直接数字频率合成（DDS）的软件及硬件实现
摘要
直接数字频率合成器(DDS—Direct Digital Synthesis)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，DDS技术具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。随着数字电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。目前，DDS技术已经在雷达、通信、电子对抗和仪器仪表等领域得到了十分广泛的应用。
本文主要讨论了直接数字频率合成技术及其应用，并且通过软件仿真和硬件实现的方式对直接数字频率合成技术进行了研究。
本文首先论述了频率合成技术的发展，比较了各种频率合成技术的特点，并介绍了直接数字频率合成技术的现状和发展趋势。然后介绍了Altera公司的DSP Builder仿真工具，DSP Builder是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具，作为Matlab／Simulink中的一个工具箱出现。本文在DSP Builder环境下搭建了DDS模型以及仿真平台，并在DDS的基础上完成了ASK，FSK，2PSK调制的仿真实现。接着又介绍了TI公司生产的DSP处理器TMS320VC5402以及ADI公司生产的DDS芯片AD9835，并设计完成了基于DSP处理器TMS320VC5402的直接数字频率合成器的试验板，对试验板的存储器模块、CPLD模块、DDS模块、电源和时钟模块作了详细介绍。在软件方面，详细说明了CMD和中断向量表的编写方法。完成了DDS驱动程序的调试，实现了0～25MHz正弦波产生，FSK，2PSK，QPSK调制实现。针对DDS芯片的输出具有大量的谐波分量和系统时钟干扰，本文还设计了一种7阶椭圆低通滤波器，能较好地滤除谐波分量和系统时钟的干扰。论文的最后给出系统硬件调试以及DDS模块的调试结果。
The Direct Digital Frequency Synthesizer is a kind of fully digitized frequency synthesizer, which consists of the phase accumulator, the sine look-up table, the digital to analog converter and the low band filter. It has high frequency resolution, fast frequency switching speed, low phase noise, the ability to switch frequencies while maintaining constant phase, and the ability to producing arbitrary waveforms. DDS has shown its advantages increasingly along with the development of microelectronics technique. Now it has been widely used in the fields of radar, communication, apparatus, etc.
This thesis mainly discusses the direct digital frequency synthesis technique and its applications. Through software simulation and realization of hardware board, this thesis accomplishes an in-depth study of the direct digital frequency synthesis technique.
Firstly, the thesis discusses the development of frequency synthesis techniques, compares the features of various frequency synthesis methods,discusses actuality and development trends of DDS. Then the thesis introduces the DSP Builder simulation tool of Altera first. DSP Builder is a system-level tool faced to the DSP development, as a toolbox of Matlab. This thesis builds a DDS model under DSP Builder environment and finishes simulation. Based on the DDS, the ASK, FSK, 2PSK modulation simulation are also completed. Then DSP processors TMS320VC5402 of TI and DDS chip AD9835 of ADI are introduced. A direct digital synthesizer board based on DSP has successfully designed and the memory, CPLD, DDS, power, and clock module are discussed in detailed. Based on this board, this thesis focuses on how to program the CMD files and vector table files. Then finishes the driver debugging of DDS, a sinusoidal of 0～25MHz,FSK,2PSK,QPSK Modulation. Because the output of DDS chip have a lot of harmonic components and systems clock interference, this thesis also designs a 7-order elliptic low pass filter which can be used to filter harmonic interference and the system clock. Finally, the hardware testing and DDS module debugging results are given.
