this signal generator.This design of DDS signal generator has FM, PM, sweep frequency and sweep speed control function. Finally designed a 5 level m sequence generator as digital signal generator, validate the signal generator in binary digital modulation system application. Key words: DDS; VHDL; signal generator; simulation; Digital modulation system目 錄1 緒論.11.1 頻率合成技術(shù).21.1.1 直接頻率合成法.21.1.2 間接頻率合成法.41.1.3 直接數(shù)字頻率合成法.41.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r.61.3 課題的目的與意義.82 直接數(shù)字頻率合成法的基礎(chǔ)與理論分析.92.1 信號(hào)發(fā)生器的基礎(chǔ).92.1.1 信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi).92.1.2 ROM與波形數(shù)據(jù).112.1.3 信號(hào)發(fā)生器的組成.122.2 DDS的原理分析.132.3 DDS的時(shí)域分析.152.4 DDS的頻譜分析.172.5 DDS的雜散分析與消除技術(shù).202.5.1 DDS的雜散分析.202.5.2 DDS的雜散消除技術(shù).243 基于DDS的可掃頻移相信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì).263.1 正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).263.1.1正弦波數(shù)據(jù)文件.263.1.2 正弦信號(hào)數(shù)據(jù)ROM宏功能塊.273.2 嵌入式PLL的設(shè)計(jì).293.3 加法器的設(shè)計(jì).293.4 寄存器的設(shè)計(jì).303.5 濾波器的設(shè)計(jì).313.6 DDS系統(tǒng)的整體功能仿真.344 該信號(hào)發(fā)生器在數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)中的應(yīng)用.374.1 M序列發(fā)生器.374.2 2ASK、2DPSK等調(diào)制系統(tǒng)綜合仿真.405 結(jié)束語(yǔ).486 附錄.497 參考文獻(xiàn).57外文資料.59中文翻譯.63致謝.681 緒論1.1 頻率合成技術(shù)頻率合成技術(shù)起源于二十世紀(jì)三十年代，至今已有近七十年的歷史?，F(xiàn)代電子技術(shù)中常常要求高精確度、高穩(wěn)定度的頻率，但是，晶體振蕩器的頻率單一，不能在很寬的頻率范圍內(nèi)提供大量穩(wěn)定的頻率點(diǎn)，而且高頻晶體振蕩器價(jià)格十分昂貴，生產(chǎn)成本高。因此在現(xiàn)代電子技術(shù)中，人們往往采用頻率合成的方法得到高精確度、高穩(wěn)定度的參考頻率源。所謂頻率合成就是利用一個(gè)晶體振蕩器或者幾個(gè)晶體振蕩器產(chǎn)生一系列或者若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。其基本思想就是利用綜合或者合成的手段，綜合晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度高和LC振蕩器改變頻率方便的優(yōu)點(diǎn)，克服晶體點(diǎn)頻和LC振蕩器頻率穩(wěn)定度、精準(zhǔn)度不高的缺點(diǎn)，而形成的頻率合成技術(shù)。頻率合成法可分為直接與間接合成兩大類(lèi)。頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方法有三種:直接模擬頻率合成、間接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成。其主要技術(shù)指標(biāo)有：頻率范圍、頻率間隔(頻率分辨率)、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度、頻譜純度等。1. 輸出頻率范圍頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍，它包含中心頻率和帶寬兩個(gè)方面的含義。2. 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器輸出頻率偏離標(biāo)定值的數(shù)值，它分長(zhǎng)期、短期和瞬間穩(wěn)定度三種。3. 頻率間隔頻率間隔是指兩個(gè)輸出頻率的最小間隔，也稱(chēng)頻率分辨率。4. 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指輸出頻率由一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率的時(shí)間。5. 頻率純度頻率純度以雜散分量和相位噪聲來(lái)衡量。雜散又稱(chēng)寄生信號(hào)，分為諧波分量和非諧波分量?jī)煞N，主要由頻率合成過(guò)程中的非線(xiàn)性失真產(chǎn)生;相位噪聲是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的參數(shù)。6. 調(diào)制性能調(diào)制性能是指頻率合成器的輸出是否具有調(diào)幅(AM)、調(diào)頻CFM )和調(diào)相(PM)等功能。