基于FPGA的DDS信号发生器设计.docx
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基于FPGA的DDS信号发生器设计
基于FPGA的DDS信号发生器设计
摘要
信号源作为一种基本电子设备,广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。
直接数字频率合成技术(DDS)作为一种新的频率合成技术,在数字通信系统中被广泛采用,具有较高的频率分辨率,可以实现频率快速切换,并且在频率改变时能保持相位的连续,很容易实现频率、相位和幅度的数字调制。
可编程逻辑器件具有器件规模大、工作速度快及可编程的硬件特点,非常适合用来实现DDS。
本文介绍DDS的基本原理,在理解DDS原理的基础上,利用现代DSP技术设计基本方法,采用Altera公司的FPGA开发工具DSPBuilder对基本DDS建模并进行算法仿真,用ModelSim进行功能仿真及QuartusII作时序仿真,设计频率、相位及幅度均可数控调制的DDS信号,并由该DDS模块实现数字移相信号发生器。
在硬件实现中,选取Altera公司的FPGA芯片EP1C3T144C8作为核心器件,配以必要的外围控制电路和数模转换电路,来实现基本DDS信号和数字移相信号。
基于FPGA芯片的相移合成信号源的设计与实现,该信号源的主要功能是实现输出信号相位的移动。
并采用直接数字频率合成技术来完成该信号源设计的整体思路。
关键词现场可编程门阵列,直接数字合成器,信号源,DDS信号,数字移相信号
ABSTRACT
Asbasicelectronicequipment,signalsourceiswidelyusedinthedomainsofmeasurementandcontrolofaeronauticsandastronautics,communicationsystem,electroniccountermeasure,electronicmeasurementandscientificresearchetc.
DirectDigitalFrequencySynthesis(DDS)adoptsanewtechniqueoffrequencysynthesis,whichiswidelyappliedindigitalcommunicationsystem,whichhashighfrequencyresolutionwhichmayrealizethefrequencyfastcut,maintainthephasecontinualandbeveryeasilytorealizedigitalmodulationoffrequency,phaseandamplitude.Theprogrammablelogicaldevicehasbigscale,quickworkingspeedandisprogrammablewhichisextremelysuitablyusedtorealizeDDS.
ThisthesisintroducedDDS’sprinciple,usedthebasicmethodofmodernDSPtechniquedesignbasedonunderstandingthebasictheoryofDDS.ThebasicDDSisdesignedandarithmeticsimulatedbasedonDSPBuilderofFPGAofCorporationAltera.ItisfunctionalitysimulatedwithModelSimandtime-seriessimulatedwithQuartusII.DesignDDSsignalgeneratorwhosefrequency,phaseandamplitudemaydigitalcontrolmodulation,andtheDigitalPhaseShiftSignalGenerator(DPSSG)isimplementedusingtheDDSmodule.
Inimplementhardwarepart,theEP1C3T144C8ofCorporationAlteraischosenasthemainchip.DistributingnecessarytherealizationofperipheralcircuitsandtheDACcircuits,itiswillimplementthebasicDDSsignalandtheDPSSG.
ThedesignandrealizationofsignalsourcewithphaseshiftandsynthesizingbasedonFPGA.Themainfunctionofthesignalsourceistorealizethephaseshiftofoutputwaveform.AndthesisgivesthewholeschemeofcompletingthedesignofthesignalsourcebyusingDDS.
