论文总字数：39328字

摘 要

直接数字频率合成即一般所说的DDS或DDFS (Direct Digital Frequency Synthesis)。DDS是进行数字处理的一项技术，因此它与大规模集成电路(LSI)有着密切的联系，它的灵活性和优越性使它在现代信息处理技术中得到越来越广泛的应用，如一些测量设备、任意波形发生器和无线本地环路基站等。

DDS建立在采样定理的基础上，对于DDS波形发生器，首先需要对需要产生的波形进行采样，将采样值进行数字化后作为波形查找表存入存储器，再通过查找表读取数据，然后经过D/A转换进行模拟量的输出，这样就将保存的波形重新合成出来。研究人员认为，DDS技术是产生频率的理想方法，它将成为频率合成器的第三代方案。

本文基于FPGA设计一个DDS信号发生器，使之输出不同频率的正弦波、方波和三角波，并通过按键切换输出波形，也可步进改变频率和输出幅度，并完成AM和FM调制功能，其AM波的调制深度与FM波的调频指数均步进可调。

关键词：直接数字频率合成；数字处理；信号发生器；FPGA

Abstract

Direct digital frequency synthesis is generally referred to as DDS or DDFS. DDS is a technology for digital processing, so it has a close relationship with large-scale integrated circuits (LSI), and its flexibility and superiority make it more and more widely used in modern information processing technology, such as some Measurement equipment, arbitrary waveform generators, wireless local loop base stations, etc.

DDS is based on the sampling theorem. For the DDS waveform generator, you first need to sample the waveform that needs to be generated, digitize the sampled value and store it in the memory as a waveform lookup table, then read the data through the lookup table, and then go through D / A conversion performs analog output, so that the saved waveform is synthesized again. The researchers believe that DDS technology is an ideal method of generating frequencies, and it will become the third generation of frequency synthesizers.

This article designs a DDS signal generator based on FPGA to output sine wave, square wave and triangle wave with different frequencies, and switch the output waveform by pressing the key. The frequency and output amplitude can also be changed step by step and the AM and FM modulation functions The modulation depth of the AM wave and the frequency modulation index of the FM wave are both adjustable in steps.

Keywords: direct digital frequency synthesis; Digital Processing; signal generator; FPGA

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文主要工作 3

第2章 直接数字频率合成基本理论 4

2.1 DDS正弦波产生原理 4

2.2 相位累加器 6

2.3 正弦查找表 7

2.4 D/A转换器 8

2.5 具有调制能力的DDS 8

2.6 本章小结 9

第3章 技术方案设计 10

3.1 Artix-7系列芯片简介 10

3.2 基于FPGA的DDS设计 10

3.2.1 矩阵键盘 10

3.2.2 DDS信号的产生 13

3.2.3 AM调制 15

3.2.4 FM调制 15

3.2.5 D/A转换 16

3.3 本章小结 17

第4章 DDS信号发生器的实现与结果分析 19

4.1 矩阵键盘 19

4.2 DDS波形产生 19

4.2.1 频率调节 19

4.2.2 幅度调节 21

4.2.3 波形选择 23

4.3 调制功能的实现 24

4.3.1 AM调制 24

4.3.2 FM调制 26

4.4 本章小结 27

第5章 结论与展望 28

参考文献 29

附录A 30

附录B 54

致谢 55

第1章 绪论

基于直接数字频率合成的信号发生器也就是我们平常所说的DDS信号发生器，DDS技术的优势是可以变换快速精确变换信号参数，有着出色的跳频能力，它的相位步进可以做的非常微小，相位分辨能力相当突出，通过改变控制参数，DDS也能够实现较好的频率调谐。因此对于DDS信号发生器，它可精确稳定调控频率和幅度，并产生设计者需要的任意波形，完成调制功能。DDS的技术的这些优势使它在一些军事技术等高端技术和通信系统中得到广泛应用。在以往集成电路技术还未成熟之时，DDS技术因耗电量大，价格昂贵等原因难以实现。如今，集成电路(IC)技术已经得到大幅改进，直接数字频率合成技术的实现和过去相比已变得相当容易，利用数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)手段，就可设计信道带宽和控制传输速率，并完成不同的调制任务。

模拟电子线路一般会受到器件老化或热漂移的影响，电路特性会变得不理想，而采用DDS技术采用的数字电路则鲜有此类变化。系统高速集成化技术的改进，可以在芯片内集成多个数字功能模块。集成电路技术将DSP算法和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技术结合，为信号处理和一些复杂的子系统提供特定的DDS芯片，以满足不同的功能要求。现在，DDS技术广泛应用于调制解调器、测量设备、蜂窝式基站、任意波形发生器等等。

人们普遍认为，DDS技术是产生频率的理想方法。如今，一块芯片上就可以集成全部的DDS器件。但是，关于直接数字频率合成的很多问题仍需解决，比如频率纯度、相位截断噪声等。

1.1 论文研究目的及意义

上世纪30年代，频率合成技术的概念诞生，它极短的转换时间，高精度和高稳定度很快吸引了人们的注意，90年来，频率合成技术也得到不断发展，并衍生了很多合成技术的设计方案，DDS技术就是其中之一，这些方案各司其职，具有自己独特的优越性。当然，随着通信及数字处理技术的快速发展，各应用场合也对频率合成技术的要求也更为严格。低杂散与高速处理是频率合成技术的目的，DDS技术的产生和发展也在朝着这个目标迈进。

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