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基于CPLD与DDS的多模信号发生器研究与设计

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分类号：TP391.41 单位代码：10110学号：S2*******中北大学硕士学位论文基于CPLD与DDS的多模信号发生器研究与设计硕士研究生刘哲指导教师韩焱（教授）学科专业通信与信息系统2010年 4月 28日基于CPLD与DDS技术的多模信号发生器研究与设计摘要在现代军事通信与探测技术中，为了提高主动式无线探测系统的抗干扰能力，需要在系统发射端提供各种模式信号。

现阶段对于信号的抗干扰研究大多数集中在对信号频率的研究，包括跳频、扩频信号，或是在信号编码时提高信号承载内容的复杂程度，增强为随机信号的应用等方面。

但是利用信号调制模式的改变来设计信号发生器，从而增强信号抗干扰能力的设备还很少涉及。

本文在此基础上利用直接数字频率合成技术，在软件无线电思想的指导下，通过使用先进的CPLD控制技术，FLASH数据存储技术相结合，设计了一种在时间连续的条件下，按设计任意改变输出信号调制模式的多模信号发生器。

本系统主要由CPLD控制系统，DDS信号发生系统和FLASH存储系统三部分组成。

论文首先介绍了多模信号发生器的工作原理与系统构成。

其中包括DDS工作原理、多模信号切换实现方法，系统的硬件设计选择和系统整体框架结构设计。

第三章以系统的硬件设计为主，包括DDS发生系统的芯片选择与功能实现、CPLD 器件的分析与硬件设计、FLASH芯片的选型与接口规划，同时利用VHDL语言开发了时序控制电路并设计了相关系统的外围电路与信号输出后的滤波器设计。

第四章以系统软件流程图为基础，将软件设计从实现功能上分为三个部分，包括UFM存储的软件设计、FLASH存储的软件设计和实现信号产生的软件设计。

随后介绍了信号控制字与模式控制字的设计原则，设计了系统生成CHIRP信号、BPSK信号、FSK 信号和4级M序列伪随机信号的软件流程。

最后完成了系统的多模信号切换机制的软件设计。

在完成了软、硬件设计的基础上，本文在第五章进行了硬件调试试验和软件的数据分析，并对系统进行了总结。

通过本系统从思想、理论出发到信号发生器的设计完成、基本功能的实现，提出了一种提高通信过程中抗干扰能力的创新型解决方法。

系统的完成不但可以广泛应用于现有的无线探测、通信设备，而且为在实验室条件下信号的设计发生与研究，提供实际的参考价值。

关键词：无源定位，到达时差，定位算法，BP神经网络，RBF神经网络目录摘要 (II)目录 (5)第一章绪论 (7)1.1研究背景与意义 (7)1.2发展现状与未来趋势 (7)1.3 本文的研究内容 (9)第二章多模信号发生器的工作原理与总体设计 (10)2.1 多模信号发生器的工作原理 (10)2.1 DDS的工作原理 (10)2.1.2 多模信号转换的实现方法 (14)2.2 多模信号发生器的方案选择 (14)2.3 系统总体结构 (16)2.4 总体指标及模块技术指标 (17)2.6 本章小结 (18)第三章多模信号发生器系统电路设计 (18)3.1 DDS信号发生器硬件设计 (18)3.1.1 DDS硬件电路芯片选择 (18)3.1.2 AD9852芯片介绍与功能实现 (19)3.1.3 AD9852的功能实现 (21)3.1.4 AD9852外围电路硬件设计 (23)3.2 CPLD控制系统设计 (26)3.2.1 控制系统功能介绍 (26)3.2.2 CPLD芯片介绍及选择 (27)3.2.3 CPLD芯片外围接口电路设计 (31)3.3 FLASH存储系统设计 (33)3.3.1 FLASH芯片介绍与选型 (33)3.3.2 FLASH芯片接口设计 (34)3.4 VHDL语言设计控制CPLD程序设计 (35)3.5低通滤波器设计 (37)3.6 电源设计 (41)3.7本章小结 (42)第四章多模信号发生器系统软件与信号实现设计 (43)4.1 软件总体设计 (43)4.1.1 软件总体功能设计 (43)4.1.2 总体数据流程设计 (43)4.2 软件功能模块分解 (44)4.2.1 UFM模块设计 (44)4.2.2 FLASH模块设计 (46)4.2.3 CPLD读取并配置DDS芯片设计 (47)4.3.信号产生软件设计 (49)4.3.1信号数据设计 (49)4.3.2 多模信号产生软件设计 (55)4.3.3 多模信号输出转换程序设计 (63)4.4 本章小结 (67)第五章系统调试结果与分析 (68)5.1 电路系统调试与实验 (68)5.1.1 电路系统硬件实现 (68)5.1.2 DDS调试总结 (69)5.1.3 系统实验结果与分析 (70)5.2 软件系统调试与实验 (74)5.2.1 软件系统调试 (74)5.2.2 软件调试实验结果分析 (76)5.2.3软件调试总结 (76)5.3 本章小结 (76)第六章结论与展望 (77)第一章绪论1.1研究背景与意义随着当今社会信息化，电子化的快速发展，无线通信技术越来越受到世界的关注。