KeywordsFieldProgrammableGateArray,DirectDigitalFrequencySynthesis,signalsource,DDSsignal,DigitalPhaseShiftGenerator
1绪论
1.1信号源概述
从宏观上测量仪器可分为两大类,即激励和检测。
其中各类信号源属于激励仪器一类。
信号源能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号,广泛应用于电子测量、电力工程、工业控制、故障诊断和教学科研等多方面,是电子工程师们进行研究开发和生产产品过程中的必备仪器之一。
信号源从用途上可分为通用信号源和专用信号源两大类。
专用信号源仅适用于某些特殊测量需要,如电视信号源、编码脉冲信号源。
通用信号源包括:
正弦信号源,脉冲信号源,函数信号源,高频信号源,噪声信号源。
信号源常有三方面的用途:
(1)激励源,作为某些电器设备的激励信号,如激励扬声器发出声音。
(2)信号仿真,当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受的影响时,需要施加具有与实际环境相同特性的信号,加高频干扰信号,这时就需要对干扰信号进行仿真。
(3)校准源,用于对一般信号源进行校准或比对,有时称为标准源。
上世纪四十年代,惠普为海军研究试验室开发了第一台信号发生器,从而使得人们便可以使用可控的信号发生器对设备进行比较全面和准确地测量,信号发生器也在测试测量方面发挥出日益重要的作用。
电子技术和计算机技术的发展推动着信号源的不断发展,信号源经历了从模拟式信号源到数字式信号源的发展过程。
上世纪七十年代以前,信号源的设计采用的是模拟电子技术,产生正弦波、方波和三角波等几种简单的波形,较大的缺点,使得输出波形的幅度稳定性较差。
电路结构复杂,仅能产生由于模拟电路存在漂移较大的缺点,使得输出波形的幅度稳定性较差。
同时模拟电路存在着尺寸大,成本高和功耗大等缺点,而且要产生复杂的波形信号时电路会更复杂。
七十年代以后,数字电路在信号源的设计中得到广泛的应用,信号源采用的是数字电子技术。
随着微处理器的出现,信号源也开始从完全地由分立元器件搭建发展为以微处理器为核心的集成系统。
信号源产生的波形种类也丰富起来,频带大大增加,通用性也得到了提高。
伴随着信号源的发展,作为其重要功能之一的移相技术也得到了改进和发展,所谓移相是指两路同频的信号,以其中一路为参考,另一路相对于该参考信号作超前或滞后的移动,即称为是相位的移动。
两路信号的相位不同,便存在相位差,即相差。
若将一个信号周期看作是360°,则相差的范围就在0—360°。
要实现移相,通常有两个实现途径:
一是直接对模拟信号进行移相,如RC移相、LC移相、变压器移相等,采用这种方式的移相技术有许多不足之处,如:
输出波形受输入波形的影响,移相操作不方便,移相角度随所接负载和时间等因素的影响而产生漂移等。
另一个是随着电子技术和计算机技术的发展而兴起的数字移相技术,是目前移相技术的潮流,数字移相技术的核心是,先将模拟信号或移相角数字化,形成一张数据表,将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值,通过D/A转换芯片连续循环地读出该数据表的数据并还原成模拟信号。
本文所采用的直接数字频率合成技术(DDS-DirectDigitalfrequencySynthesis)中移相的实现正是属于数字移相技术。
1.2本文研究意义及主要内容
信号源是许多电子设备特别是测试设备必备的一部分,通过线缆用以输入基准信号给被测设备,来分析研究被测设备的性能状况。
它广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。
目前市场上低频信号源大都采用正弦信号源,价格较便宜,但是波形单一且功能较少,有时不能满足实际需要,而产生波形丰富,功能较多的信号源价格则较昂贵。
大多数情况下,都是以牺牲价格为代价来满足实际需要。
因此,为了满足实际研制工作的需要,
研制一种低成本,但功能上,性能指标上都能达到实际要求的信号源产品是很有意义的。
在测量与仪器仪表领域,经常需要数字移相信号发生器,即存在相位差的两路同频信号,它目前已经广泛用于船舶、航空、检测等各行各业。
通常采用移相网络来实现,如阻容移相、变压器移相等,采用这些方法输出波形受输入波形影响大,移相操作不方便,移相角度受信号频率和所接负载等因素影响。
目前,对于信号源的设计大多都是采用数字技术,而其中,直接数字频率合成技术便是其中新兴的频率合成技术。
