毕业论文 DDS的VHDL语言实现及其高纯谱研究.doc

selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 基于 fpga 的 dds 正弦波信号源设计 内容摘要：频率合成技术在现代电子技术中具有重要的地位。在通信、雷达和导航等设备中， 它可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称 为许多电子系统的“心脏”。直接数字频率合成（ddsdigital 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。本文主要分析了 dds 的基本原理及其输出频谱特点，并采用 vhdl 语言在 fpga 上实现。对于 dds 的输出频谱， 一个较大的缺点是：输出杂散较大。针对这一缺点本文使用了两个方法加以解决。首先是压 缩 rom 查找表，在相同 rom 容量的情况下，压缩后相当于把 512 点查找表扩展为 2048 点，过 采样的引入提高了 dds 输出谱的纯度。其次，采用了相位随机抖动技术，引入了 m 序列作为 dds 采样输出的相位随机抖动，这个方法把原来的均匀查表抽样变成为伪随机非均匀抽样，使 得 dds 输出谱的杂散分量白化，同样使输出频谱纯度得到提高。本文最后用频谱分析仪做了 相关实验测试，在实验上验证了设计思想。 关键词：dds fpga vhdl m 序列 频谱 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 1 the realization of dds with vhdl and its high pure spectrum research abstract；the frequency synthesis technology has the important status in the modern electronic technology. in equipment such as correspondence, radar and navigation, it may work as the unwanted signal generator; in the test facility, may work as the standard signal source, therefore the frequency synthesizer is called by the people as “the heart“ of many electronic systems .ddsdigital direct frequency synthesis technology is one brand-new frequency synthetic method, is a frequency synthesis technology revolution. this paper analyzes the basic principle of dds and its output frequency spectrum characteristic, and realizes it with vhdl language on fpga. in regard to the output frequency spectrum of dds, a shortcoming is: the output spurious is bigger. in view of this shortcoming this article uses two methods to solve. first compress the rom search table, in the same capacity of rom, it is equal to expand 512 searches tables to 2,048 after the compression, the introduction of over sampling enhance the spectrum purity of dds output. then utilize the phase random dither technology, use the m sequence as the phase random dither of the dds sampling output .this method causes evenly look up table sampling turn to for pseudo-random non- even sampling, it make the output spurious component of dds change to white noise, similarly enhance purity of the output frequency spectrum to this article finally used the spectrum analyzer to do the correlation experiment test, has confirmed the design thought at the experiment. selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 2 key words: digital direct frequency synthesis fpga vhdl m sequence spectrum selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 3 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 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 4 七、致谢 .22 参考文献 .22 附录 .23 （一） 各组成模块的 vhdl 程序 .23 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 5 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。 2频率稳定度 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。 3频率间隔 频率间隔是指两个输出频率的最小间隔，也称频率分辨率。 4频率转换时间 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。 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 6 5频率纯度 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。 6调制性能 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（ddsdigital 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，c.m.rader 和 b.gold 三人于 1971 年首次提出，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（ddsdigital direct frequency synthesis）得到了飞速发展，它以 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 7 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，幅度量化噪声取决于 rom 的数据位字长和 d/a 转换器 位数。 dds 在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方 面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 它的一些优点如下： 1.输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为 50%（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号 杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到 40%。 2.频率转换时间短 dds 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 dds 的频率转换时间极短。事实上， 在 dds 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现 频率的转换。因此，频率转换时间等于频率控制字的传输，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 的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方 法都要短数个数量级。 3.频率分辨率极高 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphfo