基于FPGA的DDS设计

基于FPGA的DDS设计与实现

摘要

随着现代电子技术的不断发展，在通信系统中往往需要在一定频率范围内提供一系列稳定和准确的频率信号，一般的振荡器己不能满足要求，这就需要频率合成技术。直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)是把一系列数据量形式的信号通过D／A转换器转换成模拟量形式的信号合成技术。DDS具有相对带宽宽、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等优点，已成为现代频率合成技术中的姣姣者。目前在高频领域中，专用DDS芯片在控制方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大，利用FPGA来设计符合自己需要的DDS 系统就是一个很好的解决方法。

现场可编程门阵列(FPGA)器件具有工作速度快、集成度高、可靠性高和现场可编程等优点，并且FPGA支持系统现场修改和调试，由此设计的DDS电路简单，性能稳定，也基本能满足绝大多数通信系统的使用要求。

Abstract

With the continuous development of modern electronic technology in communications systems often require a certain frequency range provides a range of stable and accurate frequency signal, the general oscillator has been unable to meet the requirements, which require frequency synthesis。Direct Digital Frequency Synthesis :“DDS”。It is to form a data signal through D / A converter converts the signal into analog form of synthesis。DDS has a relatively wide bandwidth, frequency conversion time is short, high frequency resolution, the output phase continuous, can produce a variety of broadband quadrature modulation signals and other advantages, has become a modern synthesizer technology leader. Present in high frequency areas, special DDS chip control, frequency control and other aspects of system requirements differ greatly, the use of FPGA to design DDS system suits their needs is a good solution.

Field programmable gate array (FPGA) devices have to work fast, high integration, high reliability and the advantages of field programmable and support system for FPGA-site to modify and debug the design of the DDS circuit which is simple, stable performance, but also the basic communications systems can meet most requirements.

关键词（keywords）：频率合成（Frequency Synthesizer）；DDS技术（DDS technology）；

频率控制（Frequency Control）；FPGA设计（FPGA Design）

目录

1 DDS产生波形的原理 (3)

2 DDS的结构原理 (6)

3 DDS调频系统在FPGA中的实现的模块设计 (7)

3.1 相位累加器控制模块的设计 (7)

3．2 波形储存器ROM的设计 (8)

4 连接原理图 (9)

5 DDS的仿真 (10)

1 DDS产生波形的原理

利用DDS技术产生波形的过程是：基于奈奎斯特抽样定理对需要产生的波形进行采样、量化后存入存储器（例如ROM）中作为待产生信号波形的数据表；在需要输出波形时，从数据表中依次读出数据，产生数字化信号，这个信号再通过D/A转换器和滤波器后就变成了所需的模拟信号波形。如果改变数据表中的内容，就可以得到不同的信号波形。

下面以正弦波信号波形的产生为例说明DDS工作原理。

基于DDS产生正弦信号波形的原理框图如图1所示。图中，fclk为相位累加器的时钟信号，其周期为T0；相位累加器(从0~(2^n-1)计数)在fclk的作用下，产生数据存储器所需的地址信号。

如何获取正弦波形存储器中的数据呢?

我们知道，某一个频率的正弦信号可以表示为

式中，A为正弦波的振幅，w为正弦信号的频率(角频率)，为初始相位。由于A和

不随时间而变化，可以令A＝1，＝0，得到归一化的正弦信号表达式

如果将上述正弦信导的一个完整周期内的相位0~2pi的变化用单位圆表示，其相位与幅度一一对应，即单位团上的每一点均对应输出一个特定的幅度值，如图8．6．3所

示。例如，在圆上取16个相位点就有16种幅度值与之对应，如果在圆上取2^N个相位点，则相位分辨率为2pi／2^N。根据奈空斯特定理，以等量的相位间隔对其进行相位／

幅度抽样得到一个周期性的正弦信号的离散相位的幅度序列，并且对模拟幅度进行量化，旦化后的幅值采用相应的二进制数据编码。这样就把一个周期的正弦波连续信号转换成为一系列离散的二进制数字量，然后通过一定的手段固化在只读存储器ROM中，每个存储单元的地址即是相位取样地址，存储单元的内容是已经量化了正弦波幅值。这样的一个只读存储器就构成了一个与2pi周期内相位取样相对应的正弦函数表，因它存储的是一个周期的正弦波波形幅值，因此称其为正弦波形存储器，又称作查找表。

对于一个连续的正弦信号，其相位是时间的线性函数，相位对时间的导数为w，即

当角频率w为一定位时，其相位斜率也是一个确定值。此时，正弦波形信号的相位与时间呈线性关系，即。根据这一基本关系，在一定频率的时钟信号作用下，通过一个线性的地址计数器对已得到的正弦波波形存储器进行扫描，进而周期性地读取波形存储器中的数据，其输出通过D／A转换器及低通滤波器就可以合成一个完整的、具有一定频率的正弦波信号。假设存储器有2^n个存储单元，如果重复地从0~(2^n-1)单元读出数据存储器中的数据，在数据存储器的输出端就会得到周期性的正弦序列，如图8．6．4中的空心圆点所示；再将周期的正弦序列送到D／A转换器和低通滤波器进行变换，就可以得到连续的正弦信号。显然，如果提高时钟信号fclk的频