它具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成等优点,在信号源的研究设计中正在发挥着日益重要的作用,而本课题所设计的相移合成信号源的各项功能均可通过该技术得到实现。
本信号源的主要功能在于相位差的实现,并在此基础上完成指定信号的合成输出,且其输出频率属于低频段,幅度可调。
FPGA是20世纪90年代发展起来的大规模可编程逻辑器件,随着EDA技术和微电子技术的进步,FPGA的时钟延迟可达到纳秒级,结合其并行工作方式,在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景,并且FPGA具有高集成度、高可靠性,几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中,实现片上系统(SOC)。
本文的主要研究内容是在理解DDS原理及了解DDS应用的基础上,利用现代DSP技术设计基本方法,采用基于FPGA和DDS技术,利用DSPBuilder设计基本DDS信号和数字移相信号发生器,并用ModelSim进行功能仿真和QuartusII作时序仿真,以验证设计的正确性和可行性。
输出两路频率相同、相位差精确可调的正弦信号,并且频率及相位能够快速切换。
采用直接数字频率合成技术设计数字移相信号发生器,能得到频率及相位精确可调的信号且实现方便,并能实现幅度的可调。
避免用VHDL语言设计数字移相信号的复杂性,且比传统用单片机实现数字移相信号发生器更简单和快捷。
1.3论文内容工作安排
本文对数字移相信号发生器的设计和实现,从理论分析到实际软硬件设计都进行了详细地阐述。
各章内容安排如下:
第一章阐述了信号源的发展概况,介绍了本课题所研究意义及主要内容。
第二章详细介绍了直接数字频率合成技术的工作原理,并对DDS的杂散进行了详细讨论,同时给出了抑制杂散信号的方法。
第三章介绍了EDA技术的发展,详细介绍了FPGA的结构和设计,同时对设计过程中涉及到的常用设计工具和QuartusII作了介绍。
第四章介绍了现代DSP技术、DSP实现方案及设计流程和DSPBuilder及其设计流程。
第五章详细给出了本设计的核心功能模块DDS建模设计与仿真分析,并对数字移相信号发生器建模设计与仿真结果分析。
第六章详细给出了相移合成信号源的硬件实现部分,系统硬件结构图,并对所选FPGA芯片的结构和资源配置。
第七章对全文所作的工作进行了总结。
2直接数字频率合成的基本理论
2.1频率合成技术综述
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,它是指以一个或多个参考频率源为基准,在某一频段内,综合产生并输出多个工作频率点的过程。
基于此原理制成的频率源称为频率合成器,简称频综。
频率合成技术是现代通讯电子系统实现高性能指标的关键技术之一,它在无线电技术的各个领域中都得到了广泛的应用,例如在通信、雷达、导航、干扰抗干扰、卫星通信、遥测
遥控、广播电视及现代测量仪器仪表中都有应用。
频率合成技术起源于上世纪三十年代,早期的频率合成器由一组晶体组成的晶体振荡器,要输出多少个频率点,就需要多少个晶体。
频率的切换由人工来完成,频率的准确度和稳定度主要由晶体来决定,很少与电路有关。
后来,这种合成的方法被非相干合成的方法所代替。
非相干合成法虽然也使用了晶体,但它的工作方式是用少量的晶体产生许多频率,与早期的合成方法相比,成本降低了,而稳定性提高了。
随后,科学家们又提出了相干合成法,它与非相干合成法主要的区别就是在频率合成的过程中只使用了一个频率源,这样就进一步降低了研制成本,提高了输出频率的稳定度和准确度。
最早的相干合成法是由Finden首先提出的直接频率合成(DirectFrequencySynthesis),它利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器由参考频率源经加、减、乘、除等数学运算直接组合出所需要的频率,从而实现频率合成。
不过,直接合成也可以用多个基准源,通过上述方式得到所需的频率。
直接频率合成能实现快速频率变换,几乎任意高的频率分辨力和低相位噪声,使之在频率合成领域占中有重要地位,但因直接式频率合成器杂散多,体积大,研究复杂,成本及功耗也令人不可接受,故该方案己基本被淘汰。
在直接频率合成之后出现了用模拟或数字锁相环路的间接频率合成,间接频率合成包括模拟间接频率合成(注入锁相、模拟环路锁相、取样锁相),锁频环频率合成,数字锁相频率合成。
这种方法主要是将相位反馈原理和锁相技术应用于频率合成过程中。
它的最常用的合成方法是锁相环PLL(Phase-LockedLoop)频率合成,被称为第二代频率合成技术。