本文主要讨论了直接数字频率合成技术及其应用，并且通过软件仿真和硬件实现的方式对直接数字频率合成技术进行了研究。
本文首先论述了频率合成技术的发展，比较了各种频率合成技术的特点，并介绍了直接数字频率合成技术的现状和发展趋势。然后介绍了Altera公司的DSP Builder仿真工具，DSP Builder是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具，作为Matlab／Simulink中的一个工具箱出现。本文在DSP Builder环境下搭建了DDS模型以及仿真平台，并在DDS的基础上完成了ASK，FSK，2PSK调制的仿真实现。接着又介绍了TI公司生产的DSP处理器TMS320VC5402以及ADI公司生产的DDS芯片AD9835，并设计完成了基于DSP处理器TMS320VC5402的直接数字频率合成器的试验板，对试验板的存储器模块、CPLD模块、DDS模块、电源和时钟模块作了详细介绍。在软件方面，详细说明了CMD和中断向量表的编写方法。完成了DDS驱动程序的调试，实现了0～25MHz正弦波产生，FSK，2PSK，QPSK调制实现。针对DDS芯片的输出具有大量的谐波分量和系统时钟干扰，本文还设计了一种7阶椭圆低通滤波器，能较好地滤除谐波分量和系统时钟的干扰。论文的最后给出系统硬件调试以及DDS模块的调试结果。
The Direct Digital Frequency Synthesizer is a kind of fully digitized frequency synthesizer, which consists of the phase accumulator, the sine look-up table, the digital to analog converter and the low band filter. It has high frequency resolution, fast frequency switching speed, low phase noise, the ability to switch frequencies while maintaining constant phase, and the ability to producing arbitrary waveforms. DDS has shown its advantages increasingly along with the development of microelectronics technique. Now it has been widely used in the fields of radar, communication, apparatus, etc.
This thesis mainly discusses the direct digital frequency synthesis technique and its applications. Through software simulation and realization of hardware board, this thesis accomplishes an in-depth study of the direct digital frequency synthesis technique.
Firstly, the thesis discusses the development of frequency synthesis techniques, compares the features of various frequency synthesis methods,discusses actuality and development trends of DDS. Then the thesis introduces the DSP Builder simulation tool of Altera first. DSP Builder is a system-level tool faced to the DSP development, as a toolbox of Matlab. This thesis builds a DDS model under DSP Builder environment and finishes simulation. Based on the DDS, the ASK, FSK, 2PSK modulation simulation are also completed. Then DSP processors TMS320VC5402 of TI and DDS chip AD9835 of ADI are introduced. A direct digital synthesizer board based on DSP has successfully designed and the memory, CPLD, DDS, power, and clock module are discussed in detailed. Based on this board, this thesis focuses on how to program the CMD files and vector table files. Then finishes the driver debugging of DDS, a sinusoidal of 0～25MHz,FSK,2PSK,QPSK Modulation. Because the output of DDS chip have a lot of harmonic components and systems clock interference, this thesis also designs a 7-order elliptic low pass filter which can be used to filter harmonic interference and the system clock. Finally, the hardware testing and DDS module debugging results are given.
引文
[1] Kenneth A. Essenwanger, Victor S. Reinhardt. Sine output DDS's a survey of the state of the art. IEEE International Frequency Control Symposium. 1998:3 70-3 78.
[2] 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，1995．
[3] 邹道生，李铭．锁相环在频率合成技术中的应用研究．赣南师范学院学报，2002．11，(6)：39-40
[4] J. Tierney, C. Rader, B. Gold. A Digital Frequency Synthesizer. IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, 1971.3 AU-19(1):48-57
[5] Saul P H. Direct frequency synthesis-a review of techniques and potential. In:IEEE 15th International Conference on Radio Receivers and Associated System. Landon, 1990,5-9.
