基于FPGA和DDS芯片的信号源设计

智壤。穗_纛帑藤属 电子测量技术ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY第33卷第7期2010年7月 基于FPGA和DDS芯片的信号源设计* 赵巨波1 柬 杰2 丁 昊2 (1．辽宁葫芦岛试验基地葫芦岛 125000； 2．海军航空工程学院信息融合技术研究所 烟台 264001) 摘 要：系统采用Xilinx公司生产的型号为xc2s200的FPGA芯片和ADI公司生产的型号为AD9854的专用DDS 芯片作为核心，产生出多种常见的通信信号，如：2ASK、2FSK、2PSK等。采用128×64液晶屏显示系统工作信息，控 制信息采用按键输入、具有输出信号稳定、相位噪声低、控制信息实时输入、工作状态可视的特点。给出了设计方法和 测试结果，充分发挥了DDS的优点，对于今后的推广应用具有重要意义。 关键词：FPGA；AD9854，DDS；信号源 中图分类号：TP274文献标识码：A DesignofsignalgeneratorbasedonFPGAandDDS ZhaoJub01SongJie2DingHa02 (1．TheExperimentBasement，Huludao125000； 2．ResearchInstituteofInformationFusion。NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity，Yantai264001) Abstract：Thesystem，withFPGAchipxc2s200andthespecialDDSchipAD9854asthecoredevices，isdesignedtO produceseveralcommunicationsignals。suchas2ASK，2FSK。2PSKandSOon．ItusesaLCDmodulewiththesizeof 128×64todisplaytheworkinginformationofthesystem。whilethecontrolinstructionisobtainedintheformofkey- press．Thissystemhasthecharactersofhighlystabilitiesfortheoutputsignal，lowphasenoise，controlinstruction beingreal-timeinputandtheworkingconditionsisvisible．Thedesignmethodandtestingresultsisgiveninthispaper． ThesystemtakesthefulladvantageofDDSdevices，whichhassignificantvaluefortheextensionoffutureusage． Keywords：FPGA；AD9854；DDS；signalgenerator 0 引 言 直接数字频率合成技术是1971年由美国学者J． Tierney等人首次提出的以全数字技术，从相位概念出发直 接合成所需波形的合成原理。随着现代微电子技术的发 展，直接数字频率合成技术得到了飞速发展。采用直接数 字频率合成技术的直接数字频率合成器(DDS)具有频率分 辨率高，频率转换速度快，频率稳定度高，相位噪声低，输出 信号相位连续以及良好的调制特性等特点，被广泛应用在 现代科研、通信系统、电子对抗及各种电子测量技术中口。21。 本文通过FPGA和DDS芯片的芯片探索了一种实用 信号源的设计，产生了多种常见的通信信号，如：2ASK、 2FSK、2PSK等，可以方便的应用于任意波形发生器、跳频 电台、雷达系统以及数字通信中。 l AD9854功能特点介绍 AD9854是美国AnalogDevice公司推出的CMOS型 DDS集成电路，具有工作频率高，外部接口方式方便灵活， 多种信号输出形式的特点。AD9854主要由时钟乘法器、 频率累加器、相位累加器、正弦转换表、逆sinc滤波器、数字 幅度调制乘法器、编程寄存器、频率和相位控制字乘法器与 调频控制逻辑，ADC变换，低通滤波器等组成心。3]。工作原 理框图如图1所示。 频 设定 图1 DDS工作原理 出 AD9854的最高工作频率在300MHz，系统时钟可以 通过4～20倍可编程时钟电路，由较低的外部基准时钟经 *基金项目：国家自然科学基金资助项目(60672140)、全国优秀博士学位论文作者专项基金资助项目(200237) · 76· 万方数据 赵巨渡等：基于FPGA和DDS芯片的信号源设计 第7期 倍频后得到。