现在最常用的是数模混合的锁相环,即数字鉴相器、分频器、环路滤波器和压控振荡器的组成方式。
因具有相噪低、杂散抑制好、输出频率高、价格便宜等优点至今仍在频率合成领域中占有重要地位。
目前己有许多性价比较高的单片PLL频率合成器面市,典型的有ADI公司的ADF4000系列、Motorola公司的MC145191、NationalSemiconductor公司的LMX2325、LMX2332、LMX2335等,这些都极大地推动了基于锁相环的频率合成技术的应用。
随着数字信号理论和超大规模集成电路VLSI的发展,在频率合成领域诞生了一种革命性的技术,那就是七十年代出现的直接数字频率合成DDS(DirectDigitalfrequencySynthesis),它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。
1971年3月,J.Tierney和C.M.Tader等人首先提出了DDS的概念:
利用数字方式累加相位,再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列,最后经D/A变换得到模拟正弦波输出。
DDS由于具有极高的频率分辨率,极快的变频速度,变频相位连续,相噪较低,易于功能扩展和全数字化便于集成等优点,因此在短短的二十多年里得到了飞速的发展和广泛的应用。
2.2直接数字频率的原理及特点
DDS(DirectDigitalfrequencySynthesis)即直接数字频率合成器,是一种新型的频率合成技术,具有较高的频率分辨率,快速的频率切换,稳定性好,可灵活产生多种信号的优点。
因此,在现代电子系统及设备的频率源设计中,尤其在通信领域,直接数字频率合成器的应用越来越广泛。
在数字化的调制解调模块中。
DDS取代了VCO(模拟的压控振荡器),被大量应用。
这种合成技术是一种利用数字技术来控制信号的相位增量的技术,它采用插值取样的方式,将要合成的正弦波波形用若干个采样点的取值来代替,然后依次等时间间隔输出这些取值,每个采样点的值由预先存储的数字值经D/A转换后得到。
2.2.1DDS的结构原理
对于正弦信号发生器,它的输出可以用下式来描述:
式(2.1)
其中
是指该信号发生器的输出信号波形,
指输出信号对应的频率。
上式的表述对于时间t是连续的,为了用数字逻辑实现该表达式,必须进行离散化处理。
用基准时钟
进行抽样,令正弦信号的相位:
式(2.2)在一个
周期
内,相位的变化量为:
式(2.3)
其中
指基准时钟频率,对于
,可以理解成“满”相位。
为了
对进行数字量化,把切割成2N份,由此,每个
周期的相位增量可用量化值来表述为
式(2.4)且
为整数。
与式(2.3)式联立,可得:
式(2.5)信号发生器的输出可描述为:
式(2.6)
其中,
指前一个clock周期的相位值,同样可以得出:
式(2.7)由上面的推导可以看出,只要对相位的量化值进行简单的累加运算,就可以得到正弦信号的当前相位值;而用于累加的相位增量量化值
决定了信号的输出频率
,并呈现简单的线性关系。
直接数字合成器DDS就是根据上述原理而设计的数字控制频率合成器。
图2.1所示是一个基本的DDS结构,主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表和D/A构成。
图中的相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表是DDS结构中的数字部分,由于具有数控频率合成的功能,又合称为NCO(NumericallyControlledOscillators)。
图2.1 基本DDS结构
相位累加器是整个DDS的核心,在这里完成上文原理推导中的相位累加功能。
相位累加器的输入是相位增量
,又由于与输出频率
是简单的线性关系:
式(2.8)
故相位累加器的输入又可称为频率字输入,事实上,当系统基准时钟
是
时,
就等于
。
频率字输入在图2.1中还经过了一组同步寄存器,使得当频率字改变时不会干扰相位累加器的正常工作。
相位调制器接收相位累加器的相位输出,在这里加上一个相位偏移值,主要用于信号的相位调制,如PSK(相移键控)等。
在不使用时可以去掉该部分,或者加一个固定的相位字输入。
相位字输入也需要用同步寄存器保持同步。