[6] 高望．直接数字频率合成技术及其杂散分析．南京理工大学硕士论文．南京：南京理工大学通信与信息系统，2002 1-5．
[7] 林德焱，黄红，彭义萍．基于DDS技术与DSP Bui lder的2FSK设计与实现．中国制造业信息化，2004．7。
[8] 樊昌信．通信原理．国防工业出版社．2001年05月第5版。
[9] 张建斌．频率合成技术及其实现．重庆工学院学报．2002年12月
[10] 张一飞，潘登．一种利用DDS技术实现的变频电源．电子设计应用．2003
[11] 张万书．数字调制信号的测量方法．电视技术．2002(9)：84-89
[12] 杨国渝，粟显义．采用DDS+PLL技术实现S波段频率合成的一种方法．电子科技大学学报．28，1999(4)：388-391
[13] 孟利明等．16MAM 调制器的 AHDL 语言设计与实现．浙江工业大学学报．30，2002(5)：409-415．
[14] 林青，高万峰．DDS在数字调制中的应用．无线电工程．2001(2)：17-19．
[15] H.T. Nicholas, H. Samueli, B. kim. The optimization of direct digital frequency synthesizer performance in the presence of finite length effects. IEEE Proc. 1988.
[16] 何最红，张辉．TMS320V5402与单片机SPI串口通信的实现方法．国外电子测量技术．2005年第2期．
[17] Texas Instruments. TMS320VC5402 Data Sheet, SPRSO79D, REVISED 2000
[18] Analog Devices. AD9835 Data Sheet, REVO.
[19] Altera Corporation. MAX7000 Programmable Logic Device Family. Altera Corporation, 2002.
[20] Texas Instruments. TMS320C54x Data Sheet Volume 5: Enhanced Peripherals, Texas Instruments, 1999.
[21] 清源科技．TMS320C54XDSP应用程序设计教程．机械工业出版社．2004．1．
[22] 张雄伟，陈亮，徐光辉编著．DSP芯片的原理与开放应用(第二版)．电子工业出版社．2005．10．
[23] Texas Instruments. TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader. Texas Instruments. 2004.
[24] 美(阿瑟)，威廉斯著，喻春轩译．电子滤波器设计手册．电子工业出版社．1986年．
[25] Tektronic．TDS1000和TDS2000系列数字存储示波器．Tektronic．2003．
[26] 李琳，王松，张尔扬．直接数字频率合成的DSP实现．数字通信，2000．1．
[27] 王玉珍，李袁柳．现代频率合成技术发展状况及分析．宇航计测技术．2003．6．
[28] Altera Corporation. Quartus Ⅱ Version 6.0 Handbook. Altera Corporation. 2004.
[29] Altera Corporation. Altera Programming Hardware. Altera Corporation. 2004.
[30] 江玉蓉，周有庆，吴桂清．AD9832 及其在高频测试仪中的应用．电力自动化设备．2002．7．
[31] 江玉蓉，周有庆，吴桂清．DDS 芯片AD9832 的原理及应用．国外电子元器件．2001年第10期
[32] 程明，陈莹，赵恒．一种基于DDS芯片AD9835的信号源．自动化与仪器仪表．2005年第6期
[33] 聂祥羿，王自强，高国升．应用DDS芯片AD9835开发的一种高精度频率信号发生 器．集成电路应用．2005．6．
[34] 沈拓，董德存．直接数字频率合成芯片AD9832 原理及其典型应用设计．测控技术．2004年第12期．
[35] 李雄民，周正．基于DDS芯片AD9835信号发生器设计．电子测且技术．2003年第四期．
[36] 李志轶，赵晶，靳煜．DDS原理及在高速跳频系统中的应用．舰船电子工程．2005年第1期．
[37] 魏郁梅，费元春．一种基于DDS和DSP的高精度相位测量模块的实现．现代电支术．2003第23期．
[38] 胡正，王建．一种基于DDS芯片AD9835的多种信号发生器．传感器与仪器仪表．2004．5．
[39] 马年磊，沈保锁．基于DDS的快速跳频频率合成器的设计．自动化与仪器仪表．2003．6．
[40] 任少华，王勇．基于DDS芯片AD9835的多功能调制模块设计。电子设计。2005．6．
[41] 胡学良，张春，工志华．JTAG技术的发展和应用综述．微电子学．2005年12月。
