直接数字频率合成器的设计与分析.docx
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直接数字频率合成器的设计与分析
直接数字频率合成器的设计与分析
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。
本文提出了符合FPGA结构的DDS设计方案并利用MAXPLUSⅡ软件在ACEX1K系列器件上进行了实现,详细的介绍了本次设计的具体实现过程和方法,将现场可编程逻辑器件FPGA和DDS技术相结合,具体的体现了基于VHDL语言的灵活设计和修改方式是对传统频率合成实现方法的一次重要改进。
FPGA器件作为系统控制的核心,其灵活的现场可更改性,可再配置能力,对系统的各种改进非常方便,在不更改硬件电路的基础上还可以进一步提高系统的性能。
文章给出仿真结果,经过验证本设计能够达到其预期性能指标。
关键词:
直接数字频率合成器硬件描述语言现场可编程门阵列
Abstract
TheDDS(DirectDigitalFrequencySynthesis)techniqueadoptsfull-digitalsynthesismethods.Thegeneratedsignalshaveadvantagesofhighfrequencyresolutions,fastfrequencyswitching,continuousphasewhilefrequencyswitching,lownoisephaseandbeingabletogeneratearbitrarywaveforms.
Inthiswork,DDSschemebasedonFPGAstructureareproposed,andthenimplementedinACEX1KseriesFPGAusingMAXPLUSⅡtoolthepaperintroducedtheconcreteimplementationprocess,thiswayassociatesDDSwithfieldprogrammablegatearray(FPGA)technology,thewaybasedonVHDLisflexibleindesigningandmodifying,whichisaimportantinnovationtothetraditionsynthesizeway,FPGAdevicecontrolcoreassystem,itsflexiblescenecanaltering,candisposeabilityagain,veryconvenienttovariouskindsofimprovementofthesystem,canalsoimprovesystematicperformancefurtheronthebasisofalteringhardwarecircuit,attheendofpaper,theauthordisplayssimulationresult,afterverification,thedesignmeetsthedemandoforiginaldefinition.
Keywords:
DDS,FPGA,VHDL
前言
频率合成就是将具有低相位噪声、高精度和高稳定度等综合指标的参
考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算,从而产生大量具有同样精确度的频率源。
实现频率合成的电路叫频率合成器,频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。
在通信、雷达和导航等设备中,频率合成器既是发射机的激励信号源,又是接收机的木地振荡器;在电子对抗设备中,它可以作为干扰信号发生器;在测试设备中,可作为标准信号源,因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。
频率合成技术起源于二十世纪30年代,至今己有六十多年的历史。
早期的频率合成器是由一组晶体组成的晶体振荡器,要输出多少个频率点,就需要多少个晶体,频率的切换由人工来完成,频率的准确度和稳定度主要由晶体来决定,很少与电路有关。
随着频率合成技术的发展,上述合成法被一种叫做非相干合成的频率合成方法所代替,非相干合成法虽然也使用晶体,但它的工作方式是以少量的品体产生许多频率。
它与早期的合成法相比,成本降低了,而稳定性提高了。
但是研制山多块开关晶体所组成的品体振荡器是一个非常复杂的任务,且成本高、不经济,从而人们提出了相干合成法。
相干合成法就是由一个准确度和稳定度达到要求的参考源产生许多频率的方法。
它和非相干合成法的主要区别就是在频率合成的过程中所使用的频率源的数目不同。
非相千合成用了许多晶体振荡器,而相干合成只使用了一个参考频率源。
因此,在相干合成装置中,输出频率的稳定度和准确度与参考源相同。
1绪论
直接数字频率合成技术(DirectDigitalFrequencySynthesis,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。
1.1课题背景
在一些电子设备的电路板检测中,往往需要频率、幅度都能由计算机自动调节的信号源,采用诸如MAX038信号发生器芯片外加电阻及切换等器件虽然也能调节频率和幅度,但这种调节是离散的,且电路复杂,使用不方便。
而采用直接数字合成芯片DDS及外加D/A转换芯片构成的可控信号源,可产生正弦波、调频波、幅度波、调幅波及方波等,并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制,调节非常方便。
另外,随着21世纪的到来,人类正在跨入信息时代。
现代通信系统的发展方向是功能更强,体积更小,速度更快,功耗更低。
而大规模可编程器件CPLD/FPGA在集成度、功能和速度上的优势正好满足通信系统的这些要求。