需要注意的是,相位字输入的数据宽度M与频率字输入N往往是不相等的,M 正弦ROM查找表完成 的查表转换,也可以理解成相位到幅度的转换,它的输入是相位调制器的输出,事实上就是ROM的地址值;输出送往D/A,转化成模拟信号。 由于相位调制器的输出数据位宽M也是ROM的地址位宽,因此在实际的DDS结构中N往往很大,而M总为10位左右。 M太大会导致ROM容量的成倍上升,而输出精度受D/A位数的限制未有很大改善。 因此,在实际应用中,对于ROM容量的缩小,人们提出了很多解决方法。 下面给出一些关于基本DDS结构的常用参量计算。 1. DDS的输出频率 由DDS工作原理推导的公式中很容易得出输出频率的计算: 式(2.9) 是频率输入字, 是系统基准时钟的频率值,N是相位累加器的数据位宽,也是频率输入字的数据位宽。 2. DDS的频率分辨率 或称频率最小步进值,即 为1时,可用频率输入值步进一个最小间隔对应的频率输出变化量来衡量。 式(2.10) 3. DDS的频率输入字的计算 的计算公式如下: 式(2.11) 当 =1时,DDS输出最低频率(也即频率分辨率)为 ,因此只要N足够大,DDS就可以得到很小的频率间隔。 若要改变DDS的输出频率,只要改变 即可。 DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定,即为 。 DDS可以很容易实现正弦信号和余弦信号正交两路输出,这只需要用相位累加器的输出同时驱动固化有正弦信号波形的ROM和余弦波形的ROM,并各自经过D/A转换器和低通滤波器输出即可。 2.2.2DDS特点 由于DDS采用了不同于传统合成方法的全数字结构,所以DDS技术具备了直接模拟频率合成和间接频率合成方法所不具备的很多特点。 基于这样的结构DDS频率合成器具有以下优点: (1)频率分辨率高,输出频点多,可达2N频点(假设DDS相位累加器的字长是N); (2)频率切换速度快,可达 量级; (3)频率切换时相位连续; (4)可以输出宽带正交信号; (5)输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用; (6)可以产生任意波形; (7)全数字化实现,便于集成,体积小,重量轻。 DDS是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据,在控制电路的协调控制下,以一定的速率,周而复始地将波形数据依次发送给D/A转换器转换成相应的模拟信号。 由于用硬件电路取代了计算机的控制,AWG的信号输出稳定度高。 如需更新输出信号,不必改动任何线路和元器件,只需改写存储器中的波形数据即可。 更主要的是可以将微处理器从信号输出的负担中解脱出来。 DDS系统有很多优点,当然也有缺点。 首先它的最高输出频率从理论上说就只有系统时钟频率的一半,而且在实际应用中还要小于此值。 要想获得较高的输出频率,就必须提高系统的时钟频率,也就是说DDS系统的相位累加器、波形存储器、D/A转换器等都将工作在较高的时钟频率下,它的实现依赖于高速数字电路和高速D/A转换器。 这也是DDS系统在早期没有得到重视,直到最近几年才迅速发展的原因。 其次,DDS系统采用数字技术,先构成离散信号再变换成模拟信号输出,尤其是要产生相位截断误差,因而噪声和杂散是不可避免的。 2.2.3DDS的杂散分析和抑制方法 1.DDS的杂散分析 在实际的DDS电路输出信号中杂散分量较大,产生杂散的原因主要有三个: 一是相位截断误差;二是存放在ROM中的波形幅度量化误差;三是D/A转换器的非理想特性。 为了取得精细的频率分辨率,DDS的相位累加器的位数N一般较大,如N=32、48、60等,若将累加器输出的N位全部用来对ROM寻址,如取N=32,则ROM至少要求4G的存储量,这是难以实现的,即使实现的话,其体积、功耗、速度和成本都是让人不可接受的,所以相位累加器的N位输出中只有高A位去寻址波形ROM(N>A),剩下的低B=N-A位就舍弃了,从而产生了相位截断误差,表现在频谱上就是杂散分量。 相位截断并不是在每个输出频点上都产生杂散,它的大小及分布取决于三个因素: 累加器位数N、寻址位数A和频率控制字 。 幅度量化误差,就是由于ROM存储能力有限,即字长有限,而引起的舍位误差,也可以认为是由于D/A转换器的分辨率有限引起的误差。 幅度量化误差在DDS输出谱上表现为背景噪声,其幅度远小于相位截断和D/A转换器非线性引起的杂散信号幅度,所以对ROM舍位的频谱分析又称为DDS的背景杂散分析。 当幅度量化误差的能量一定时,提高取样频率,会使噪声能量在更宽的频率范围内分布,从而改善量化误差特性。 D/A转换器的非理想特性是指由于实际DDS存在的非线性化及毛刺而引起的转换误差。 D/A转换器的非线性分为差分非线性DNL(DifferentialNonlineari
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