直接的300MHz时钟也可以通过单端或差 分输入。假设相位累加器的位数为N，频率控制字内的相 位增量为K，参考时钟频率为f，则DDS系统输出信号的 频率工可以按照下面的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 计算： ，o=，f·矛K (1) 输出信号的频率分辨率△厶为 △工=嘉 (2) 2系统组成与工作原理 2．1系统组成 信号源系统板的设计，主要有以下5个部分，分别为： 1)DDS电路板。采用AD9854芯片搭建外围电路组 成，接受来自FPGA的控制信息，并产生所需的输出信号。 2)按键电路。主要是用来向系统输入数据或控制系 统工作状态。 3)信号源系统核心板。该核心板是将FPGA的最小 系统集成在一个可插拔的主板上，可方便更换和交换使用 芯片，使芯片达到最大利用率。 4)液晶显示部分。使用TS-12864A-3128×64点阵 液晶显示，用于显示当前的工作状态。系统总体框图如图 2所示。 图2系统总体 出 2．2工作过程 用户通过4×4键盘或拨码开关向FPGA输入控制命 令，FPGA接到命令后作出反应，输出控制信息到DDS板， 并同时将信息显示在128×64的液晶屏上，以实现系统工 作方式可选，输出频率可调，各工作指标可视的目的。根据 控制命令可以产生2ASK、2FSK、2PSK等多种常见的通信 信号。 3系统硬件设计 3．1 FPGA最小系统设计 FPGA芯片采用Xilinx公司生产的SpartanⅡ系列 XC2S200芯片[“，XC2S200芯片是XILINX公司针对市场 上低成本FPGA产品的大量需求推出的主流FPGA，性价 比较好，是低成本，低密度FPGA的代表，它采用成熟的 FPGA结构，支持流行的接口 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，具有适量的逻辑资源和 片内RAM，并提供灵活的时钟处理，采用XC2S200芯片的 最小系统板设计如图3所示。 图3 FPGA最小系统 3．2 AI)9854外围电路设计 DDS模块的电路图4所示，供电部分采用开关电源输 入+12V，一12V，+5V3种电压，+12V和一12V通过 两路7805和7905产生出两路+5V和一5V电压，给运算 放大器供电，采用两路AD8009运算放大器对信号进行两 倍放大。通过给LM317提供十5V电压的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 产生出两 路+3．3V电压，分别给AD9854芯片的数字端和模拟端 供电，这样能够避免对输出信号产生干扰，在晶振的连接 上，采用跳线，其目的是为了让用户可以在有源晶振和 FPGA提供时钟上进行选择，这样增加了系统时钟选择的 灵活性‘’”。 同时，由于设计采用的是单端时钟输入，所以将差分时 钟屏蔽掉，方法是将DIFFCLKENABLE管脚连接至低电 平，REFCLKB连接至低电平，REFCLK管脚作为时钟信 号的输入端口。在数据通信模式上采用并口通信，所以在 这里将串并口选择位连接至高电平，在I和QDAC的公共 旁路电容管脚处，接一个0．01弘F的电容到AVDD以改善 谐波失真和杂散性，在设置I和Q通道满电流输出的公共 端，采用一个阻值为4k12的电阻，这个阻值是根据电流范 围来确定的，通常在8k12到2kfl之间。 图4 DDS模块板电路设计原理 4系统软件设计 系统在上电后进入等待状态，此时由用户通过4×4键 · 77· ～咖V蛳 万方数据 第33卷 电 子测 量技术 盘输入各种控制信息，进行工作模式和输出频率的选择。 系统检测到有信息从键盘输入后，启动主程序，对所输入的 信息进行工作方式和输出频率的判断，判断结束后进入控 制指令合成部分，产生出AD9854所需要的频率控制字并 对AD9854的控制寄存器进行设置邛‘。]。同时。系统将判断 出的信息经处理传送给液晶屏进行显示，各流程完成后，系 统回到起点，重新进入等待状态，直到有新的数据输入，软 件总体设计流程如图5所示。 图5软件设计流程 5 AD9854芯片编程设置及实验结果 系统时钟采用有源20MHz晶振进行9倍频的方式获 得。每完成一次数据写入后都要对AD9854的数据缓冲器 进行更新使设置的信息进入内核发生作用，实验结果采用 虚拟示波器观察。 在SingleTone模式下，设定频率控制字及程序控制 字，产生16．45MHz正弦波，波形曲’线及其频谱图如图6 所示。 · 78· (a)正弦波形曲线 Co)频谱 图6 SingleTone模式下正弦波波形及频谱 在2FSK模式下，产生信号的波形及频谱图如图7 所示。 