所以今天无论是民用的移动电话、程控交换机、集群电台、广播发射机和调制解调器,还是军用的雷达设备、图形处理仪器、遥控检测设备、加密通信机中,都已广泛地使用大规模可编程器件。
用于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点,数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子系统的重要标志。
电子系统的集成化,不仅可使系统的体积小、重量轻,更重要的是可使系统的可靠性大大提高。
因此,自集成电路问世以来,集成规模便以10倍/6年的速度增长。
从20世纪90年代处以来,电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。
为满足个人电脑。
无绳电话和高速数据传输设备的发展需要,电子厂商们越加迫切地追求电子产品的高功能、优品质、成本低、微功耗和微小封装尺寸。
为达到此目标,必须采用少量的IC器件使面积尽可能小。
1.2频率合成的发展状况
频率合成器是电子系统的心脏,是决定电子系统性能的关键设备。
随着现代无线电通信事业的发展,移动通信雷达制导武器和电子对抗等系统对频率合成器提出越来越高的要求。
低相噪高纯频谱和高速捷变的频率合成器一直是频率合成技术发展的主要目标,DDS技术的发展将有力地推动这一目标的实现。
频率合成技术从30年代发展到现在已经进入成熟阶段。
目前最常用的频率合成方案有两种直接混频级联法和数字锁相环法。
由于数字集成电路的迅猛发展,集成合成器和数字计算技术频率合成方案大量涌现大规模集成电路的应用又为数字技术的方案提供了广阔的前景。
从频率合成技术的发展过程看频率合成的方法主要有三种:
(1)由Finden首先提出的最早的合成方法称为直接频率合成,它是使基准信号通过脉冲形成电路来产生丰富谐波脉冲,随后通过混频、分频、倍频和带通滤波器完成频率的变换和组合,以产生我们需要的大量离散频率从而实现频率合成。
其合成方法大致可以分为两种基本类型:
一种是所谓非相关合成方法;另一类是所谓相关合成方法。
这两种合成方法的主要区别在于所使用的参考频率源的数目不同。
非相关合成方法使用多个晶体参考频率源,所需的各种频率分别由这些参考频率源提供。
它的缺点在于制作具有相同频率稳定性和精度的多个晶体参考频率源既复杂又困难,而且成本高。
相关合成器方法只使用一个晶体参考频率源,所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到,因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样,现在大多数直接频率合成技术都使用这种合成方法。
直接频率合成能实现快速频率变换和几乎任意高的频率分辨率,但直接频率合成比另外两种合成方法使用多的多的硬件设备,而且很难抑制因非线性而引入的杂波干扰,因而难以达到较高的杂波抑制度。
(2)锁相频率合成是应用模拟或数字锁相环路得到间接频率合成。
它被称为第二代频率合成技术。
早期的合成器使用模拟锁相环,后来又出现了全数字锁相环和数模混合的锁相环。
数字鉴相器、分频器加模拟环路滤波压控振荡器的混合锁相环是目前最为普遍的PLL组成方式。
与直接频率合成不同的是,锁相频率合成的系统分析重点放在PLL的跟踪、噪声、捕捉性能和稳定性的研究上,不放在组合频率的抑制上。
它的优点是电路频率输出范围宽,电路结构简单,成本低。
缺点是由于它采用闭环控制的,系统的输出频率改变后,重新达到稳定的时间也比较长,反应慢。
所以锁相环频率合成器有非常低的频率分辨率和转换率。
(3)直接数字频率合成(DDS)。
为了取得更快的频率转换速度,随着数字技术的发展,人们重新想到了直接合成法,出现了直接数字频率合成器DDS,导致了第二次频率合成技术的飞跃,它是用数字计算机和数模变换器来产生信号。
该技术出现于七十年代,从而揭开了频率合成技术发展的新篇章,标志着频率合成技术买进了第三代。
DDS技术是首先将相位以极小的间隔离散化,计算出正弦信号对应于这些相位的幅度值,形成一个幅度相位表,并存储于DDS器件的ROM中。
DDS工作时利用数字方式累加相位得到信号在该时刻的相位值,然后按一定的相位幅度转换算法在DDS的ROM中查表得到信号在该时刻的幅度值,最后将信号通过D/A变换和低通滤波器形成模拟正弦波或存储波形的频率合成技术。
1.3DDS的优点与缺点
直接数字频率合成是一种比较新颖的频率合成方法。
随着科学技术的日益发展这种频率合成方法也越来越体现出它的优越性来。
DDS是一种全数字化的频率合成方法。
DDS频率合成器主要由频率寄存器、相位累加器、波形ROM,D/A转换器和低通滤波器组成。
在系统时钟一定的情况下,输出频率决定于频率寄存器中的频率字。
而相位累加器的字长决定了分辨率。
基于这样的结构DDS频率合成器具有以下优点:
(1)频率分辨率高,输出频点多,可达个频点(假设DDS相位累加器的字长是N);
(2)频率切换速度快,可达us量级;(3)频率切换时相位连续;(4)可以输出宽带正交信号;(5)输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用;(6)可以产生任意波形;(7)全数字化实现,便于集成,体积小,重量轻。
虽然DDS有很多优点但也有其固有的缺点:
(1)杂散抑制差这是DDS的一个主要的缺点。
由于DDS一般采用了相位截断技术,它的直接后果是给DDS的输出信号引入了杂散。
(2)工作频带受限。
(3)相位噪声性能与其它频率合成器相比,DDS的全数字结构使得相位噪声不能获得很高的指标,DDS的相位噪声主要有参考时钟信号的性质参考时钟的频率与输出频率之间的关系,以及器件本身的噪声基底决定。
1.4DDS的发展前景
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
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