[42] 陈丽安．C5402 DSP自举引导方法的分析与研究．集成电路应用．2003．3．
[43] 谭振宇，刘家良．TMS320VC5402 DSK的FLASH引导装载方法研究．武汉理工大学学．2003年8月．
[44] 陈斌，施克仁，郭大勇．TMS320VC5402外部并行引导装载方法的研究．集成电路应用．
[45]刘抒珍，童子权，任丽军，刘小红．DDS波形合成技术中低通椭圆滤波器的设计．哈尔滨理工大学学报．2004年10月．
[46] 毛 敏，郑 珍，周 渭．基于DDS 的低通滤波器的设计与实现．电子科技．2006年第3期．
[47] 熊俊俏，卢容德．模拟椭圆低通滤波器的设计与仿真．华北航天工业学院学报．2001年8月．
[48] 周芸，刘连敏，路青起．基于DDS和DSP的快速跳频通信信号源的设计．弹箭与制导学．2004年3月．
[49] 孙振东，万峰，赵玉春．基于DSP 和DDS 技术的AOTF 驱动系统设计．压电与声光．2002年2月．
[50] 杨小豹，郑耀林．直接数字频率合成器在FPGA 中的设计与实现．元器件与应用．2003年3月．
[51] 邹托武，周建中，赵炳，唐兵，何宇．基于DSP的直接数字频率合成器的研究和实现．电测与仪表．2005年第10期．
[52] 张勇．C／C++语言硬件程序设计．西安：西安电子科技大学出版社，2003．
[2] 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，1995．
[3] 邹道生，李铭．锁相环在频率合成技术中的应用研究．赣南师范学院学报，2002．11，(6)：39-40
[4] J. Tierney, C. Rader, B. Gold. A Digital Frequency Synthesizer. IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, 1971.3 AU-19(1):48-57
[5] Saul P H. Direct frequency synthesis-a review of techniques and potential. In:IEEE 15th International Conference on Radio Receivers and Associated System. Landon, 1990,5-9.
[6] 高望．直接数字频率合成技术及其杂散分析．南京理工大学硕士论文．南京：南京理工大学通信与信息系统，2002 1-5．
[7] 林德焱，黄红，彭义萍．基于DDS技术与DSP Bui lder的2FSK设计与实现．中国制造业信息化，2004．7。
[8] 樊昌信．通信原理．国防工业出版社．2001年05月第5版。
[9] 张建斌．频率合成技术及其实现．重庆工学院学报．2002年12月
[10] 张一飞，潘登．一种利用DDS技术实现的变频电源．电子设计应用．2003
[11] 张万书．数字调制信号的测量方法．电视技术．2002(9)：84-89
[12] 杨国渝，粟显义．采用DDS+PLL技术实现S波段频率合成的一种方法．电子科技大学学报．28，1999(4)：388-391
[13] 孟利明等．16MAM 调制器的 AHDL 语言设计与实现．浙江工业大学学报．30，2002(5)：409-415．
[14] 林青，高万峰．DDS在数字调制中的应用．无线电工程．2001(2)：17-19．
[15] H.T. Nicholas, H. Samueli, B. kim. The optimization of direct digital frequency synthesizer performance in the presence of finite length effects. IEEE Proc. 1988.
[16] 何最红，张辉．TMS320V5402与单片机SPI串口通信的实现方法．国外电子测量技术．2005年第2期．
[17] Texas Instruments. TMS320VC5402 Data Sheet, SPRSO79D, REVISED 2000
[18] Analog Devices. AD9835 Data Sheet, REVO.
[19] Altera Corporation. MAX7000 Programmable Logic Device Family. Altera Corporation, 2002.
[20] Texas Instruments. TMS320C54x Data Sheet Volume 5: Enhanced Peripherals, Texas Instruments, 1999.
[21] 清源科技．TMS320C54XDSP应用程序设计教程．机械工业出版社．2004．1．
[22] 张雄伟，陈亮，徐光辉编著．DSP芯片的原理与开放应用(第二版)．电子工业出版社．2005．10．
[23] Texas Instruments. TMS320VC5402 and TMS320UC5402 Bootloader. Texas Instruments. 2004.
