基于FPGADDS系统设计.docVIP

1 引言 频率合成器是现代通信系统的重要组成部分，是决定通信系统性能的关键设备。随着现代电子通信系统地位的与日俱升，现代通信、现代雷达、制导武器和电子对抗等系统对频率合成器的频率分辨率、相位噪声、频谱纯度、转换时间等指标提出了越来越高的要求。直接数字频率合成器(DDS)，具有频率切换速度快，频率分辨率高、可编程全数字化、相位连续、控制方便；具有输出任意波形的能力等优点，它得到了非常广泛的应用。 1.1 课题来源 目前各大芯片制造厂商都相继推出采用先进CMOS工艺生产的高性能和多功能的DDS芯片。专用DDS芯片采用了特定工艺，内部数字信号抖动很小，输出信号的质量高，为电路设计者提供了多种选择。但是用FPGA实现DDS技术在某些方面存在着DDS芯片不能取代的优势，用FPGA实现DDS技术比较灵活，可以产生多种调制方式，多种组合方式，并且可以实现多个DDS芯片的功能。专用的DDS芯片在控制方式、置频速率等方面与系统的要求差距很大时，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，这也符合软件无线电的思想。而且还可以降低国外对高性能DDS芯片禁运的风险。 利用FPGA实现DDS，DDS的功能完全取决于设计者需求，可以复杂也可以简单，可在封装形式、引脚排列等方面有更大的选择余地。将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中，其系统成本不会增加多少，所以采用FPGA来实现DDS系统其性价比高于购买专用芯片。DDS专用芯片本身还是一种专用的硬件，用通用的FPGA实现DDS的功能是将专用硬件完全软件化的一种尝试，是软件无线电的一种实际应用。 1.2 国内外DDS的研究现状及发展 1.2.1 频率合成技术的发展 频率合成分成很多类。它包括非相干合成和相干合成。相干合成又分为直接合成、间接合成、直接数字频率合成、混合式频率合成几类。 频率合成技术起源于二十世纪30年代，至今已有七十多年的历史。早期的频率合成器是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。 随着频率合成技术的发展，上述合成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，但它的工作方式是以少量的晶体产生许多频率。与早期的合成方式相比，降低了成本，提高了稳定性。但是研制由多块晶体所组成的晶体振荡器是一个非常复杂的任务，而且成本较高，所以后来科学家又提出了相干合成法。 相干合成法是由一个准确度和稳定度达到要求的参考源产生许多频率的方法。它与非相干合成法的主要区别就是在频率合成的过程中所使用的频率源的数目不同。非相干合成法用了许多晶体振荡器，而相干合成只使用了一个参考频率源。因此，在相干合成装置中，输出频率的稳定度和准确度与参考源相同。 最早的相干合成法是直接频率合成(Direct Frequency Synthesizer)。直接频率合成是利用一个或多个高稳定高频谱纯度的参考频率源，通过混频器、倍频器、分频器和滤波器实现对参考源的加、减、乘、除运算，生成所需频率的合成方法。这种方法的优点是频率转换速度快，带宽较宽，相位噪声性能较好。缺点是它所采用的硬件设备要比其它方法多很多，而且结构复杂，体积庞大；并且它的输出端会出现无用（寄生）频率，这就要求用高性能的滤波器，因此直接频率合成的成本昂贵，这种缺点大大抵消了其在多功能、速度以及灵活性等方面的优点，故该方案已基本被淘汰。 在直接频率合成之后出现了间接频率合成(Indirect Frequency Synthesizer)。这种方法主要是利用相位反馈理论和锁相技术产生所需要的频率。它的主要代表是锁相环PLL(Phase- Locked Loop)频率合成，被称为第二代频率合成技术。现在最常用的结构是数模混合的锁相环，即数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式。间接频率合成法的优点是可以实现任意频率和带宽的频率合成；具有极低的相位噪声和杂散；电路简单可靠、功耗低、体积小、价格便宜。因其优点间接频率合成至今仍在频率合成领域占有重要地位。它的缺点是频率转换速度慢，锁相环路有惰性，频率分辨力与频率转换时间相互矛盾，难以兼顾。 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(Direct Digital Frequency Synthesizer)，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，C.M.Rader和B.Gold首先提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理，称之为直接数字频率合成器(DDS)。但由于受到当时微电子技术和数字信号处理技术的限制