毕业设计论文--基于fpga的dds波形发生器设计

毕业设计论文--基于fpga的dds波形发生器设计内容摘要：

z 频率分辨率 10mHz 同时还具有 AMFMPMSSBBPSKFSK 碎发 DTMFGeneration 和 DTMFDeteetion 的功能 除了在仪器中的应用外 DDS 在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途通过 DDS 可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如频移键控 FSK 二进制相移键控 BPsK 和正交相移键控 QPSK DDS 可以产生两路相位严格正交的信号在正交调制和解调中的到广泛应 用是一中很好的本振源 在雷达中通过 DDS和 PLL相结合可以产生毫米波线性调频信号 DDS移相精度高频率捷变快和发射波形可捷变等优点在雷达系统中也可得到很好的发挥 22 DDS 基本原理与特点 DDS 基本原理 直接数字式频率合成 DDS 技术是近年来随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术数字频率合成器是一种数字控制的锁相倍频器其输出频率是基准频率的整数倍通过频率选择开关改变分频比来控制压控振荡器的输出信号频率 图 21 DDS 基本原理框图 相位累加器由 N位加法器与 N位累加寄存器 级联构成结构如图 22所示每来一个时钟脉冲加法器就将频率控制字 K 与累加器输出的累加相位数据相加把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加这样相位累加器在时钟脉冲作用下不断地对频率控制字进行线性相位累加由此可以看出相位累加器在每一个时钟脉冲输入时把频率控制字累加一次相位累加器输出的数据就是合成信号的相位相位累加器溢出的频率就是 DDS 的输出的信号频率用相位累加器输出的数据作为波形存储 器 ROM 的相位取样地址这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值二进制编码经查找表查出完成相位到幅值的转换相位累加器在基准时钟的作用下进行线形相位累加当 N位相位累加器累加 N次后就会产生一次溢出这样就完成了一个周期这个周期也就是 DDS 信号的频率周期 由于 DDS 的模块化结构其输出波形由波形查找表中的数据来决定因此只需改变查找表中的数据就能很方便地利用 DDS 产生以及通信中用到的各种调制信号 DDS 优点 l 输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为 50fs 理论值 实际输出带宽仍可达到 40fs 2 频率转换时 间短 频率时间等于频率控制字的传输时间也就是一个时钟周期的时间时钟频率越高转换时间越短 DDS 的转换时间可达纳微秒级数量级比使用其他的频率合成方法都要短数个数量级 3 频率分辨率高 若时钟 fs 的频率不变 DDS 的频率分辨率就是由相位累加器的位数 N 决定只要增加相位累加器的位数 N即可获得任意小的频率分辨率目前大多数 DDS的分辨率在 1Hz 数量级许多小于 1mHz 甚至更小 4 相位变化连续 改变 DDS 输出频率实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量相位函数的曲线是连续的只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变因而保持了信号 相位的连续 5 输出波形的灵活性 只要在 DDS 内部加上相应控制如调频控制 FM 调相控制 PM 和调幅控制 AM 即可以方便灵活实现调频调频和调幅等功能产生 FSKPSKASKMSK 等信号另外只要在DDS 的波形存储器存放不同波形数据就可以实现各种波形的输出如三角波锯齿波和矩形波甚至是任意波形当 DDS 的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时即可得到正交的两路输出 DDS 缺点 l 输出带宽范围有限 由于 DDS 内部 DAC 和波形存储器 ROM 的工作速度有限使得 DDS 输出的最高频率有限目前市场上采用 CMOSTTLEcL 工艺制作的 DDS 芯片工作频率一般在几十MHz 至 400MHz 左右采用 GaAS 工艺的 DDS 芯片工作频率可达 2GHz 以上 2 输出散杂大 由于 DDS 采用全数字结构不可避免地引入了散杂其来源主要由三个相位累加器相位舍入误差造成的散杂幅度量化误差造成的散杂和 DAC 非理想特性造成的散杂 本章小结 本章首先介绍了频率合成技术的发展分类以及频率合成中的技术指标简单地介绍了直接数字频率合成技术的现状及应用紧接着详细地介绍了 DDS 的工作原理和各主要组成部分的功能与基本结构最后介绍了 DDS 的优缺点 