1.1.1 直接頻率合成法直接頻率合成法是最先出現(xiàn)的的一種頻率合成方法，它利用混頻器、分頻器和帶通濾波器來(lái)完成對(duì)頻率的四則運(yùn)算。其合成方法主要可分為兩種類(lèi)型：相關(guān)合成法和非相關(guān)合成法。兩者主要的區(qū)別是所使用的的參考頻率源數(shù)目不同。此外還有利用外差原理來(lái)消除可變振蕩器頻率漂移抵消法(或稱(chēng)外插補(bǔ)償法)?，F(xiàn)將這三種直接頻率合成法列表比較，如表1.1所示：表1-1 三種直接頻率合成法比較 名稱(chēng)非相關(guān)合成法相關(guān)合成法頻率漂移抵消法圖例圖 1.1圖 1.2圖 1.3主要特征 數(shù)個(gè)晶振取兩個(gè)頻率進(jìn)行混頻，取其頻差。 一個(gè)晶振頻率源數(shù)個(gè)輔助頻率取兩個(gè)進(jìn)行比較，取其差頻。 數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率與可變步進(jìn)振蕩器頻率混頻，取其差頻與可變步進(jìn)振蕩器頻率混頻再取差頻。優(yōu)點(diǎn) 比較穩(wěn)定可靠，能做到任意小的頻率增量，波段轉(zhuǎn)換速度快。 比較穩(wěn)定可靠，能做到任意小的頻率增量，波段轉(zhuǎn)換速度快。 瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度很高，寄生調(diào)制小可用于快速數(shù)字通信中。缺點(diǎn) 采用石英晶體太多，易產(chǎn)生互調(diào)分量，影響頻率穩(wěn)定度。 使用的濾波器和混頻器太多，易產(chǎn)生組合干擾。 用于數(shù)個(gè)環(huán)路，設(shè)備比較復(fù)雜。直接頻率合成能夠?qū)崿F(xiàn)快速頻率轉(zhuǎn)換、幾乎任意高的頻率分辨率、低相位噪聲以及很高的輸出頻率。但是，相比于間接合成法它要用多得多的硬件設(shè)備(振蕩器、混頻器、帶通濾波器等)，因而體積較大、造價(jià)高。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是輸出端會(huì)出現(xiàn)無(wú)用的(寄生)頻率，即所謂雜波。這是由于帶通濾波器無(wú)法將混頻器產(chǎn)生的無(wú)用頻率分量濾凈所造成的。頻率范圍越寬，寄生分量也就越多。這是直接頻率合成的一個(gè)致命缺點(diǎn)，足以抵消所有的優(yōu)點(diǎn)。因而，幾乎在所有的應(yīng)用場(chǎng)合，已被采用鎖相環(huán)的間接合成方法所取代。200209.999MHz1.039.999MHz58.058.99MHz52.052.99MHz混頻 +混頻 +混頻 +混頻 +47.05.09MHz170200MHz142151MHz6.06.09MHz5.05.09MHz倍頻 X2倍頻 X285100MHz 晶振71.075.5MHz 晶振6.06.09MHz 晶振47.05.09MHz 晶振5.05.09MHz 晶振圖 1.1 非相關(guān)合成法合成器方框圖33.999MHz33.99MHz33.9MHz3MHz分頻10分頻10分頻10分頻10輸出0.3509MHz0.39MHz3MHz濾波濾波濾波濾波3.4509MHz3.09MHz3MHz3.9MHz3.1MHz3MHzDCBA混頻混頻混頻混頻3.6MHz2.7MHz開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)位置由諧波發(fā)生器送來(lái)的頻率圖 1.2 相干式直接合成器舉例第二混頻器帶通濾 波第一混頻器石英晶體 振蕩器可變振蕩器圖 1.3 頻率漂移抵償法原理方框圖1.1.2 間接頻率合成法間接頻率合成法又稱(chēng)鎖相環(huán)路頻率合成法，它是目前應(yīng)用最廣泛的頻率合成方法，鎖相頻率合成的基本方框圖如圖 1.4圖 1.4 鎖相環(huán)頻率合成的基本方框圖當(dāng)鎖相環(huán)鎖定后，相位檢波器(PD)兩端的頻率是相同的，即 （1 - 1）其中fd 是壓控振蕩器(VCO)輸出頻率fo 經(jīng)過(guò)N次分頻后得到的，即 （1 - 2）所以輸出頻率fo為fr的整數(shù)倍，即 fo = Nfr (1 - 3)這樣，環(huán)中帶有可變分頻器的PLL就提供了一種從單個(gè)參考頻率獲得大量頻率的方法。如果用一個(gè)可編程分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻比N，就很容易按增量fr來(lái)改變輸出頻率。這是組成鎖相頻率合成的最簡(jiǎn)便的方法?；阪i相環(huán)結(jié)構(gòu)的頻率合成器一般有幾種結(jié)構(gòu)：變模分頻鎖相頻率合成，多環(huán)路結(jié)構(gòu)及小數(shù)分頻合成。采用變模分頻鎖相頻率合成能使合成器工作在高于可編程分頻器上限的頻率上的同時(shí)保證分辨。多環(huán)路結(jié)構(gòu)是采用兩個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率合成，其中一個(gè)實(shí)現(xiàn)一個(gè)固定的高頻，其它的變化的頻率輸出則可在低頻下實(shí)現(xiàn)，最后由一個(gè)頻率加法器進(jìn)行合成。這樣設(shè)計(jì)可相對(duì)簡(jiǎn)單但占用較大芯片面積，功耗也會(huì)增加，而最后小數(shù)分頻合成設(shè)備較復(fù)雜，限制了其發(fā)展。1.1.3 直接數(shù)字頻率合成法直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital frequency Synthesis,DDS)的原理框圖如圖15所示。這是一種純數(shù)字化的方案。