1、基于 FPGA 的 DDS 波形发生器 姓名 :张怡 专业班级 :电子 2班 指导教师 :易诗 摘 要 波形发生器己成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，代表了波形发生器的发展方向。随着科技的发展，对波形发生器各方面的要求越来越高。近年来 , 直接数字频率合成器（ DDS ）由于其具有频率分辨率高、频率变换速度快、相位可连续变化等特点 , 在数字通信系统中已被广泛采用而成为现代频率合成技术中的佼佼者。现场可编程门阵列（ FPGA ）设计灵活、速度快，在数字专用集成电路的设计中得到了广泛的应用，由于现场可编程门阵列 (FPGA具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现
2、 DDS 技术，极大的提高波形发生器的性能，降低生产成本。在现代电子器件 , 通信技术 , 医学成像 , 无线 PCS/ PCN系统 , 雷达 , 卫星通信中，具有很广泛的应用。 本文首先介绍了 DDS 波形发生器的研究背景和 DDS 的理论。然后详尽地叙述了在以 FPGA 芯片为主的硬件平台上设计，编程实现一个 DDS 信号源，并产生不同通信中用到的调制信号 (ASK， FSK ， PSK, 最后通过 JTAG 方式将产生的三种调制信号数据传送到电脑上 , 借助 Quartus2软件中的嵌入式逻辑仪对结果进行观察与分析。通过分析结果表明，本设计达到了预定的要求，证明了采用软硬结合的方式，结合
3、 DDS 技术，通过对 FPGA 的编程实现产生多种波形（如 ASK ， FSK ，PSK ）的 DDS 的方法是可行的。 关键词：直接数字频率合成 DDS 现场可编程门阵列 FPGA 波形发生器 DDS waveform generator based on FPGA Abstract: Waveform generator has become a modern field test one of the most widely used general-purpose equipment, on behalf of the waveform generator development.
4、With the development of technology in all aspects of the waveform generators have become increasingly demanding. In recent years, direct digital synthesizers (DDS has a frequency resolution because of its high-frequency conversion speed, continuous changes in the phase characteristics in digital com
5、munication systems have been widely used in modern frequency synthesis technology to become the leader in . Field-programmable gate array (FPGA design flexibility, high speed, in digital ASIC design has been widely used, due to field-programmable gate array (FPGA with high integration, high-speed, l
6、arge capacity memory can be realized functional characteristics, can effectively achieve DDS technology, which greatly improve the performance of waveform generator and reduce production costs. This paper introduces the DDS waveform generator of the research background and DDS theory. Then introduce
7、 a detailed design based on FPGA, programming a DDS signal source, and produce different modulation signals used in communication, such as ASK,FSK,PSK. The last sending the three kind of modulation signals to computer by serial communication, then using Quartus2 software embedded logic analyzer on t
8、he results of observation and analysis. By analyzing the results, it show that the design meets the requirements intended to. And Proved that using Flex way to programming the FPGA to produce a variety of waveforms (such as ASK, FSK, PSK of DDS is feasible. Keywords ： DDS FPGA Waveform Generator 目录
9、第 1章 前言 . 1 1.1课题背景 . 1 1.2国内外波形发生器发展现状 . 1 1.2.1波形发生器的发展现状 . 1 1.2.2国内外波形发生器产品比较 . 2 1.2.3研究波形发生器的目的及意义 . 2 1.3本文研究主要内容 . 2 本章小结 . 2 第 2章 DDS 波形发生器理论介绍 . 3 2.1 频率合成技术 . 3 2.1.1频率合成技术发展与分类 . 3 2.1.2频率合成技术指标 . 4 2.1.3频率合成的技术现状 . 5 2.2 DDS基本原理与特点 . 6 2.2.1 DDS基本原理 . 6 2.2.2 DDS优点 . 7 2.2.3 DDS缺点 . 7 本
