第一章 绪论

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1.5 主要研究工作及论文内容安排

本文主要研究基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现，在分析研究DDS基本原理的基础上开发出了任意波形发生器的硬件平台和软件界面。本文实现的任意波形发生器既具有虚拟仪器成本低、可扩展、灵活性强、人机界面友好等特点，又具备传统台式任意波形发生器的优良性能，能够产生各种常规波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等，也能产生用户自定义的任意波形，另外它还可以产生噪声信号和调幅、调频及多种数字调制信号。

本论文共分七章，各章内容安排如下：

第一章为绪论，简要介绍本文研究工作的发展现状、目的和意义以及课题研究的目标；

第二章详细分析了DDS的基本原理及其输出信号的频谱结构，介绍了DDS频谱特性改进技术；

第三章描述任意波形发生器的设计方案和总体结构，并对各个模块硬件电路进行了设计；

第四章介绍了基于FPGA的控制模块、DDS波形发生模块和调制模块的具体设计以及DDS杂散抑制技术具体实现；

第五章介绍了波形发生器的软件设计，从固件代码、驱动程序及用户程序三个方面进行了说明；

第六章对本文设计的任意波形发生器的具体性能测试作了说明；

第七章对本文的研究工作进行了总结，并指明了该课题进一步的研究方向。

第二章 任意波形发生器的理论分析

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第二章 任意波形发生器的理论分析

2.1 频率合成技术及性能指标

所谓频率合成技术是指以一个或者多个高精确度和高稳定度的频率参考信号源为基准，在某一频段内，综合产生多个工作频率点的技术。频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段，在通信、雷达、导航、广播电视、电子侦察、电子干扰与反干扰及现代仪器仪表中有着广泛的应用。依据频率合成原理制成的频率源称为频率合成器。对频率合成器的基本要求是既要合成所需频率，又要保证信号的纯净。综合来看，衡量频率合成器的主要性能指标[4]为：

（1）输出频率范围

输出频率范围是指频率合成器输出最低频率fomin和输出最高频率fomax之间的变化范围。fomax?fomin越大，频率合成器的输出频率范围越宽，有时候也用相对带宽?f来衡量其输出频率范围：

?f?fomax?fomin2(fomax?fomin)?100%??100% 式(2-1)

(fomax?fomin)/2fomax?fomin（2）频率稳定度

频率稳定度指在在规定的时间间隔内，频率合成器的实际输出频率与频率标定值偏差的数值，可分为长期、短期和瞬时稳定度。

（3）频率分辨率

频率合成器的输出频谱通常是不连续的。频率分辨率指两个输出频率之间的最小间隔。

（4）频率切换时间

频率切换时间指输出频率由一个频率切换到另一个频率并达到稳定工作所需的时间。该指标与频率合成所采用的技术紧密关联。

（5）频谱纯度

频率合成技术中常常提到的一个指标就是频谱纯度，频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量。杂散又称寄生信号，分为谐波分量和非谐波分量，主要由频率合成过程中的非线性失真产生，也有频率合成器内外干扰的影响，还与频率合成方式有关；相位噪声是是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上表现为主谱两边连续噪声边带。频谱纯度是衡量频率合成器质量的一个重要指标。

（6）调制性能

调制性能是指频率合成器的输出是否具有调幅、调频、调相、幅移键控、频

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基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现

移键控、相移键控、扫频、猝发等功能。

频率合成理论[5]形成于20世纪30年代，经过几十年的发展，经历了三代技术变革。

第一代：直接频率合成技术。直接频率合成是一种早期的频率合成技术，它利用一个或者多个不同的晶体振荡器作为基准频率源，经过倍频、分频、混频及模拟开关等途径直接组合出多个离散频率的输出信号。

f1晶振1f2开关开关滤波器开关晶振2fn晶振n开关滤波器组f

控制信号图2.1 直接频率合成原理框图

图2.1是直接频率合成的一种示例。在这种频率合成技术中，由控制信号选择不同输入信号进行混频，在频率合成器的输出端可以得到任意一个输入频率的频率值，或者任意两个或两个以上频率的和频或差频。这种方法得到的信号长期和短期稳定度高，频率切换速度快，但是大量混频器和滤波器的使用使大规模集成不可能，因而体积大、功耗大、调试难度大，并且杂散抑制不易做好。目前仍有些雷达信号的产生采用此方法。

第二代：锁相频率合成技术。锁相频率合成也称间接频率合成，是20世纪50年代出现的频率合成技术。它是利用一个或者几个参考频率源，通过谐波发生器混频或分频，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器（Votage Controlled Oscillator，VCO）的输出频率锁定在某一谐波或者组合频率上，由VCO间接产生所需频率输出信号。

fr参考频率参考频率鉴相器环路滤波器压控振荡器fofoN分频器÷N

图2.2 锁相环频率合成原理框图

图2.2是锁相环频率合成框图，它的工作原理为：参考频率提供基准频率fr，

第二章 任意波形发生器的理论分析

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VCO输出频率fo经分频器分频后为fo/N，此信号与输入参考信号在鉴相器中进行相位比较，鉴相器输出两个信号的相位误差信号，再经过环路滤波器送到VCO，调整VCO的输出频率使得fo/N?fr，环路进入锁定状态。若想改变输出频率，可以通过输入参考频率fr或者改变分频器的分频比N来实现。如果固定参考频率

fr不变，则VCO的输出频率是随N变化的一组不连续的频率，其值是fr的整数倍。fr的值就是频率合成器的输出固定频率分辨率?fo。

由此可见，锁相环频率合成器实际上是一个反馈系数可变的误差反馈控制系统。这种频率合成方法的优点是频率稳定度高，杂散抑制好，频谱纯度高，电路简单可靠，调试简便。锁相频率合成的这些优点使其具有广泛的用途，其中一个重要的应用方向是用高稳定的参考频率振荡器作为参考时钟使用环路锁定，以提供一系列高纯，高稳定度的频率源。

但是锁相频率合成存在一个问题：在改变锁相频率合成器的输出频率时，由改变N导致失锁到频率重新锁定需要一个转换时间Ts，而经过前面的分析可知，为了提高其频率合成的分辨率，需要减小参考频率fr，而这与频率转换时间是相矛盾的。根据工程中的经验公式：

Ts?25 式(2-2) fr由上式可以看出，频率转换时间Ts与参考频率fr成反比。提高频率分辨率要以增加频率切换时间为代价。目前解决这一问题的办法是采用小数分频合成方法。但总的来看，锁相频率合成引入了闭环系统，其频率切换速度比直接合成技术慢。在频率转换速度要求不高，但对相位噪声、杂散要求高的场合，锁相频率合成技术仍有着特殊的优势。

第三代：直接数字频率合成（DDS）[6]技术。DDS技术的出现是频率合成技术的一次重大变革，它突破了前两代频率合成技术的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。DDS的原始结构可以表示为图2.3的形式：

地址计数器fc波形存储器数模转换器低通滤波器输出fo程控时钟图2.3 DDS原始结构

图2.3所示是DDS的最初结构，这是一种基于数字存储器的波形产生系统，又被称做数字波形存储直读法或者直接数字波形合成（Direct Digital Waveform Synthesis，DDWS）。这种结构利用可程控的时钟信号作为地址计数器的计数时钟，