其工作原理是：先將已經(jīng)數(shù)字化的正弦波(或三角波、方波)信號(hào)的幅度值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器ROM或RAM中，然后在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，通過(guò)控制電路按照一定的地址關(guān)系從ROM中讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再通過(guò)低通的濾波器，濾除D/A轉(zhuǎn)換后的階梯狀的小臺(tái)階和數(shù)字電路產(chǎn)生的毛刺，即可獲得所需的模擬正弦信號(hào)。相位增量寄存器 (PIR)地址寄存器D/A波形寄存器相位累加器輸出波形LPF可編程器件晶振CPU可預(yù)置分頻器圖1.5 DDS信號(hào)源框圖實(shí)際上，利用直接數(shù)字頻率合成的方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號(hào)，而且還可以輸出不同初始相位的正弦波，甚至可以給出各種各樣形狀的波形(如三角波、方波)，尤其適用于函數(shù)波形和任意波形的信號(hào)源。目前，由于有關(guān)芯片的速度滿(mǎn)足不了高頻信號(hào)的要求，因此，產(chǎn)生不了高頻信號(hào)。現(xiàn)在利用DDS專(zhuān)用芯片已能產(chǎn)生100MHz以上的正弦波，其相位累加器達(dá)到了32位。在基準(zhǔn)時(shí)鐘為100MHz時(shí)，輸出波形的分辨率可達(dá)0.023Hz，這種優(yōu)良的性能在其它合成方法中是難以達(dá)到的。隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，集成電路芯片速度的提高，直接數(shù)字頻率合成產(chǎn)生信號(hào)的方法將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。以上三種頻率合成方法中，目前用得最多的是鎖相頻率合成。在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，例如要求極高的工作頻率、非常高的頻率分辨率或者快速的頻率轉(zhuǎn)換性能等，PLL合成器難以實(shí)現(xiàn)這些性能時(shí)，可采用另外兩種合成方法，或者將這兩種合成方法綜合使用，構(gòu)成混合式的頻率合成器。近年來(lái)，隨著中、大規(guī)模集成電路的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已推出多種中、大規(guī)模單片集成鎖相頻率合成器，在同一片芯片中集成構(gòu)成了鎖相環(huán)頻率合成器的主要部件，如基準(zhǔn)振蕩器、基準(zhǔn)分頻器、鑒相器及可變程序分頻器等，只需另配兩三塊集成電路和少量外圍元件，便可構(gòu)成一個(gè)完整的各種形式的鎖相環(huán)頻率合成器。在本次設(shè)計(jì)中采用基于FPGA的嵌入式完成頻率的合成。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r直接數(shù)字頻率合成(DDS Digital Direct Frequency Synthesis)技術(shù)是一種全新的頻率合成方法，是頻率合成技術(shù)的一次革命。這種技術(shù)首先由美國(guó)學(xué)者J.Ti- erny,C. M. Rader和B.Gold三人于1971首次提出，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和工藝水平，DDS技術(shù)僅僅在理論上進(jìn)行了一些探討，而沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際中去。DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM,D /A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。時(shí)鐘頻率給定后，輸出信號(hào)的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線(xiàn)位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。DDS有如下優(yōu)點(diǎn):(1)頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)個(gè)頻點(diǎn)(N為相位累計(jì)器位數(shù))；(2)頻率切換速度快，可達(dá)us量級(jí);(3)頻率切換時(shí)相位連續(xù)，可以輸出寬帶正交信號(hào);(4)輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用;(5)可以產(chǎn)生任意波形;(6 )全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，目前市場(chǎng)上性能優(yōu)良的DDS產(chǎn)品不斷推出，如美國(guó)QUALCMOMM公司的Q2334, Q2220等DDS芯片；美國(guó)STANFORD公司的STEL-1175,S TEL-1180等DDS芯片;美國(guó)AD公司的AD7008,AD 9850等DDS芯片。這些DDS芯片的時(shí)鐘頻率從幾十兆赫茲到幾百兆赫茲不等，芯片從一般功能到集成有D/A轉(zhuǎn)換器和正交調(diào)制器。同時(shí)，可編程邏輯器件PLD以其速度高、規(guī)模大、可編程，以及有強(qiáng)大的EDA (Electronic Design Automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件支持等優(yōu)點(diǎn)，也極大地推動(dòng)了DDS技術(shù)的發(fā)展。由于DDS的特點(diǎn)以及一些公司不斷推出的DDS芯片和產(chǎn)品，DDS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗和儀器儀表等領(lǐng)域。