基于NiosⅡ的DDS信号发生器研究与实现
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摘要
直接数字频率合成(DDS)是近几年发展起来的一种频率合成新技术,它具有输出信号稳定、分辨率高、相位连续、可控性好等优点,在现代电子系统中应用十分广泛。
论文首先介绍了DDS的发展及现状,并分析了DDS输出杂散噪声抑制等问题。利用Altera公司的设计工具QuartusⅡversion 6.0的软件编程和Block Diagram的设计方法,将现场可编程逻辑器件(FPGA)和DDS技术相结合,完成了DDS信号发生器各个模块的设计。采用流水线技术设计了32位相位累加器,大大提高了DDS系统的工作频率;利用NiosⅡ软核实现人机接口和数据计算,波形生成部分采用了多种高性能的模拟集成电路,缩小了整个系统体积,对提高整个系统的性能指标起到了关键作用,满足了系统设计要求。
最后,文章给出了主要模块的仿真结果和整个系统的测试结果。测试结果表明,该信号发生器基本达到了预期的设计指标,证明了利用NiosⅡ软核实现DDS信号发生:器的方案是可行的,且具有性价比高、设计灵活、性能可靠等优点。
Direct Digital Frequency Synthesis (DDS) is a newly developed technique which has many virtues, such as stabile output signal、continuous phase、high precision、easy control, etc. It is widely used in modern electron system.
The thesis introduces the development and status of DDS, and analyzes some problems, such as the noise suppression of output signal noise. The various module designs of DDS function generator are finished by combining FPGA and DDS technology under the software QuartusⅡversion 6.0 environment. The thesis explains the design and realization ways of all the modules, such as using pipelining technique to implement the 32-bit phase accumulator, using NiosⅡto input and count frequency and adopting high performance analog IC to design waveform generator for reducing the size of the system, which play an very important role in improving the performance of the whole system.
Finally, the thesis gives the simulation results of main modules and test results of the whole system. The results indicate that the function generator has basically realized the expected design target. The design proves that using single chip and FPGA to realize DDS random signal generator is feasible, and it also has many virtues, such as low price、easy design and reliable performance.
论文首先介绍了DDS的发展及现状,并分析了DDS输出杂散噪声抑制等问题。利用Altera公司的设计工具QuartusⅡversion 6.0的软件编程和Block Diagram的设计方法,将现场可编程逻辑器件(FPGA)和DDS技术相结合,完成了DDS信号发生器各个模块的设计。采用流水线技术设计了32位相位累加器,大大提高了DDS系统的工作频率;利用NiosⅡ软核实现人机接口和数据计算,波形生成部分采用了多种高性能的模拟集成电路,缩小了整个系统体积,对提高整个系统的性能指标起到了关键作用,满足了系统设计要求。
最后,文章给出了主要模块的仿真结果和整个系统的测试结果。测试结果表明,该信号发生器基本达到了预期的设计指标,证明了利用NiosⅡ软核实现DDS信号发生:器的方案是可行的,且具有性价比高、设计灵活、性能可靠等优点。
Direct Digital Frequency Synthesis (DDS) is a newly developed technique which has many virtues, such as stabile output signal、continuous phase、high precision、easy control, etc. It is widely used in modern electron system.
The thesis introduces the development and status of DDS, and analyzes some problems, such as the noise suppression of output signal noise. The various module designs of DDS function generator are finished by combining FPGA and DDS technology under the software QuartusⅡversion 6.0 environment. The thesis explains the design and realization ways of all the modules, such as using pipelining technique to implement the 32-bit phase accumulator, using NiosⅡto input and count frequency and adopting high performance analog IC to design waveform generator for reducing the size of the system, which play an very important role in improving the performance of the whole system.
Finally, the thesis gives the simulation results of main modules and test results of the whole system. The results indicate that the function generator has basically realized the expected design target. The design proves that using single chip and FPGA to realize DDS random signal generator is feasible, and it also has many virtues, such as low price、easy design and reliable performance.
