DDS信号发生器设计[文献综述].doc

1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 DDS 信号发生器设计 摘要： 频率合成技术广泛的运用与通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥控遥测、仪器仪表、航空航天等各领域。本文概述了 DDS 技术的定义、意义以及其应用领域，阐述了频率合成技术的发展历程，并详细介绍了 DDS 技术的工作原理，列出了 DDS 技术的关键指标，总结了 DDS 发生器的基本结构，并对三种方法实现 DDS 做了分析。 关键字： DDS； FPGA； DAC；滤波。 1、 DDS 技术概述 1.1 DDS 的定义 DDS，即直接数字频率合成，是 从相位概念 出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。直接

2、数字频率合成技术以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速 D A变换器产生所需的数字波形(通常是正弦波形 )，这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。 1.2 DDS 技术的应用 频率合成技术广泛的运用与通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥控遥测、仪器仪表、航空航天等各领域。目前，常用的频率合成技术有直接频率合成、间接频率合成（锁相频率合成）、直接数字频率合成（ DDS）和混合式频率合成技术。 1.3 DDS 技术产 生的意义 DDS具有诸多优点，如频率切换时间短、频率分辨率高、相位变换连续、低相位噪声和低漂移。早期的频率合成技术由于合成频

3、率范围有限，且不能单片集成，日益不能满足现实生活即军事上的运用。随 IC制造技术的进展，特别是CMOS，把先进的 DSP算法和结构结合起来给作为调制器、解调器、本机振荡器，可编程时钟发生器和线性调频发生器的复杂通信和信号处理子系统提供了可用的单片 DDS，专用 DDS芯片采用了特定工艺，内部数字信号抖动很小，输出信号2 的质量高。然而在某些场合，由于专用的 DDS芯片的控制方式是固定的，故在工作方式 、频率控制等方面与系统的要求差距很大，这时如果用高性能的 FPGA器件设计符合自己需要的 DDS电路就是一个很好的解决方法，它的可重配置性结构能方便的实现各种复杂的调制功能，具有很好的实用性和灵活

4、性。 1.4 DDS 技术发展 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。比如在雷达运用方面，其信号要求具有 频率捷变、波形参数捷变以及自适应跳频的能力。传统的频率合成技术已经无法满足要求，直接数字合成技术（ DDS）的出现与发展给各个领域带来福音。 频率合成 技术最早出现于 20 世纪 30 年代，它是通过将参考频率源倍频、分频、混频来得到所需频率，但由于它频率范围有限，且不能单片集成，而被渐渐淘汰。 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

5、产生所需的各种频率点。 得益于集成电路的发展，出现了第二代频率合成技术 锁相式频率合成技术，它由压控振荡器、可变分频器及鉴相器组成。到 1971 年， J.Tierney，C.M.Rader 和 B.Gold 发表的论文 A Digital Frequency Synthesizer，这奠定了全新的频率合成技术思想，他们提出以全数字技术从相位概念出发，直接合成所需频率的一种新理念，即直接数字频率合成（ DDS）。它完全不同于直接式和间接式（ PLL）频率合成，因为他是全数字处理的，他输出的频率、相位和幅度能在数字处理器控制下精确而快速的变化，其他特征包括极微小的频率调谐和相位分辨率，以及在两个

6、频率之间的“跳跃”能力，这些特征在高端技术和军事技术，如雷达中已成为普遍运用技术。 2、 DDS 的工作原理 DDS 是从相位概念出发，直接对参考正弦信号进行抽样，得到不同的相位然 后通过数字技术产生对于的电压幅度，最后滤波平滑输出。一个单音信号可以表示为 ： u(t)=Asin(2 f0t+ 0) （ 1） 为了方便研究，设 A=1， 0=0；即 3 u(t)=sin2 f0t 对上式信号进行采样，采样周期为 Tc，则离散波形为 ： u(n)=sin(2 f0nTc) (n=0,1,2,3 .) （ 2） 其离散相位序列为： (n)=2 f0nTc= *n (n=0,1,2,3 .) （ 3

7、） 式中 =2 f0Tc=2 f0/fc （ 4） 是连续两次采样之间的相位增量，根据采样定理有 ： f01/2fc （ 5） 只要满足上式，就能唯一恢复出原信号。从式 (4)可以发现，只要控制相位增量就能控制输出频率。将整个周期 2分成 M 份，若每次相位增量为 K 份，则。 f0=K*fc/M （ 6） 相应的模拟信号为 ： u(t)=sin(2 *K*fc*t/M) (7) K 与 M 都为正整数，且根据采样定理， K 应小于 M 的 1/2。综上，只要采样频率一定，就可以通过控制相位增量来控制输出频率。 图 1 DDS 工作原理 3、 DDS 主要技术指标 3.1 频率范围指标 频率范

