基于FPGA和MTLAB的DDS正弦信号发生器设计报告

I摘要DDS是一种新型的频率合成技术，具有较高的的频率分辨率，可以实现快速的频率切换，并且在改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。因此，在现代电子系统及设备的频率设计中，尤其在通信领域，直接数字频率合成器的应用尤为广泛。本课程设计的主要内容是利用QuartusII9.0中的FPGA直接设计DDS。以及以MATLAB09a的Simulink为设计平台、以DSPBuilder为中间媒介、而将QuartusII作为底层设计工具置于后台设计DDS。且第二种设计途径最大程度地发挥了各种工具的优势。关键词：DDS;QuartusII9.0;FPGA;MATLAB09a;Simulink;DSPBuilderII目录1绪论…………………………………………………………………………………………11.1DDS研究的目的和意义……………………………………………………………11.2国内研究现状………………………………………………………………………11.3研究思路和方法……………………………………………………………………42相关理论……………………………………………………………………………………52.1DDS理论……………………………………………………………………………52.2相关器件FPGA……………………………………………………………………73系统分析与设计……………………………………………………………………………93.1总体设计……………………………………………………………………………93.2各模块设计…………………………………………………………………………94硬件设计………………………………………………………………………………114.1实体设计……………………………………………………………………………114.2子系统设计…………………………………………………………………………125软件设计……………………………………………………………………………………175.1流程图设计…………………………………………………………………………175.2程序设计……………………………………………………………………………185.3QuartusII直接调用DSPBuilder生成的VHDL文件……………………………226仿真调试及结果分析………………………………………………………………………256.1仿真调试……………………………………………………………………………256.2仿真结果分析………………………………………………………………………267结论………………………………………………………………………………………28致谢…………………………………………………………………………………………29参考文献……………………………………………………………………………………30沈阳理工大学装备工学院综合课程设计说明书1第1章绪论1.1DDS研究的目的和意义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[1]。1.2国内外研究现状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的间接频率合成。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。它是在40沈阳理工大学装备工学院综合课程设计说明书2年代初根据控制理论的线性伺服环路发展起来的，最早用于电视机的扫描同步电路，以减少噪声对同步的影响，从而使电视的同步性得到重大改进。它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。锁相环频率合成技术提供了一种从单个参考频率获得大量稳定而准确的输出频率的方法，并且频率输出范围宽，电路结构简单，成本低。但是锁相环频率合成技术也有它的问题，例如响应慢就是它的固有缺点。由于它是采取闭环控制的，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也比较长。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迈进了第三代。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。近年来随着VLSI技术的进步，这种结构独特的频率合成技术得到了充分的发展。同传统的频率合成技术相比，由于DDS主要通过简单的加法、查表等数字信号处理得到所需信号，因此它具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、易实现对输出信号的多种调制、全数字化便于集成等诸多优点，使得DDS具有广阔的应用前景。尽管1971年Tierney就第一次提出了DDS的概念，但DDS的大发展及产品化是九十年代以来的事情。特别是随着当前EDA技术的发展，为DDS的实现提供了更多种实现方式。除此之外，由于DDS是利用查表法来产生波形的，所以它也适用于任意波形发生器，这是DDS技术另一个非常重要的应用。由于输出带宽窄和杂散抑制差一直是限制DDS发展的主要因素，所以研究高工作时钟频率和优越杂散性能的DDS芯片成为DDS技术的另一个发展方向。采用GaAs技术输出频率可以在400MHz以上，但是输出带宽的逐步克服并没有解决杂散的问题，通常只能达到-40到-50dBc。而一般的CMOS工艺的DDS芯片可达到-70到-90dBc，但输出的频率又不高，当采用倍频或变频提高其工作频率时又会使杂散恶化。因此，如何抑制杂散仍然是高速DDS急需解决的问题。DDS设计的目标是在未来几年内研究出直接应用雨微波频沈阳理工大学装备工学院综合课程设计说明书3段的DDS芯片，并且杂散抑制在90dB以上。（4）为了拓宽频率合成器输出信号的频率，一种典型的频率合成器称为混合式频率合成器（HybridFrequencySynthesis）应运而生，就是将直接数字频率合成（DDS）与传统的锁相频率合成器（PLL）混合应用，基本原理就是有DDS的输出作为PLL的参考输入，利用DDS较小的频率步进来保证较小的输出频率间隔，而用PLL的宽频带特性来保证频率覆盖范围，还可以选用较高的参考信号频率来加快合成器频率转换时间，且设计简单，容易实现。但是PLL的加入使得系统失去了DDS快速捷变的特点。使得输出频率步长与跳变速度成为一对矛盾。为解决这一矛盾的探索工作已在一些文献中提到。由上可见，各类电子系统对信号源的要求越来越高，需要同时满足低相噪、快捷变频、高频率分辨率、宽带、小体积、低功耗等指标。由上面的分析可知，虽然这三种频率合成方式都可以在某些指标上获得理想的效果，但没有一种方式可以满足所有的技术要求，因此，如何能最大限度的实现这些参数成为研究的热门课题。目前市场上性能优越的DDS芯片层出不穷，Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230等，其中Q2368的时钟频率130MHz、分辨率0.03Hz、杂散-76dBc，变频时间0.1s，Q2230，时钟频率85MHz，频率间隔0.02Hz，频率转换时间0.1s，Sciteq公司推出了系列化DDS产品，其中ADS-431，时钟频率1.6GHz，可正交输出，分辨率1Hz，杂散-45dBc，变频时间30ns；美国stanford公司的STEL-2171,GaAs电路，时钟1GHz，转换时间0.25s，美国AnalogDevice公司也相继推出了他们的DDS系列AD9850、AD9851可以实现线性调频的AD9852，两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS产品全部内置了D/A变换器，称为Complete-DDS，其中AD9854时钟频率300MHz，近端杂散抑制优于-80dBc，远端优于-48dBc，相位噪声-148dBc/Hz在10kHz，频率跳变速度130ns，频率分辨率1Hz，是目前市场上性能价格比较高的DDS器件之一。国内恽小华教授，采用超高速的累加器、存储器、DAC等研究的DDS频率转换时间达0.1s。由于DDS的诸多优点，它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面，它可以用来实现FSK，QPSK，8PSK等调制。在雷达频率源方面，它可以实现多点，窄步长，高相噪的频率源以及线性调频频率源。在扩频通信方面，可实现CDMA/FH工作方式以及任意规律的调频模式。所以，研究DDS在各个领域的应用以及实现是一个非常有意义和前途的课题。沈阳理工大学装备工学院综合课程设计说明书41.3研究思路和方法（1）基于FPGA的DDS设计：基于FPGA的DDS信号发生器电路充分利用FPGA器件的快速性、外设的替代性，采用数字技术，通过对三种波形输出进行控制，包括幅度控制和频率控制电压的控制，通过DAC0832转换输出、并将频率与幅度的大小送LCD显示等功能。同时对三种波形进行编辑。对键盘进行扫描判断，进入相应的功能程序。在各功能程序中，执行相应内容，将控制字送到DAC0832进行转换，从而对模拟波形的幅度进行控制，再经过放大输出。同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性[2]。（2）MATLAB、DSPBuilder和QuartusII3个工具软件联合开发的设计[3]利用DSPBuilder来完成基于EDA技术的复杂数字系统设计来完成基于EDA技术复杂数字系统设计的一个好处是，从系统建模表述、各级仿真，到硬件系统实现，直至硬件系统的测试，都可以不涉及任何硬件描述语言。整个设计过程中，对于硬件描述语言的生成和处理都在后台进行。Al