引文
铩颷1]Jierey J,Radar C M,Gold B.A Digital Frequency Synthesizer,IEEE Traris AudioEltroacoust,August 1971:4857
[2]费元春,陈世伟等.基于DDS的宽带雷达信号产生技术研究[J].电子学报,2001,29(8):10-22
[3]庄卉,黄苏华.锁相与频率合成技术气象出版社,1996.11
[4]姜田华.实现直接数字频率合成器的三种技术方案[J].电子技术应用,2004.(3):2-3
[5]张建斌.频率合成新技术及其应用[J].江苏技术师范学院学报,2003.9(2):18-23.
[6]DDS原理简介.www.fpga.com.cn:1-4
[7]Tierney.A Digital Frequency Synthesizer.IEEE Trans.AEV,1971.19(1):48-57.
[8]单玉华.基于DDS频率合成杂散抑制技术的研究.电子科技大学,2002.
[9]周俊峰,陈涛.基于FPGA的直接数字频率合成器的设计和实现[M].电子技术应用,2002.
[10]Postema G B.Generation and performance analysis of wideband radar waveforms.IEEE International Conference Radar,1987.
[11]直接数字合成器专用集成电路的性能及应用.国外电子测量技术,1996(5):14-17
[12]贾立新,王涌等.电子系统设计与实践.清华大学出版社,2007.4:270-271
[13]黄智伟,王彦.FPGA系统设计与实践.北京:电子工业出版社,2005.9:199-214
[14]杨文举,杨成.基于FPGA的直接数字频率合成任意波发生电路[J].重庆工业高等专科学校学报,2004.
[15]王呈贵,徐以涛.高分辨率DDS的FPGA设计.解放军理工大学学报(自然科学版),2003.8(4)
[16]李岳生,黄友谦.数值逼近.南京:人民教育出版社,1978.
[17]胡仁杰.高分辨率任意波形发生器的实现[J].东南大学学报,2002(4).
[18]M.J.F lanagan,G.A.Zmmenman.spur-reduced digital sinusoid synthesis,IEEEtrans on COM.1995.4(7).
[19]J.Vankka.Spur reduction techniques in sine output direct digital synthesis.IEEE Proc 50th AFCS,1996.951 959
铩颷20]潘松,黄继业.EDA技术实用教程.[M].北京:科学出版社.
[21]聂兵,谢兆鸿.基于FPGA的直接数字频率合成器实现[J].武汉工业学院学报,2004
[22]Quartus Ⅱ使用简介.www.altera.com.cn:2-4
[23]贾豫东,封吉平.用FPGA实现任意波形发生器的两种方法[J].计算机测量与控制,2004.
[24]吴继华,王诚.Altera FPGA/CPLD设计(高级篇).北京:人民邮电出版社,2005.7:61-66
[25]吴继华,王诚.Altem FPGA/CPLD设计(基础篇).北京:人民邮电出版社,2005.7:32-37
[14]夏宇闻.复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术.北京航空航天大学出版社,1998.
[27]Nicholas HT.The optimisation ofdirect digitalfrequency synthesizer performance inthepresence of finite word length effects[J].Proc.42nd Annu.Frequency Cont SympUSER-ACOM,1988,(5)5:357
[28]徐立成.直接数字合成技术的应用,1991(2)
[29]张建斌.频率合成新技术及其应用[J]江苏技术师范学院学报,2003.9(2):18-23
[30]张晓燕,臧延新.NioslI嵌入式处理器设计大赛[M].西安电子科技大学出版社,2006.4
[31]侯伯亨.数字系统设计基础.西安电子科技大学出版社,2000.11:133-137
[32]张厥盛,曹丽娜.锁相与频率合成技术.成都:电子科技大学出版社.
[33]从宏寿.任意波形发生器的设计与实现[J].电子技术,2004.