图7 2FSK模式下信号波形及频谱 2ASK模式下，产生信号的波形图如图8所示。 万方数据 赵巨波等：基于FPGA和DDS芯片的信号源设计 ’第7期 [2]郭振永。邓云凯，等．线性调频信号DDS频率合成源 的设计与实现[J]．收发技术，2005，3：193—194． [3]ANALOGDEVICES，CMOS300MSPSQuadrature Complete-DDSAD9854rZ]．2002． [4]刘明成，孙景瑞，等．基于DDS芯片的信号源应用设 计[J]．天津师范大学学报，2008，10：35—36． [5J冯煦，钟卫，胡亮，等．基于DDS的多调制功能正弦信 号发生器[J]．国外电子测量技术。2010，1：39—41． [6] 王遁琳，刘明成．基于AD9854的程控信号源设计 [J]．甘肃联合大学学报，2008，3：76—77． [7]何文龙，房建东．基于FPGA的数字温度传感器控制 方法[J]．电子测量技术，2008，31：178—181． [8]吴加政，苏新彦．基于DDS的信号模拟器设计[J]． 图8 2ASK模式下信号波形 国外电子测量技术，2009，II：67—70． [9]刘连生，姜健飞．基于FPGA的ARINC429多通道 芯片设计[J]．微电子学，2010，l：62—65． 6 结 论 基于AD9854的信号源具有多种工作模式可自由选 择，信号输出频率灵活可调的特点，而且将各种信息实时地 显示在液晶屏上，整个操作过程简单易懂，系统工作可靠， 输出的信号具有稳定度高，精度高和频率分辨率高的特点。 采用FPGA作为系统的开发平台，在实现功能的同时为其 他信号的联合处理预留了空间，增加了此信号源的应用范 围，具有较高的实用性。 参考文献 [1] 黄宴委，吴胜国，刘中华．基于FPGA的ADSl251 实现[J]．电子测量技术，2009，9：103—106． 作者简介 赵巨波，女，1970年5月出生，高级工程师，博士，研究 方向：数据处理和信息与通信工程等。 E—mail：jie810512@tom．corn 宋杰，男，1981年5月出生，博士，研究方向：雷达信号 采集与处理、无源探测与跟踪技术等。 丁昊，男，1988年7月出生，硕士研究生，研究方向：信 号采集与处理、目标识别等。 —I●r“H●r’呐_。～-—_I-，_IIp“_lp。～-_4-I_，-l-，嘶_，_h_—1h_—_h·，H“一-P，_¨__～Ir4¨_pmI_，州．．，。Ⅵ-一h，～-—一I'·r，mI-F·一¨．，”I●●一¨●‘H。l¨I-，_h’_I●一一h，_●●F‘～¨一DIIll．，q¨¨州¨¨．卅Ih-dll¨，_¨，嗍¨，__●_。帅-J_h，_●●p-_h·_●h’Hh_ (上接第75页) [5]ZHAOYJ。ZHUANGXY，WANGLTheResearch[8]种兰祥，朱春香，游涛．数字存储示波器的计算机控制 [6] [7] andApplicationofRandomSamplinginDigitalStorage Oscilloscope[J]．TestingandDiagnosis。2009． SULAIMANN，MAHMUDNA．DesigningthePC— Based4-ChannelDigitalStorageOscilloscopebyusing DSPTechniques[J]．The5thStudentConferenceon ResearchandDevelopment，2007． GRAYNC。交错操作模数转换器，实现更高的采样 率[J]．世界电子元器件，2005．4，54—55． 与同步测量[J]．电子测量技术，2008，31(10)：73— 75。96． 作者简介 黄新。男，1978年4月出生，工学硕士，讲师，主要研究 方向为可测性设计、边界扫描测试技术、智能仪器设计等。 E-mail：hxgl00@126．corn · 79· 万方数据 基于FPGA和DDS芯片的信号源设计 作者： 赵巨波， 宋杰， 丁昊， Zhao Jubo， Song Jie， Ding Hao 作者单位： 赵巨波,Zhao Jubo(辽宁葫芦岛试验基地,葫芦岛,125000)， 宋杰,丁昊,Song Jie,Ding Hao(海军航空工程学院信息融合技术研究所,烟台,264001) 刊名： 电子测量技术 英文刊名： ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2010，33(7) 被引用次数： 0次 参考文献(9条) 1.黄宴委.吴胜国.刘中华 基于FPGA的ADS1251实现 2009 2.