特别是在军事现代化技术逐渐成熟的今天，军事通信与测量作为保证现代化作战的主要方式，如果军事无线通信设备或无线控制设备没有必要的抗干扰措施，在现代化战争的大规模对抗环境下，就会出现通信中断，控制失灵，从而陷入被动挨打的局面。

为了保证正常可靠的通信或系统控制，需要加大研究、创新各种通信理论并实现各种新型的通信设备的应用。

在通信设备的研制中，信号源或信号发生设备是整个通信系统的基础。

因此对于信号的建设就显得尤为重要，频率合成技术是产生信号源的最理想的方法，特别是数字化处理水平的提高，软件无线电思想的建立，让基于数字频率合成技术的信号源设备的产生成为了现实。

在信号发生设备建立后，在信号传输过程中必然会受到多种形式的电子干扰，特别是在军用领域这种干扰更加突出，为了能够提高系统的抗干扰能力，在信号源使用各种手段加强信号安全性，提高抗干扰能力就成为了一种解决方案。

常用的信号源设备在信号建设方面使用两种技术来防止大多数人为干扰，一种是通过对频率的控制包括各种扩频、跳频通信系统来实现，另一种是通过对系统的信号源采用伪随机编码来保证输出的信号难以解密来实现。

但是通过改变输出信号的调制模式来设计的信号发生器，增强信号抗干扰能力的设备还很少涉及。

为此本文以此为出发点，设计了一种基于DDS（直接数字频率合成）技术的多模信号发生器，该信号发生器不同于以往的设备，是以控制变换信号调制模式为前提，在信号发生时采用不同时间使用不同调制模式信号输出，从而降低系统的信号人为干扰，提高系统的保密性与稳定性，同时可以将信号编码与信号发生复用，作为信号调制设备使用。

多模信号发生器的设计为提高通信过程中信号抗干扰能力的研究提出了一种创新型解决方法。

1.2发展现状与未来趋势频率合成技术作为现在广泛使用的一种频率输出技术，不管是普通电子设备的制造还是最尖端的科学仪器，大多的功能实现都是直接依赖于基于频率合成器以及相关产品，因此频率合成器常被人们誉为电子系统的“心脏”，而频率合成理论也因此在二十一世纪得到了飞跃的发展。

早期的频率合成技术是把一个或多个已知模拟频率源通过倍频、分频、混频等模拟电路的调理与运算实现需求频率的产生，然后选用窄带滤波器的进行滤波得到输出。

由于这种技术是直接在物理电路上出发，通过对频率进行各种电路运算，所以被称为直接频率合成技术。

在二十世纪五十年代，由于反馈理论的发展和模拟锁相技术的出现，出现了频率的间接合成技术。

这种技术以一个或几个参考频率源为基础，通过谐波发生器的混频、分频产生出多个频率，随后通过频率之间的重新组合利用锁相环把输出频率锁定在频率值上，由压控振荡器间接产生所需频率。

这个技术被称为间接频率合成技术或锁相式频率合成技术，至今，通过这种原理设计出的各种频率合成设备依旧占有着大部分市场，是使用最广泛的一种频率合成技术。

随着电子技术数字化概念的出现与发展，在1971年美国学者J.Tierney，C.M.Rader和B.Gold三位科学家发表了关于数字化频率合成的一篇研究性文章，文中第一次提出了DDS（Direct digital frequency synthesis，直接数字频率合成）的概念，DDS从相位的概念出发进，采用信号数据存储技术，具有精确的相位、极高的频率分辨力和快速的频率转换时间，是频率合成技术发展的一个创新。

但当时由于电子技术的落后以及信号处理水平不高等原因，DDS 技术并没有受到很好的关注。

但是随着电子工程领域的不断发展与应用，数字集成电路的不断发展，更高精度的晶振源的出现，DDS技术逐渐显示出了其作为数字频率合成技术的优势，并同锁相频率合成技术一同发展壮大。

由于DDS具有其它合成技术不具备的优点，再经过科学理论的不断扩充与完善和电子集成工艺技术的大力发展，DDS已经开始走向应用化，走向产品化。

高科技的电子公司投入了大量的人力、物力，不断的推出DDS的跨时代产品。

并且在将来还会一直致力于DDS技术的研究与发展，可以说在未来DDS技术将有着最广阔的空间，有着最广泛的使用。

而DDS本身也由于设计原理的问题存在一些固有缺陷，但是基于锁相频率合成技术的优势正好可以弥补这种缺憾，而使用DDS技术和锁相环式频率合成技术相互融合，合并两种技术的优点，将成为整个频率源的核心发展趋势。