[34]朱钰铧.基于FPGA的直接数字频率合成器的设计实现[J].安庆师范学院学报,2004
[35]傅玉朋,李明浩,吕进华.DDS技术的FPGA设计与实现[J].大连民族学院学报,2004.
[36]周国富.相位量化数字射频存储器的寄生信号性能分析.电子学报,1992.12.2002:26-31
[37]潘明.FPGA在频率合成器中的应用[J],广西科学院学报,2003.
[38]王秋生.直接数字合成调频信号的研究[J].仪器仪表学报,2000.4(21)
[39]辛春艳.VHDL硬件描述语言.国防工业出版社,2002.1
铩颷41]郭崇贤.DDS技术在现代雷达中的应用.DDS技术与应用研讨会论文集,1997.12.
[42]吴贺谦等,DDS的发展与在电子战中的应用研究.DDS技术与应用研讨会论文集,1997.12
[43]周国富.利用FPGA实现线性调频DDS专用电路.现代雷达,1997.12.19(6):95-99
[44]赵俊超.集成电路设计VHDL教程[M].北京希望电子,2002.
[45]朱明程,孙普.可编程逻辑系统的VHDL设计技术[M].南京:东南大学出版社,1998.
[46]宋万杰,罗丰,吴顺君.CPLD技术及其应用.[M].西安电子科技大学出版社.
[47]刘连生.利用计算机实现航空电子自动测试系统.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2000.10
[48]沈树群.基于Verilog语言的实用FPGA设计.[M].北京:科技出版社.
[49]杨林平,曾连荪,陈汉卿等.基于FPGA频率合成技术[J].安徽职业技术学院学报,2004.
[50]樊昌信.通信原理.[M].北京:国防工业出版社.
[51]陈邦媛.射频通信电路.[M].北京:科技出版社.
[52]A Direct-Digital Synthesizer with Improved Spectral Performance.IEEE Tran.onCommunication,No 7.July 1991.7(39)
[53]John Pesec □DDS techniques assist exotic wave form generati on[M].□Microwaves& RF,1992.9
[54]Oldham N M.Digital waveform synthesis techniques[M].NB S SP707,1985.10□
[55]P H Saul,D G Taylor.a High-speed Direct Frequency Systhesizer.[J].
[56]ALTERA Inc.Nios Development Board Reference Manual.Cyclone Edition,2003
[57]ALTERA lnc.Avalon Bus Spification Reterence Manual,2003
[58]陈建春.一种基于DDS技术实现的雷达信号模拟器[J].系统工程与电子技术,2000.22(2):50-52
[59]S.Salous,etal An.ASIC solution for programming digital synthesizers for thegeneration of spread spectrum signals.Fifth Bangor Symposium onCommunications.:191-192
[60]ALTERA lnc.SOPC Builder Data SheeL,2003.
铩颷61]李朝清.PC机及单片机数据通信技术.北京:北京航空航天大学出版社,2000.
[62]H.T.Nicholas,etal,The optimization of direct digital frequency synthesizerperformance in the presence of finite word length efects.Proc.42nd Annu.FrequencyCont Symp.USER-ACOM,May 1988.:.357-363
[63]李哲荚.嵌入式系统中MCU、FPGA与DSP核.北方交通大学电式电子教学基地.
[64]李达明.EDA技术基础.高等教育出版社,2003
[65]Xilinx Technical Staff.Spantan-Ⅱ 2.5 V family field programmable gate arrays[S].DS001(vl.1).Xilinx Corporation,2000.
[66]Intel Technical Staff.A basic program to compute NCO coefficient[R].IntelCorporation,1990.
[67]ALTERA lnc.Nios Software Developmem Tutorial,2003.
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[56]ALTERA Inc.Nios Development Board Reference Manual.Cyclone Edition,2003
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[62]H.T.Nicholas,etal,The optimization of direct digital frequency synthesizerperformance in the presence of finite word length efects.Proc.42nd Annu.FrequencyCont Symp.USER-ACOM,May 1988.:.357-363
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