事物都具有兩面性。DDS的全數(shù)字結(jié)構(gòu)也給它帶來(lái)了兩個(gè)缺點(diǎn)，一個(gè)是輸出雜散較大，另一個(gè)是輸出帶寬受到限制。DDS有三個(gè)雜散源:相位截?cái)?、幅度量化和D/A轉(zhuǎn)換器的非理想特性。DDS輸出帶寬受限是由于數(shù)字器件的工作頻率不能很高以及DDS本質(zhì)上是一個(gè)分頻器引起的。為了克服DDS輸出雜散大的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)DDS輸出頻譜特性進(jìn)行了大量研究，HenryT .Ni cholas和HenryS amueli等人用誤差信號(hào)分析法來(lái)分析相位截?cái)嗾`差，他們建立了相位截?cái)嗾`差的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)論對(duì)相位截?cái)嗾`差的譜線(xiàn)位置和功率進(jìn)行了較為精確的研究。根據(jù)他們的研究結(jié)果，只要知道了相位累加器字長(zhǎng)、波形ROM地址線(xiàn)位數(shù)和頻率控制字，就可預(yù)測(cè)出相位截?cái)嗾`差的譜線(xiàn)位置和幅度。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法，分析了理想DDS的頻60結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出了相位誤差信號(hào)的譜函數(shù)并分析了其分布規(guī)律，得到了相位截?cái)鄺l件下DDS雜散分布的規(guī)律性。還有一種波形分析法，它根據(jù)DDS中相位累加器的周期性以及實(shí)際DDS的結(jié)構(gòu)，得到DDS輸出波形的數(shù)學(xué)描述，然后對(duì)得到的波形進(jìn)行Fourier級(jí)數(shù)分析。波形分析法簡(jiǎn)單、直接、計(jì)算量大，但借助于計(jì)算機(jī)和FFT技術(shù)這一分析方法還是相當(dāng)方便和有效的。在分析DDS輸出頻譜特性的基礎(chǔ)上提出了一些降低雜散功率的方法，歸納起來(lái)有三種。分別如下：第一種方法是優(yōu)化設(shè)計(jì)波形ROM和相位累加器，為了降低相位截?cái)嗾`差，需要增加波形ROM的地址線(xiàn)位數(shù)，但地址線(xiàn)位數(shù)增加一位，ROM的容量就要增加一倍，因此一味增加地址線(xiàn)位數(shù)是不切實(shí)際的，可以通過(guò)壓縮存儲(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)等效地增大ROM數(shù)據(jù)尋址位。最簡(jiǎn)單而直接的方法即只保存正弦波0, /2區(qū)間的數(shù)據(jù)，然后利用對(duì)稱(chēng)性來(lái)恢復(fù)其它象限的數(shù)值，這樣一來(lái)可得到4:1的數(shù)據(jù)壓縮比。對(duì)1/4周期正弦波數(shù)據(jù)的進(jìn)一步壓縮最早是利用三角函數(shù)的恒等變換，將一個(gè)大容量的ROM分成幾個(gè)小容量ROM數(shù)據(jù)并配合運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)要求正弦數(shù)值的近似。這些運(yùn)算包括正弦相差算法，由Sunderland提出的粗、細(xì)ROM結(jié)構(gòu)及其修改形式，其最高壓縮比為59:1。另有一種基于數(shù)字優(yōu)化的方法，可以根據(jù)實(shí)際參數(shù)優(yōu)化計(jì)算出粗、細(xì)ROM的容量及數(shù)據(jù)位數(shù)，其數(shù)據(jù)壓縮比可以達(dá)到128:1，這種方法已在DDS器件AD9955中得到了應(yīng)用。還有Taylor級(jí)數(shù)近似算法，Taylor級(jí)數(shù)近似是對(duì)正弦函數(shù)在某一點(diǎn)進(jìn)行Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)，取其前三項(xiàng)分別賦予不同的權(quán)值后存于三個(gè)ROM中，最后由運(yùn)算電路進(jìn)行合成，這種方法可得到64:1的壓縮比。第二種方法是用隨機(jī)抖動(dòng)法提高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，由于DDS的周期性，輸出雜散頻譜往往表現(xiàn)為離散頻譜，隨機(jī)抖動(dòng)技術(shù)使離散頻譜線(xiàn)均勻化，從而提高輸出頻譜的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。第三種方法是以過(guò)采樣的方法降低帶內(nèi)誤差功率，當(dāng)量化噪聲為白噪聲時(shí)其功率是均勻分布在0/2的頻帶內(nèi)的(是采樣頻率)，如果提高采樣頻率，則在原頻帶內(nèi)的噪聲功率將降低，通過(guò)低通濾波器后，帶外噪聲被濾除。為了提高DDS輸出頻率，一方面一些半導(dǎo)體公司利用目前最先進(jìn)的半導(dǎo)體集成技術(shù)不斷提高DDS芯片本身的工作頻率，另一方面很多學(xué)者和單位把DDS技術(shù)和其它方法組合起來(lái)以擴(kuò)展輸出頻率。例如當(dāng)輸出信號(hào)頻率高而帶寬較窄時(shí)，可以利用移相技術(shù)或混頻濾波法擴(kuò)展DDS輸出頻率。在組合式頻率合成技術(shù)中，DDS+PLL組合式頻率合成器是一種擴(kuò)展DDS頻率的有效方法，它兼顧DDS和PLL兩者的優(yōu)點(diǎn)。DDS+PLL組合方式分DDS激勵(lì)PLL的鎖相倍頻方式和PLL內(nèi)插DDS的方式。