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第11章 直接数字频率合成器的设计与分析 11.1 系统设计要求 11.2 系统设计方案 11.3 主要VHDL源程序 11.4 系统仿真/硬件验证 11.5 设计技巧分析 11.6 系统扩展思路 11.1 系统设计要求 1971年，美国学者J.Tierncy、C.M.Reader和B.Gold提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。随着技术和水平的提高，一种新的频率合成技术——直接数字频率合成(DDS，Direct Digtal Synthesis)技术得到了飞速发展。 DDS技术是一种把一系列数字形式的信号通过DAC转换成模拟形式的信号合成技术，目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速DAC输出已经用数字形式存入的正弦波。 DDS技术具有频率切换时间短(＜20 ns)，频率分辨率高(0.01 Hz)，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可以快速程控切换，输出相位可连续，可编程以及灵活性大等优点，它以有别于其他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姣姣者。DDS广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线通信系统。 11.2 系统设计方案 11.2.1 DDS的工作原理 图11.1是DDS的基本原理图，频率控制字M和相位控制字分别控制DDS输出正(余)弦波的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加。 11.2.2 DDS的FPGA实现设计 根据图11.1，并假定相位控制字为0，这时DDS的核心部分相位累加器的FPGA的设计可分为如下几个模块：相位累加器adder32b、相位寄存器reg32b、相位调制器adder10b、同步寄存器reg10b、正弦查找表sin_rom，其内部组成框图如图11.2所示。图中，输入信号有时钟输入CLK，频率控制字FWORD，相位控制字PWORD，输出信号为FOUT。 首先利用MATLAB或C语言编程对正弦函数进行采样；然后对采样数据进行二进制转换，其结果作为查找表地址的数值。 用MATLAB语言编写的正弦函数数据采集程序如下： CLEAR TIC； T=2*PI/1024； t=[0:T:2*pi]; y=255*sin(t); round(y)； 用C语言编写的正弦函数数据采样程序”ROMDATA”如下： #include stdio.h #include math.h Main( ) { int I; Float s; For ( i=0;i1024;i++) {s=sin(actan(1)*8*i/1024); Printf( %d，%d; \n， (int)((s+1)*1023/2)); } } 两个程序运行之后所得结果是一致的。 在DOS下输入：ROMDATArom_data.mif生成ROM数据文件。 11.3 主要VHDL源程序（有改动） 11.3.1 相位累加器adder32b的VHDL源程序 -- adder32b.VHD LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY adder32b IS PORT( a: IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); b: IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); s: OUT STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0)); END adder32b; ARCHITECTURE ART OF adder32b IS BEGIN s=a+b; END ART; 11.3.2 相位寄存器reg32b的VHDL源程序 -- reg32b.VHD (REG2.VHD与reg32b.VHD相似) LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY reg32b IS PORT( load: IN STD_LOGIC; din: IN STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0); dout: OUT STD