文档介绍：基于FPGA的DDS正弦波信号源设计
目录
一、频率合成技术概述及DDS性能特点 4
(一) 频率合成技术概述 4
(二) DDS特点 5
二、DDS基本原理 6
(一) 波形存储器基本原理 6
(二) DDS基本原理 6
(三) DDS设计中的参数选择 8
(四) 小结 8
三、DDS的VHDL语言实现 9
(一) EDA技术与VHDL语言 9
(二) DDS的FPGA实现方法 10
(三) 开发平台 10
(四) 基本DDS的VHDL实现与仿真 10
四、提高输出频谱纯度的方法与实验验证 14
(一) DDS的频谱纯度提高方法简述 14
(二) 相位随机抖动原理与VHDL实现 15
(三) 频谱纯度提高的实验验证 20
五、程序下载及硬件调试 20
(一) FPGA的配置和下载 20
(二) 调试与程序固化 21
六、结束语 21
七、致谢 22
参考文献 22
附录 23
(一) 各组成模块的VHDL程序 23
基于FPGA的DDS正弦波信号源设计
一、频率合成技术概述及DDS性能特点
(一) 频率合成技术概述
频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线形运算,产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。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。它在很多领域都有很广泛的应用。如在通信、雷达、导航、遥控摇测、电子对抗、以及现代化的仪器仪表的领域,都可以看到频率合成器的身影,由于它应用领域的广泛,所以人们对它进行了深入的研究。到现在为止,已经发展到了第三代频率合成技术。
随着电子技术的不断发展,对频率合成器的要求越来越高,频率合成器的主要性能指标有:
1. 输出频率范围
频率范围是指频率合成器输出最低频率和输出最高频率之间的变化范围,它包含中心频率和带宽两个方面的含义。
频率稳定度是指在规定时间间隔内,频率合成器输出频率偏离标定值的数值,它分长期,短期和瞬间稳定度三种。
频率间隔是指两个输出频率的最小间隔,也称频率分辨率。
频率转化时间是指输出由一个频率转换到另一个频率的时间。
频率纯度以杂散分量和相位噪声来衡量。杂散又称寄生信号,分为谐波分量和非谐波分量两种。主要由频率合成过程中的非线形失真产生;相位噪声是衡量输出信号抖动大小的参数。
调制性能是指频率合成器的输出是否具有调幅、调频、调相等功能。
频率合成器的实现方法有三种:直接模拟频率合成、间接频率合成和直接数字频率合成。
直接模拟频率合成技术是一种早期的频率合成技术,它用一个或几个参考频率源经谐波发生器变成一系列谐波,再经混频、分频、倍频和滤波等处理产生大量的离散频率。这种方法的优点是频率转换时间短、相位噪声低,但是由于采用大量的混频、分频、倍频和滤波等途径,使频率合成器的体积大,成本高,结构复杂,容易产生杂散分量,且难于抑制。
间接频率合成技术又称锁相式频率合成,它是利用锁相技术实现频率的加、减、乘、除。其优点是由于锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器,因此能很好地选择所需频率的信号,抑制杂散分量,且避免了大量使用滤波器,十分有利于集成化和小型化。此外,一个设计良好的压控振荡器具有高的短期频率稳定性,而标准频率源具有高的长期频率稳定度,锁相式频率合成器把这两者结合在一起,使其合成信号的长期频率稳定度和短期频率稳定度都很高。但锁相式频率合成器的频率转换时间较长,单环频率合成器的频率间隔不可能做得很小。
直接数字频率合成(DDS——Digital Direct Frequency Synthesis)技术是一种全新的频率合成方法,是频率合成技术的一次革命。这种技术首先由美国学者J .Tierny,,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。随着微电子技术的迅速发展,直接数字频率合成(DDS
——Digital Direct Frequency Synthesis)得到了飞速发展,它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面,并具有极高的性价比。
(二) DDS特点
DDS是一种全数字化的频率合成器,由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。时钟频率给定后,输出信号的频率取决于频率控制字,频率分辨率取决于累加器位数,相位分辨率取决于ROM的地址线位数,幅度量化噪