DDS 是一項(xiàng)充滿(mǎn)生命力的技術(shù)，其發(fā)展速度和應(yīng)用范圍之廣是驚人的，從七十年代到今天，西方國(guó)家從未間斷過(guò)對(duì)DDS技術(shù)及其應(yīng)用的研究，一批批成功的DDS芯片和DDS應(yīng)用產(chǎn)品正在逐步獲得國(guó)際市場(chǎng)的青睞。我國(guó)對(duì)DDS的研究剛剛起步，存在大量的艱巨工作要做，如精確分析DDS的雜散頻譜特性，研究DDS雜散功率降低方法以及擴(kuò)展DDS的輸出帶寬，以發(fā)揮其頻率分辨率高、頻率切換快、相位噪聲低和全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，使DDS技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。1.3 課題的目的與意義頻率合成器主要應(yīng)用在數(shù)字電視、頻率源、通信等領(lǐng)域，僅就數(shù)字電視而言，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)就十分巨大。由于我國(guó)數(shù)字電視業(yè)快速發(fā)展，數(shù)字電視IC 芯片需求發(fā)展很快。但是，由于頻率合成器的技術(shù)難度大，該類(lèi)產(chǎn)品幾乎全部依賴(lài)從國(guó)外進(jìn)口。國(guó)內(nèi)研究生產(chǎn)頻率合成器的單位不多，國(guó)內(nèi)巨大的頻率合成器市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷。另外，超高速分頻器廣泛應(yīng)用于數(shù)字電視、通信、航空航天、遙控遙測(cè)以及高速儀器儀表等采用頻率合成技術(shù)的領(lǐng)域。但是，從全球來(lái)看，隨著小型化系統(tǒng)化應(yīng)用的發(fā)展，單獨(dú)的分頻器的發(fā)展速度放慢，市場(chǎng)需求量減少，而對(duì)系統(tǒng)集成的頻率合成器的需求迅速增加，由于應(yīng)用與市場(chǎng)的牽引，相應(yīng)的鎖相環(huán)頻率合成器的發(fā)展很迅速，品種逐漸增多，價(jià)格逐漸降低。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)鎖相式頻率合成器的需求很大，許多原來(lái)采用分頻器的廠(chǎng)商大多轉(zhuǎn)向使用頻率合成器來(lái)設(shè)計(jì)整機(jī)系統(tǒng)。頻率合成器具有很大的市場(chǎng)。本文旨在熟悉直接數(shù)字頻率合成器的原理與應(yīng)用，學(xué)會(huì)制作的基本流程，熟悉相關(guān)知識(shí)，學(xué)習(xí)利用EDA技術(shù)和FPGA實(shí)現(xiàn)多功能直接數(shù)字頻率合成的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。2 直接數(shù)字頻率合成法的基礎(chǔ)與理論分析2.1 信號(hào)發(fā)生器的基礎(chǔ)2.1.1 信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)凡是產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的儀器，統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)源，也稱(chēng)為信號(hào)發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測(cè)電路所需特定參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)。在測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器是許多電子設(shè)備特別是測(cè)試設(shè)備必備的一部分，用以輸入基準(zhǔn)源信號(hào)給被測(cè)設(shè)備，通過(guò)接收被測(cè)設(shè)備返回的信息，來(lái)分析研究被檢測(cè)設(shè)備的情況。信號(hào)發(fā)生器可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類(lèi)。正弦信號(hào)是使用最廣泛的測(cè)試信號(hào)。這是因?yàn)楫a(chǎn)生正弦信號(hào)的方法比較簡(jiǎn)單，而且用正弦信號(hào)測(cè)量比較方便。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器和微波信號(hào)發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器（即信號(hào)源）、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器（輸出功率能準(zhǔn)確地衰減到-100分貝毫瓦以下）和功率信號(hào)發(fā)生器（輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號(hào)發(fā)生器、掃頻式信號(hào)發(fā)生器、程控式信號(hào)發(fā)生器和頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等。低頻信號(hào)發(fā)生器：包括音頻（20020000赫）和視頻（1赫10兆赫）范圍的正弦波發(fā)生器。主振級(jí)一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測(cè)試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。高頻信號(hào)發(fā)生器：頻率為 100千赫30兆赫的高頻、30300兆赫的甚高頻信號(hào)發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤(pán)刻度讀出。