[24] 美(阿瑟)，威廉斯著，喻春轩译．电子滤波器设计手册．电子工业出版社．1986年．
[25] Tektronic．TDS1000和TDS2000系列数字存储示波器．Tektronic．2003．
[26] 李琳，王松，张尔扬．直接数字频率合成的DSP实现．数字通信，2000．1．
[27] 王玉珍，李袁柳．现代频率合成技术发展状况及分析．宇航计测技术．2003．6．
[28] Altera Corporation. Quartus Ⅱ Version 6.0 Handbook. Altera Corporation. 2004.
[29] Altera Corporation. Altera Programming Hardware. Altera Corporation. 2004.
[30] 江玉蓉，周有庆，吴桂清．AD9832 及其在高频测试仪中的应用．电力自动化设备．2002．7．
[31] 江玉蓉，周有庆，吴桂清．DDS 芯片AD9832 的原理及应用．国外电子元器件．2001年第10期
[32] 程明，陈莹，赵恒．一种基于DDS芯片AD9835的信号源．自动化与仪器仪表．2005年第6期
[33] 聂祥羿，王自强，高国升．应用DDS芯片AD9835开发的一种高精度频率信号发生 器．集成电路应用．2005．6．
[34] 沈拓，董德存．直接数字频率合成芯片AD9832 原理及其典型应用设计．测控技术．2004年第12期．
[35] 李雄民，周正．基于DDS芯片AD9835信号发生器设计．电子测且技术．2003年第四期．
[36] 李志轶，赵晶，靳煜．DDS原理及在高速跳频系统中的应用．舰船电子工程．2005年第1期．
[37] 魏郁梅，费元春．一种基于DDS和DSP的高精度相位测量模块的实现．现代电支术．2003第23期．
[38] 胡正，王建．一种基于DDS芯片AD9835的多种信号发生器．传感器与仪器仪表．2004．5．
[39] 马年磊，沈保锁．基于DDS的快速跳频频率合成器的设计．自动化与仪器仪表．2003．6．
[40] 任少华，王勇．基于DDS芯片AD9835的多功能调制模块设计。电子设计。2005．6．
[41] 胡学良，张春，工志华．JTAG技术的发展和应用综述．微电子学．2005年12月。
[42] 陈丽安．C5402 DSP自举引导方法的分析与研究．集成电路应用．2003．3．
[43] 谭振宇，刘家良．TMS320VC5402 DSK的FLASH引导装载方法研究．武汉理工大学学．2003年8月．
[44] 陈斌，施克仁，郭大勇．TMS320VC5402外部并行引导装载方法的研究．集成电路应用．
[45]刘抒珍，童子权，任丽军，刘小红．DDS波形合成技术中低通椭圆滤波器的设计．哈尔滨理工大学学报．2004年10月．
[46] 毛 敏，郑 珍，周 渭．基于DDS 的低通滤波器的设计与实现．电子科技．2006年第3期．
[47] 熊俊俏，卢容德．模拟椭圆低通滤波器的设计与仿真．华北航天工业学院学报．2001年8月．
[48] 周芸，刘连敏，路青起．基于DDS和DSP的快速跳频通信信号源的设计．弹箭与制导学．2004年3月．
[49] 孙振东，万峰，赵玉春．基于DSP 和DDS 技术的AOTF 驱动系统设计．压电与声光．2002年2月．
[50] 杨小豹，郑耀林．直接数字频率合成器在FPGA 中的设计与实现．元器件与应用．2003年3月．
[51] 邹托武，周建中，赵炳，唐兵，何宇．基于DSP的直接数字频率合成器的研究和实现．电测与仪表．2005年第10期．
[52] 张勇．C／C++语言硬件程序设计．西安：西安电子科技大学出版社，2003．