数字调制信号介绍 31 概 述 图 31 利用 DDS 技术产生调制信号原理图 如图 31所示为利用 DDS技术产生调制信号的原理图产生的调制信号将供给系统进行测试 NCO 的主要作用是储存波形数据在频率控制字及 PN 序列的控制下从 NCO 里取出波形最终利用 DDS 技术产生所需要的调制信号供测试 32 调制方式 数字调制就是将数字符号变成适合于信道传输的波形所用载波一般是余弦信号调制信号为数字基带信号利用基带信号去控制载波的某个参数就完成了调制 调制的方法主要是通过改变余弦波的幅度相位或频率来传送信息其基本原理是把数据信号寄生在载波的上述三个参 数中的一个上即用数据信号来进行幅度调制频率调制或相位调制数字信号只有几个离散值因此调制后的载波参数也只有有限个值类似于用数字信息控制开关从几个具有不同参量的独立振荡源中选择参量为此把数字信号的调制方式称为键控数字调制分为调幅调相和调频三类分别对应幅移键控 ASK相移键控 PSK和频移键控 FSK三种数字调制方式在幅移键控方式中当 1出现时接通振幅为 A的载波 0出现时关断载波这相当于将原基带信号脉冲列频谱搬到了载波的两侧如果用改变载波频率的方法来传送二进制符号就是频移键控的方法当 1出现时是低频 0出现时是高频这时其频谱可 以看成码列对低频载波的开关键控加上码列的反码对高频载波的开关键控如果用 0和 1 来改变载波的相位则称为相移键控这时在比特周期的边缘出现相位的跳变但在间隔中部保留了相位信息接收端解调通常在其中心点附近进行一般来说PSK系统的性能要比开关键控 FSK系统好但必须使用同步检波调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制其基本公式 St Acosωtψ 3 1 St的参量包括幅度 A频率ω初相位ψ调制就是要使 Aω或ψ随数字基带信号的变化而变化其中 ASK 调制方式是用载波的两个不同振幅表示 0 和 1FSK 调制方式是用载波的两个不同频率表示 0和 1而 PSK调制方式是用载波的起始相位的变化表示 0 和 1 根据传输信号是二进制信号还是多进制信号和对载波的哪个参数进行调制可以把数字频带传输分为二进制振幅键控 2ASK 二 进 制 频 移 键 控 2FSK 二进制相移键控 2PSK 除上面所述的二相位二频率和二幅度系统外还可以采用各种多相位多振幅和多频率的方案在 DVB 系统 中卫星传输采用 QPSK 有线传输采用QAM 方式地面传输采用 COFDM 编码正交频分复用方式但 ASKPSK 和 FSK 这三种数字调制方式仍是最主要的本论文设计的 DDS 也是以产生这三种调制信号并进行验证分析为主要内容所以接下来分别介绍下 ASKPSKFSK 这三种调制信号 33 ASK 幅移键控 幅移键控又称为振幅键控记为 ASK 也有称为开关键控通断键控的所以又记作 OOK信号 ASK是一种相对简单的调制方式幅移键控 ASK相当于模拟信号中的调幅只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已幅移就是把频率相位作为常量而把振幅作为变量信息比特 是通过载波的幅度来传递的二进制振幅键控 2ASK 由于调制信号只有 0或 1两个电平相乘的结果相当于将载频关断或者接通它的实际意义是当调制的数字信号为 1时传输载波当调制的数字信号为 0时不传输载波原理如图 32 所示其中 st 为基带矩形脉冲一般载波信号用余弦信号而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘就可以把频谱搬移到载波频率附近实现 2ASK 实现后的 2ASK波形如图 33 所示 图 32 ASK 调制原理 图 33 输出后的 2ASK 波形 如图 33 所示为 ASK 仿真的输 出波形二进制码为 1 时输出载波二进制码为 0时不输出载波 34 PSK 相移键控 在 PSK 调制时载波的相位随调制信号状态不同而改变如果两个频率相同的载波同时开始振荡这两个频率同时达到正最大值同时达到零值同时达到负最大值此时它们就处于同相状态如果一个达到正最大值时另一个达到负最大值则称为反相一般把信号振荡一次一周作为 360 度如果一个波比另一个波相差半个周期我们说两个波的相位差 180度也就是反相当传输数字信号时 1码控制发 0度相位 0码控制发 180度相位 PSK相移键控调制技术在数据传输中尤其是在中速和中高速的数传 机 2400bits～ 4800bits 中得到了广泛的应用相移键控有很好的抗干扰性 在有衰落的信道中也能获得很好的效果我们主要讨论二相和四相调相在实际应用中还有八相及十六相调相 PSK也可分为二进制 PSK2PSK或 BITSK和多进制 PSKMPSK在这种调制技术中载波相位只有 0和π两种取值分别对应于调制信号的 0和 1传 1信号时发起始相位为π的载波当传 0信号时发起始相位为 0的载波 2PSK 的调制原理如图 34 所示。