主要用途是測(cè)量各種接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號(hào)可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號(hào)調(diào)幅或調(diào)頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。微波信號(hào)發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢(shì)。儀器一般靠機(jī)械調(diào)諧腔體來(lái)改變頻率，每臺(tái)可覆蓋一個(gè)倍頻程左右，由腔體耦合出的信號(hào)功率一般可達(dá)10毫瓦以上。掃頻和程控信號(hào)發(fā)生器：掃頻信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線(xiàn)性變化的信號(hào)。掃頻信號(hào)發(fā)生器有自動(dòng)掃頻、手控、程控和遠(yuǎn)控等工作方式。頻率合成式信號(hào)發(fā)生器：這種發(fā)生器的信號(hào)不是由振蕩器直接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號(hào)，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達(dá)1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率源通過(guò)鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器（在環(huán)路中同時(shí)能實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻和混頻），使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號(hào)。這種合成器的最高頻率可達(dá)26.5吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調(diào)制功能（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構(gòu)成一種新型的高性能、可程控的合成式信號(hào)發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器：又稱(chēng)波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。對(duì)這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都可電控、程控、鎖定和掃頻，儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外，還能按鍵控、門(mén)控或觸發(fā)等方式工作。 脈沖信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線(xiàn)性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時(shí)級(jí)、脈沖形成級(jí)、輸出級(jí)和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類(lèi)的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號(hào)之后首先輸出一個(gè)前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀(guān)測(cè)儀器，然后再經(jīng)過(guò)一段可調(diào)節(jié)的延遲時(shí)間才輸出主信號(hào)脈沖，其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對(duì)的主脈沖或分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器：隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器分為噪聲信號(hào)發(fā)生器和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器兩類(lèi)。噪聲信號(hào)發(fā)生器： 完全隨機(jī)性信號(hào)是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。噪聲信號(hào)發(fā)生器主要用途是：在待測(cè)系統(tǒng)中引入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測(cè)定系統(tǒng)的性能；外加一個(gè)已知噪聲信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測(cè)定噪聲系數(shù)；用隨機(jī)信號(hào)代替正弦或脈沖信號(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號(hào)而測(cè)出網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)函數(shù)。偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器：用白噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測(cè)量時(shí)，若平均測(cè)量時(shí)間不夠長(zhǎng)，則會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，這可用偽隨機(jī)信號(hào)來(lái)解決。