10、章小结 . 7 第 3章 数字调制信号介绍 . 8 3.1概述 . 8 3.2调制方式 . 8 3.3 ASK幅移键控 . . 9 3.4 PSK相移键控 . 10 3.5 FSK 频移键控 . 11 本章小 结 . 11 第四章 开发平台介绍 . 12 4.1 硬件平台 FPGA 介绍 . 12 4.1.1 FPGA简介 . 12 4.1.2 FPGA工作原理 . 12 4.1.3 本系统所用开发板简介 . 13 4.2 软件平台 Quartus II介绍 . 14 本章小结 . 14 第 5章 系统实现 . 15 5.1电路整体设计 . 15 5.2 PLL模块 . 16 5.2.1 PL
11、L背景简介 . 16 5.2.2 本系统中的 PLL 模块 . 16 5.3 异步串口模块 . 18 5.3.1 背景介绍 . 18 5.3.2 本系统中的异步串口模块 . 18 5.4 NCO模块 . 19 5.4.1 NCO背景介绍 . 19 5.4.2 本系统中的 NCO 模块 . 19 5.5 用户自定义模块 . 20 5.5.1 ASK/PSK选择模块 . 20 5.5.2 FSK选择模块 . 21 5.6 电路运行结果分析 . 22 本章小结 . 23 总结 . 24 致谢 . 25 参考文献 . 26 成都理工大学 2011届本科毕业设计（论文） 第 1章 前言 1.1课题背景
12、在频率合成领域中 , 直接数字合成 (Direct Digital Synthesizer ，简称： DDS 是近年来新的技术 , 它从相位的角度出发直接合成所需波形。 它是由美国人 J.Tierncy 首先提出来的 , 是一种以数字信号处理理论为基础 , 从相位概念出发直接合成所需 波形的一种新的全数字技术的频率合成方法。 其电路系统具有较高的频率分辨率 , 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。但限于当时的技术和工艺水平， DDS 技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。近 30年来，随着超大规模集成、现场可编
13、程门阵列 (Field Programmable Gate Array，简称： FPGA 、复杂可编程器件(Complex programmable Logic Device，简称： CPLD 等技术的出现以及对 DDS 理论上的进一步探讨，使得 DDS 技术得到了飞速的发展。它已广泛应用于通讯、雷达、遥控测试、电子对抗、以及现代化的仪器仪表工业等许多领域。 波形发生器即通常所说的信号发生器是一种常用的信号源，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。不论是在生产还是在科研与教学上，波形发生器都是电子工程师信号仿真
14、试验的最佳工具。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波 形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。而传统波形发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活，已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。 1.2国内外波形发生器发展现状 1.2.1波形发生器的发展现状 在 70年代前，信号发生器主要有两
15、类：正弦波和脉冲波。这个时期的波形发生器多采用 模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。在 70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、 A/D和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90年代末，出现几种真正高性能、高价格的波形发生器、但是 HP 公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生 软件组成。 HP8770
16、A 实际上也只能产生 8种波形，而且价格昂贵。 到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz 的 DDS 芯片，同时也推动了波形发生器的发展， 2003年， Agilent 的产品33220A 能够产生 17种波形，最高频率可达到 20M ， 2005年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz 。 1.2.2国内外波形发生器产品比较 早在 1978年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz ，可 以形成 256点 (存储长度 波形数据，垂直分辨率为 8bit ，主要用于振动、医
17、疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近 30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 1.2.3研究波形发生器的目的及意义 波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号 (各种波形 ，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信 号源在各种实验应用和试验测试处理中，它的应用非常广泛。 目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。就