郭振永.邓云凯 线性调频信号DDS频率合成源的设计与实现 2005 3.ANALOG DEVICES CMOS 300 MSPS Quadrature Complete-DDS AD9854 2002 4.刘明成.孙景瑞 基于DDS芯片的信号源应用设计 2008 5.冯煦.钟卫.胡亮 基于DDS的多调制功能正弦信号发生器 2010 6.王迺琳.刘明成 基于AD9854的程控信号源设计 2008 7.何文龙.房建东 基于FPGA的数字温度传感器控制方法 2008 8.吴加政.苏新彦 基于DDS的信号模拟器设计 2009 9.刘连生.姜健飞 基于FPGA的ARINC429多通道芯片设计 2010 相似文献(10条) 1.期刊论文 张先锋.关德新.王伟 利用AD9854实现直序扩频系统OQPSK调制 -电子测量技术2002(5) 文中介绍了AD9854的基本情况,利用FPGA与AD9854实现直序扩频系统的OQPSK调制. 2.期刊论文 张华磊.ZHANG Hua-lei 一种基于AD9854的高速跳频源设计 -无线电工程2008,38(1) 介绍了跳频通信系统的基本组成、工作方式以及跳频通信系统中跳频综合器的设计要求.结合跳频综合器的设计要求以及AD9854、FPGA的特点给出了 一种基于AD9854的高速跳频源实现方法,在微处理器和FPGA的控制下能够生成多种跳速和多种图案的跳频信号,适合于多种应用场合. 3.学位论文 綦睿 LFMCW雷达高度表数字信号处理方法研究 2007 随着数字信号处理器性能日益增强、频谱高分辨算法不断完善，FMCW雷达高度表普遍采用数字信号处理的方法（如FFT）来实现高度高分辨。但是经 典的FFT处理具有固定的频域采样间隔，近程测高精度和系统固有分辨率处于同一数量级。在高精度场合下，难以满足要求。 本文首先分析了LFMCW体制雷达测高原理，进而分析了点、面目标情况下差拍信号频谱特性。为了调试方便，采用DDS模拟差拍信号。因此，本文简 单介绍了DDS发展历程、AD9854使用方法以及如何设计椭圆滤波器。 最后，本文概述了数模变换的工作原理和特点，并对如何设计数模变换接口电路进行了介绍；接下来依据某LFMCW雷达高度表信号处理流程，结合技 术指标要求，运用FPGA和DSP采用FFT、Chirp_z算法实现高度高分辨，并且通过实测数据加以证明；本文最后一部分介绍了如何使用FPGA构造DSP链路口 ，而且进行了可行性分析和功能验证。 4.期刊论文 雷晓华.杨建宇.熊金涛.Lei Xiaohua.YANG Jianyu.XIONG Jintao 基于FPGA和DDS的LFMCW雷达波形产 生器设计及实例 -现代电子技术2005,28(7) 数字技术已经成为现代雷达普遍采用的波形合成方法,采用直接数字频率合成(DDS)产生线性调频信号及其他复杂信号的技术日益受到重视.对DDS性 能及杂散分布规律进行了分析讨论,详细介绍了AD公司直接频率合成芯片AD9854的主要功能及其关键参数的设计方法,最后给出一种新颖的基于FPGA和双 片DDS的应用实例设计--引入了雷达回波信号模拟模块的LFMCW雷达波形产生器,该系统可用于雷达内部功能模拟测试,最后对该系统进行了性能测试及结 果分析. 5.学位论文 张锐 GALILEO卫星信号模拟器的研究 2007 在国际卫星导航系统发展背景下，研究GALILEO卫星信号模拟器将具有十分重要的意义。本文以GALILEO卫星信号模拟器的开发为背景，着重对其中 涉及的关键技术进行了研究。 论文首先对GALILEO系统的总体组成和结构进行了详细的介绍，分析了其相对于美国GPS系统的特点。之后对GALILEO系统的频率分配、信号结构及其 调制体制作了分析与介绍，为模拟器的设计提供了依据。 针对模拟器设计的关键技术，论文首先研究了GALILEO系统采用的扩频通信技术理论、DS-SS扩频通信的基本特点和GOLD码序列的特点，然后研究了 频率合成技术，分析了PLL和DDS这两种频率合成技术的性能特点，为提出模拟器的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 奠定了理论基础。 根据以上的工作，提出了GALILEO卫星信号模拟器的总体设计方案，给出了模拟器的总体结构。针对GALILEO系统的特点，根据系统对伪随机码性能 的要求设计了基于FPGA的伪随机码产生模块；在对比研究PLL和DDS这两种频率合成技术的特点的基础上设计了基于DDS的载波产生模块；通过研究二进制 相移键控调制方式(BPSK)设计了载波调制模块；研究了三种常见DDS+PLL组合系统的优缺点，提出了改进方案，设计了基于DDS+PLL两次混频的上变频模 块。 