當(dāng)二進(jìn)制編碼信號(hào)的脈沖寬度T足夠小，且一個(gè)碼周期所含T個(gè)數(shù)N很大時(shí)，則在低于=1/T的頻帶內(nèi)信號(hào)頻譜的幅度均勻，稱(chēng)為偽隨機(jī)信號(hào)。只要所取的測(cè)量時(shí)間等于這種編碼信號(hào)周期的整數(shù)倍，便不會(huì)引入統(tǒng)計(jì)性誤差。二進(jìn)碼信號(hào)還能提供相關(guān)測(cè)量中所需的時(shí)間延遲。偽隨機(jī)編碼信號(hào)發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級(jí)移位寄存器組成，所產(chǎn)生的碼長(zhǎng)為 。最具有代表性的是m序列。2.1.2 ROM與波形數(shù)據(jù).從前1.1.3小節(jié)我們已知DDS的大致原理是：先將已經(jīng)數(shù)字化的正弦波(或三角波、方波)信號(hào)的幅度值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器ROM或RAM中，然后在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，通過(guò)控制電路按照一定的地址關(guān)系從ROM中讀出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。如果一個(gè)存儲(chǔ)器(這里以ROM為例)有n條地址線(xiàn)，則這個(gè)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間為。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)與波形的關(guān)系如圖2.1所示。假如在個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)存放了一個(gè)周期的正弦波形數(shù)據(jù)，則每個(gè)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)就表示正弦值的大小，這種存儲(chǔ)器稱(chēng)為波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。如果重復(fù)地從0- l單元讀出波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，在波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的輸出端就會(huì)得到周期的正弦序列，如果再將周期的正弦序列輸入到D/A轉(zhuǎn)換器，則會(huì)在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到連續(xù)的正弦波形。輸出正弦序列的周期是由讀取數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率決定的。設(shè)CLK為加于波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)鐘，該時(shí)鐘的周期為，則其頻率為。顯然，時(shí)鐘頻率越高,讀取波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)一個(gè)周期的數(shù)據(jù)所用的時(shí)間就越短，則D/A轉(zhuǎn)換器得到的正弦信號(hào)的頻率就越高。波形數(shù)據(jù)ROM波形數(shù)據(jù)0000000001 0000000011 0000000000 0000000001 時(shí)鐘尋址空間地址譯 碼圖2.1 存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)與波形的關(guān)系示意圖2.1.3 信號(hào)發(fā)生器的組成.如圖2. 2所示為很簡(jiǎn)單的一個(gè)波形發(fā)生器的系統(tǒng)組成，時(shí)鐘，輸入二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，生成波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器所需的地址信號(hào)，地址信號(hào)的產(chǎn)生頻率正比于時(shí)鐘頻率。計(jì)數(shù)器的輸出在0-1之間周而復(fù)始地變化，從而使波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸出周期的正弦序列，D/A轉(zhuǎn)換器則輸出連續(xù)的模擬正弦電壓波形。模擬波形輸出n位時(shí)鐘二進(jìn)制計(jì)數(shù)器波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器D/A轉(zhuǎn)換圖 2.2 波形發(fā)生器的系統(tǒng)組成圖2. 3是輸出的波形的頻率與時(shí)鐘頻率的關(guān)系圖，其數(shù)學(xué)表達(dá)式是 （2 - 1）t圖2.3 一周期的正弦波形與時(shí)鐘周期的關(guān)系知 ; 也即 （2 - 2）2.2 DDS的原理在實(shí)際問(wèn)題中，如果連續(xù)改變時(shí)鐘頻率的值，就可以得到一個(gè)頻率連續(xù)變化的周期信號(hào)。用LRC組成的雖然可以得到一個(gè)連續(xù)變化的時(shí)鐘，但其頻率穩(wěn)定性很不好，且不可能得到一個(gè)寬范圍變化的時(shí)鐘信號(hào)。如果用晶體振蕩器作為時(shí)鐘，可以得到穩(wěn)定度極高的時(shí)鐘，但又不能滿(mǎn)足頻率可變的要求。如圖2. 