18、目前国内的成熟产品来看，多为一些 PC 仪器插卡，独立的仪器和 VXI 系统的模块很少，并且我国目前在波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。 1.3本文研究主要内容 本文的主要内容如下： 1. 对 DDS 的原理、特点及输出特性进行研究、分析； 2. 根据 DDS 原理和特点，利用 FPGA 开发 DDS 模块 3. 结合 DDS 模块，通过串口配置产生通信调制中的 ASK ， FSK ， PSK 信号 4. 将产生的调制信号传送至电脑，借助 Quartus2软件中的嵌入式逻辑仪对结果进行观察与分析。 本章小结 本章首先对课题研究背景作了介
19、绍，然后对波形发生器的国内外现状、国内外波形发生器的产品比较、研究的目的、意义作的详细的介绍。最后对本文研究的内容进行了简介的介绍。 第 2章 DDS 波形发生器理论介绍 2.1 频率合成技术 2.1.1频率合成技术发展与分类 频率合成就是以一个或几个参考源为基准，产生多个频率的过程。频率 合成技术是近代通信系统的重要组成部分，在无线电技术与电子系统的各个领域中得到广泛的应用。各种新型的频率合成器和频率合成方案还在不断涌现，现在己达到比较成熟的阶段。目前频率合成主要有三种方法 :直接模拟合成法 (Direct simulation Frequeneysynthesis 、锁相环合成法 (Pha
20、se-locked loop Frequeney synthesis 即 PLL 和直接数字合成法 (Direet Digital Frequeney Synthesis。直接模拟合成法利用倍频 (乘法 、分频 (除 法 、混频 (加法与减法 及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需频率。直接频率合成中，基准信号通过脉冲形成电路，产生谐波丰富的窄脉冲。该方法频率转换时间短 (小于 IOOns ，用这种方法合成的频率范围将受到限制，更重要的是由于采用大量的倍频，混频，分频，滤波等装置，使得频率合成器不仅带来了庞大的体积和重量，而且输出的谐波，噪声及寄生频率都难以抑制，目前己基本不被采用。 锁相
21、环合成法通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算。该方法结构简单、便于集成，且频谱纯度高，目前使用比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于小步进频率合成技术中。 1972年 J. 五 emey 和 e.M. 几 der 等人首次提出了 DDS 的概念， DDS 或 DDFS 是 Direct Digital Frequency synthesis的简称通常将此视为第三代频率合成技术。它突破了前两种频率合成法的原理，从 “相位 ”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，还可以用 DDS 方法产生任意波形，它是把一系列数字量形式的
22、信号通过 DAC 转换成模拟量形式的信号的合成技术。 通过回顾频率合成技 术的发展，我们可以总结出各自的性能特点。直接式频率合成的输出信号有相干和非相干两种，可达微秒、亚微秒级的频率切换速度直接式频率合成技术的主要特色，相噪低也是它的优点。但直接式频率合成器电路结构复杂，体积大，成本较高，研制调试一般比较困难，由于采用了大量的混频、滤波电路，直接式频综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。 PLL 频率合成利用了相位反馈控制原理来稳频，在对频率切速度要求不高，但对相噪、杂散有较高要求时， PLL 频率合成仪 81有特殊的优势。 PLL 式频综输出的频率分辨率越高 时，
23、其频率切换速度就越慢。如果要提高切换速度就必须牺牲分辨率，这是 PLL 的工作机理所致，无法通过性能优化来解决。 DDS 的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力，但也正是全数字结构使 DDS 有两点不足 :输出带宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的限制，特别是数 /模转换器 DAC 的限制，使得 DDS 工作的时钟频率较低，输出带宽窄。 随着电子技术的发展，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、快速变频、高频率分辨率、宽带、小体积、低功耗等指标。由上面分析可知，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。实际上，
24、由于三种方式各有优劣，完全可以利用优势互补，所以产生了混合式频率合成技术。其中 DDS 与 PLL 频率合成混合应用最为广泛，基本原理就是利用 DDS 的输出作为 PLL 的参考输入，来解决频率分辨率和相噪的矛盾。但是 PLL 在频率转换时需要一定的捕获时间，这个捕获时间与环路的类型、参数和跳频的步长有关。所以 DDS+PLL式频综的频率切换时间取决于PLL 。然后通过高速 DAC 产生已经用数字形式存入的正弦波。 DDS 作为一种先进的信号产生技 术已经广泛应用于各个领域，如信号源仪器，测量分析仪器，通讯，数字信号处理，工业控制，软件无线电等。 2.1.2频率合成技术指标 所谓频率合成技术是
25、指以一个或者多个高精确度和高稳定度的频率参考信号源为基准，在某一频段内，综合产生多个工作频率点的技术。频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段，在通信、雷达、导航、广播电视、电子侦察、电子干扰与反干扰及现代仪器仪表中有着广泛的应用。依据频率合成原理制成的频率源称为频率合成器。对频率合成器的基本要求是既要合成所需频率，又要保证信号的纯净。综合来看，衡量频率合成器的主 要性能指标有： （ 1）输出频率范围 指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。 （ 2）频率稳定度 频率稳定度是指在规定的时间间隔内，频率合成器的实际输出频率与频率标定值偏差的数值，可分为长期、短期和瞬时稳定度。 （ 3）频率分辨率