在确定GALILEO卫星信号模拟器的设计方案的基础上，通过实际电路设计和仿真，论文详细的论述了模拟器的实现过程。在对Altera公司的FPGA芯片 及其第四代可编程逻辑器件集成开发设计软件Quartus Ⅱ进行充分理解的基础上，结合本系统的实现，采用FLEXIOKE系列芯片FLEX10K130E设计了伪码 DCO与伪码产生电路。在深入分析DDS芯片AD9854、宽频带双输入集成运算放大器0PA678、ADF4113芯片工作特点的基础上设计了以AT89C51单片机为控制 核心的载波频率合成系统、载波调制和上变频电路。最后，论文讨论了模拟器模拟载波多普勒频移设想。 6.期刊论文 李淑婧.LI Shu-jing 一种基于DDS的雷达中频模拟器 -现代电子技术2010(13) 介绍一种基于DDS芯片AD9854的雷达中频目标模拟器,以ADSP-BF532处理器为核心,以AD9854ASQ频率合成芯片为基本目标信号产生器,产生一组和、差 模拟中频回波信号,可产生常规脉冲、相位编码、线性调频等多种不同调制方式的雷达中频回波,输出一组和、差两路模拟中频回波信号,可用于多种新体 制跟踪雷达的调试和训练. 7.期刊论文 周资伟.王世练.张尔扬 多功能调制平台的设计与实现 -通信技术2003(11) 给出了利用AD9854与FPGA器件实现多功能调制的原理及实现方法.介绍了具体的设计思路及其在BPSK、MSK调制中的应用. 8.学位论文 刘璇 JTIDS信号模拟器研究 2007 雷达信号模拟技术是雷达技术中的一个重要分支和国内外军事研究领域的一个热门研究方向。雷达信号模拟器能够检验雷达在复杂、真实环境下对 目标的发现、跟踪等能力，具有很高的实用性和经济性。本课题来源于被动定位雷达信号模拟器的研制，选取了已广泛应用于美国三军的联合战术信息 分发系统(JTIDS)的信号作为模拟的对象。联合战术信息分发系统(JTIDS)具有很强的战场生存能力，目前美军在周边的部分地区已经装配了该系统，故 对JTIDS信号的研究与仿真是被动定位雷达信号模拟器研制中一项必需的工作，在被动雷达的调试和检验中都将起到一定的作用，具有重要的意义。 本文以被动定位雷达信号模拟器的研制为需求，以JTIDS信号仿真为背景，了解了国外 JTIDS系统网的建设情况和国内对JTIDS信号的研究现状，参 考了大量的国内外文献，完成了JTIDS发射信号模拟系统的设计。首先，根据JTIDS发射信号的特点，设计了基于FPGA+DDS的硬件实现方案。在JTIDS信号 的信道编码方面，研究了编码的算法和实现方法，完成了JTIDS发射信号信道编码过程的Simulink仿真和各个编码模块的硬件实现。在JTIDS信号混合扩 频方面，根据JTIDS信号的要求完成了扩频序列生成算法的设计，并应用Simulink完成了序列产生和序列相关特性的分析。最终，设计完成了以FPGA和 DDS器件AD9854和AD9858为核心信号产生电路，完成了JTIDS信号的MSK调制和信号跳频。 本文的一些研究和实践将对被动雷达系统性能的评估和检验起到重要的作用，并能够为进一步研究、干扰和截获JTIDS信号提供依据和数据源。但由 于JTIDS系统是美军的现役装备，其对外公开的资料十分有限，系统的一些关键技术还尚未公开，因此对JTIDS信号的仿真只能依照现有的资料尽可能地 逼近其真实的系统，还需要不断地完善和改进。 9.期刊论文 贺迎芳.皇甫堪.于红旗 基于PCI总线的DDS AD9854异步控制的设计与实现 -电子工程师2002,28(10) 介绍了一种通过PCI总线控制器PCI 9054对异步器件进行访问控制的方法.首先分析了PCI 9054的目标传输时序以及DDS芯片AD9854的主要特性,然后 采用FPGA器件,进行时序转换,完成了PCI 9054对DDS器件I/O口的异步读写操作. 10.期刊论文 綦睿.罗丰.吴顺君.Qi Rui.Luo Feng.Wu Shunjun 基于DDS的雷达中频信号源设计与实现 -火控雷达 技术2006,35(3) 本文首先介绍直接数字频率合成技术的基本原理以及ADI公司DDS芯片AD9854的功能、特点、具体应用方法,提出利用Altera公司Cyclone系列FPGA和 AD9854设计某型雷达中频信号源的具体方案,最后给出实测波形.结果表明信号质量较高,满足实际要求. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzcljs201007021.aspx 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