8、围是指合成器在满足一定技术条件下的最低输出频率和最高输出频率所确定的范围，通常用带宽来表示，频率范围是合成器重要的技术指标。 3.2 频率间隔 每个离散频率之间的最小间隔称为频率间隔，也称频率分辨率，不同的场合要求不同的分辨率，有 100Hz、 10Hz、 1Hz，甚至 0.1Hz。 4 3.3 频率转换时间 从发出频率转换指 令开始，到频率转换完毕，并进入允许的相位误差范围所需要的时间称为频率转换时间。 对于变容管调谐的电压控制振荡器来说其转换时间在 ns量级。直接式频率合成器的转换速度取决于各部分电路的响应时间，一般放大、混频、倍频、分频电路和速度是很快的，主要限制来自电路中的滤波器以及控

9、制电路的响应时间。总之，直接式频率合成器的频率转换时间容易达到 1 2微秒。 3.4 谐波抑制和杂散抑制 谐波是与输出信号有想干关系的信号，在频谱上反映为信号频率 F的整倍数频率处的单根谱线，谐波功率与载波功率之比称为谐波抑制。 杂散系指和输出信号没有谐 波关系的一些无用谱。在频谱上可能表现为着干对称边带，也可能表现为信号频率 F谱线旁存在的非谐波关系的离散单根诺线。这些谱线的幅度一般都高于噪声。杂散抑制就是指与载波频率成非谐波关系的离散频谱功率与载波功率之比。 3.5 长期频率稳定度 频率合成器在规定条件下，在一定时间内工作频率下相对变化，称为长期稳定度。 4 DDS 信号发生器的基本结构

10、DDS 是通过数字直接合成的，而我们需要的信号是模拟信号，所以， DDS系统主要包括以下三个模块： 1、数字波形的产生模块，该模块主要根据 DDS 技术原理，通过相关数字信号处理，产 生离散的波形数据流。 2、 DAC 模块，由于实际需要的是模拟信号，故需要将所得到的离散信号经过 DA 器件，得到连续的模拟信号。 3、滤波模块，虽然经过 DA 后，已经产生了模拟信号，但这时候的信号往往有一定的阶梯状，不够平滑，滤波模块主要将信号平滑处理，得到跟完美的波形。其结构图如下图 2 所示： 5 图 2 DDS 信号发生器结构图 5、 DDS 信号发生器的实现 5.1 基于单片机及外部储存设备的 DDS

11、 实现 该方案比较简单，主要由单片机，外部存储器， DAC 电路和滤波电路组成。在外部存储器中预先存入波形系数，单片机读取外部存储 器的数据并将数据送给DAC 电路，最终经过平滑滤波得到最终的信号。其中频率控制可以通过单片机的定时器来实现，调幅可以通过后级放大电路来实现，系统方案如下图所示： 图 3 单片机实现 DDS 系统 5.2 基于专用 DDS 芯片的 DDS 实现 随着 DDS 技术与 IC 技术的发展， DDS 芯片产商将 DSP 算法与结构结合起来集成与单片芯片中，这种芯片高度集成化，无需或仅需要极少的外界原件支持，便于实现全数字控制，使用方便，但这样的芯片一般价格很高。 采样单片

12、 DDS 芯片一般需要一个主控制器，作 为整个系统的控制模块，读取输入设备的值，根据输入控制 DDS 模块输出相应的波形，控制显示模块显示相关信息等，令整个系统协调工作。系统框图如下图 4 所示。 图 4 基于专用 DDS 芯片的 DDS 实现 5.3 基于可编程逻辑器件（ FPGA）实现 DDS DDS 技术存在的意义是其具有高速、高性能的特点，可编程逻辑器件速度快、规模大、现场可编程，且有强大的 EDA 软件支持，非常的合适用来实现 DDS系统的数字部分。由于硬件并行结构的特点，能大大提高速度，如果嵌入软核6 CPU，则能更方便的实现控制，该方法系统结构如下图 5 所示。 图 5 FPGA

13、 实现 DDS 系统 基于 MCU 与单片 DDS 芯片实现的系统，局限于 MCU 的速度不高，且单片DDS 芯片已经固化了相应的功能，不能适应各种工作需要，所以灵活性不够。而基于 FPGA 的 DDS 信号系统，得益于 FPGA 的高速，现场可编程等优点，能很好的适应各种工作环境，且电路简单（相比方案 1），所以用 FPGA 实现 DDS系统更适合。 6、 总结 频率合成技术已经经历了大半个世纪，但直至今天人们还在研究它，现在已经可以开发出 1G 的 DDS 系统，在集成的单片 DDS 成品上，信噪比可达到 75的 dB 以上，已经达到锁相频率合 成的一般水平。 DDS 的广泛运用，以及各个

14、领域对信号越来越高的要求，都促进了 DDS 的发展，我相信，随着电子技术的发现，将出现更高速的 DDS 芯片即更有效的实现系统。 参考文献 1 刘晨 ,王森章 .直接数字频率合成器的设计及 FPGA 实现 J.微电子与计算机 ,2004,21(5)： 63-65 . 2 戴逸民 .频率合成与锁相技术 M.合肥 :中国科学技术大学出版社 ,1995. 3 徐志军 ,徐光辉 .CPLD FPGA 的开发与应用 M.北京 :电子工业出版社，2002. 4 潘松 ,黄继业著 .EDA 技术实用 教程 M.北京 :科学出版社 ,2002. 5 白居宪 .直接数字频率合成 M.西安 :西安交通大学出版社

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