4所示的電路是傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖，由四個(gè)部分組成：計(jì)數(shù)器或地址發(fā)生器（這里為方便說(shuō)明選擇8位）、正弦信號(hào)數(shù)據(jù)ROM（8位地址線(xiàn)，8位數(shù)據(jù)線(xiàn)）含有256個(gè)8位數(shù)據(jù)（一個(gè)周期）、8位D/A時(shí)鐘CLK模擬波形輸出正弦數(shù)據(jù)ROM8位計(jì)數(shù)器(地址發(fā)生器)D/A轉(zhuǎn)換圖2. 4 正弦信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)的正弦信號(hào)發(fā)生器的數(shù)學(xué)方法是利用一片ROM和一片DAC，再加上地址發(fā)生計(jì)數(shù)器和寄存器即可。在ROM中，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)的單元的內(nèi)容（即是波形數(shù)據(jù)）都對(duì)應(yīng)正弦波的離散采樣值，ROM中必須包含完整的正弦波采樣值，而且還要避免在按照地址讀取ROM內(nèi)容是可能引起的不連續(xù)點(diǎn)，避免量化噪聲集中于基頻的諧波上。時(shí)鐘頻率輸入地址發(fā)生器和寄存器，地址計(jì)數(shù)器所選中的ROM的地址中的內(nèi)容被鎖入寄存器，寄存器的輸出經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，即由各個(gè)臺(tái)階重構(gòu)的正弦波，若相位精度n比較大，則重構(gòu)的正弦波經(jīng)適當(dāng)平滑后失真很小。當(dāng)發(fā)生變化，則D/A輸出的正弦波的頻率就隨之改變，并且輸出的正弦波信號(hào)的頻率的改變僅決定于的改變。我們可根據(jù)這個(gè)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整輸出頻率。為了使控制輸出頻率更加方便，可以采用相位累加器，使得輸出頻率正比于時(shí)鐘頻率和相位增量之積。圖2.5 為采用了相位累加器的直接數(shù)字合成系統(tǒng)，設(shè)正弦波的相位精度位n位，則其分辨率為，在通過(guò)時(shí)鐘頻率每次讀取相位圓周上個(gè)點(diǎn)，讀出ROM中所存儲(chǔ)的正弦波的振幅值，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換重構(gòu)正弦波，通過(guò)LPF（低通濾波器）濾波。同步寄存器相位字N位N位正弦數(shù)據(jù)ROM同步寄存器MMD/AN頻率字寄存器相位調(diào)制器CLK系統(tǒng)時(shí)鐘相位累加器圖2.5 采用了相位累加器的直接數(shù)字合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖相位累加器的作用是在讀取數(shù)字相位圓周上各點(diǎn)時(shí)可以每間隔M個(gè)點(diǎn)讀取一個(gè)數(shù)值，M位圖2.5 的頻率字。則在D/A輸出端所得的正弦波頻率是 （2 - 3）通常式（2 - 3）中的n取值在2432之間，由表2.1 相位累加器位寬和采樣點(diǎn)關(guān)系可知，相位分辨率至少是1/16777216，也即相當(dāng)于度。相位增量值可預(yù)置，通過(guò)相位累加器，選取ROM的地址時(shí)可間隔選通。相位寄存器輸出的位數(shù)一般取1016位，也即是截?cái)嗍降姆椒?，這樣可以減少ROM的容量。 表2.1 相位累加器位寬和采樣點(diǎn)關(guān)系 相位寄存器增量 M相位累加器寬度采樣點(diǎn)數(shù)82561240961665536201048576241677721628268435456324294967296圖2.5所示的DDS基本原理：系統(tǒng)時(shí)鐘可來(lái)自PLL提供，使得DDS的各種部件同步工作。DDS的相位累加器由一個(gè)N位長(zhǎng)的二進(jìn)制加法器和一個(gè)由時(shí)鐘的采樣的N位寄存器組成，作用是對(duì)頻率控制字線(xiàn)性累加。波形存儲(chǔ)器ROM中存儲(chǔ)的是波形查詢(xún)碼，對(duì)應(yīng)的是不同相位碼輸出的波形幅度編碼。相位控制字是對(duì)輸出頻率字的偏移（也即是相位調(diào)制），相位調(diào)制器輸出輸出的序列對(duì)波形存儲(chǔ)尋址，得到波形幅度編碼，該波形幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到對(duì)應(yīng)的階梯波形，再經(jīng)過(guò)LPF平滑濾波后可得到所需的模擬波形。相位累加器在系統(tǒng)時(shí)鐘作用下，進(jìn)行線(xiàn)性相位累加，當(dāng)相位累加器加滿(mǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溢出，這樣就完成了一次循環(huán)，輸出了一個(gè)周期波形。2.3 DDS的時(shí)域分析設(shè)有一頻率為f的正弦信號(hào)S(t)： （2 - 4）現(xiàn)以采樣頻率對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，得到離散序列為: n=0,1,2. （2 -5）其中，為采樣周期。式（2-5）對(duì)應(yīng)的相位為： n=0,1,2. （2 - 6）顯然可知該相位序列的顯著特性是線(xiàn)性變化的，即相鄰樣值之間的相位增量是一常數(shù)，且僅與信號(hào)頻率f有關(guān)，相位增量為 n=0,1,2. （2 - 7）從前面分析式（2-3）可知，我們希望得到的信號(hào)的頻率是與參考頻率滿(mǎn)足以下關(guān)系： (M,P均為正整數(shù)) （2 - 8）那么式（2-7）又可以改寫(xiě)為： （2 - 9）由上式知，若將的相位均勻量化為M等份，則頻率為的正弦信號(hào)以頻率采樣后，其量化序列的樣本之間的量化相位增量為一不變的值P。 那么，根據(jù)以上原理，如果我們用不變量