1.3 本文的研究内容本文的主要内容是研究并设计了一种基于CPLD控制的DDS多模信号发生器设备，该设备不同于以往的信号发生器，它可以以模块化的形式实现信号在多种调制模式的快速相互切换，生成的各种信号其持续时间长度可自由定义，并且可以设置发生的顺序，同时多模信号发生器具有存储并发射用户自定义信号的能力，即原则上可以产生任意波形信号。

整个系统产生的信号具有高精度、转换时间迅速、频带输出宽等优点。

对于不同的用户可以设置不同的信号产生方案，也是为广泛的无线探测与通信设备提供了良好的硬件支持与保障。

基于该硬件的设计，本文分为以下几个章节：第一章，本章主要介绍了多模信号发生器的内涵与需求并简要介绍了频率合成技术的发展。

第二章，主要介绍了DDS信号合成的工作原理，多模信号发生器的设计思路与实现方法，并对系统总体进行了描述，指出了设计的具体硬件与软件指标。

第三章，主要完成对系统整体硬件的设计，其中包括DDS芯片介绍，CPLD 控制电路设计，FLASH存储设备的介绍和接口设计以及外围电路、滤波器、电源等相关设计，并画出了PCB板与原理图，实现了硬件电路的制作。

第四章，通过系统的设计思路，完成信号发生器的软件设计。

其中主要包括总体数据与控制流程的设计，DDS芯片内部寄存器的数据组成与结构分析，CPLD 控制时序的编程，Chirp信号、BPSK信号、FSK信号、M序列伪随机信号等不同调制模式信号的产生与切换等一系列软件设计，并对仿真结果进行了分析。

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CPLD实现DDS信号源的设计_薛延侠

CPLD实现DDS信号源的设计_薛延侠

CPLD 实现DDS 信号源的设计薛延侠,赫建国(西安邮电学院　陕西西安　710061)摘　要:利用CPL D 在高速数据处理方面的特点设计出以V HDL 硬件描述语言为设计输入,以A LT ERA 公司的EPM 7256芯片为设计载体,基于D DS 技术的任意波形信号发生器。

该信号发生器能同时输出两路信号,输出信号的频率和两路输出信号之间的相位差可以步进调整。

通过M ax +P lus Ⅱ开发软件的时序分析表明,该设计具有高精度的频率和相位调节能力,相位调整的分辨率为12位,频率调整的分辨率为32位。

实测结果表明,所讨论的方法和研制的系统是可行的、有效的。

关键词:复杂可编程逻辑;直接数字频率合成;信号产生器;频率;相位中图分类号:T N 911.2 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2005)1907303Design of DDS Signal Generator Based on CPLDXU E Y anxia ,HE Jianguo(Xi ′a n Inst itute o f P osts and T elecom municatio ns ,Xi ′an ,710061,China )Abstract :T his paper intr oduces the met ho d o f developing DD S sig na l gener ator by using t he V HDL har dwar e description lan-guag e as design input and the A lter a ′s EPM 7256chip as desig n carr ier .T wo sig nals with output fr equency and phase differ ence a d-justable ar e g ener ated.T he result of time analy zing show s that the signal gener ator has hig h accur acy o n frequency and phase.It has achieved a phase r esolutio n o f 12b and a frequency r esolutio n o f 32b.T he r esults of ex per iments have pro ved that the technique and system in t his paper a re feasible and effectiv e.Keywords :CP L D ;D DS ;sig nal g enerat or ;fr equency ;phase收稿日期:20050602 复杂可编程逻辑(CPLD)器件具有高的电路集成度和快的数据处理速度,使用他在开发设计应用系统时还可以借助计算机的支持实现电子设计自动化(EDA )。

基于FPGA的DDS信号发生器设计【开题报告】

基于FPGA的DDS信号发生器设计【开题报告】

毕业设计开题报告电子信息科学与技术基于FPGA的DDS信号发生器设计一、选题的背景与意义1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的"A Digital Frequency Synthesizer"一文首次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合成原理。

限于当时的技术和器件生产，它的性能指标无法与已有的技术相比，故未受到重视。

之后的一年间，微电子技术有了飞速的发展，直接数字频率合成器（即DDS）也得到了迅速的发展。

一些传统的信号波形产生方法，如RC和LC振荡器或单片模拟集成函数发生器，尽管它们的电路实现比较简单，但产生的信号波形频率精度和稳定度并不是很理想，而使用锁相环技术，频率精度有了很大的提高，但工艺相对比较复杂，分辨率也不高，频率变换和实现计算机程序控制也不方便。

而这种DDS技术将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域，实现了合成信号的频率转换和频率准确度之间的统一。

它具有相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、输出波形灵活、可编程、全数字化、控制灵活、体积小、易于集成、功耗低等优越的性能特点，击败其他频率合成技术脱颖而出，成为了现代频率合成技术的佼佼者。

现如今性能优良的DDS产品不断推出，它们集可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器等于一身，能实现多种功能，被广泛应用于跳频通信、雷达、导航、电子侦察、干扰和反干扰等电子技术领域，具有极高的研究价值。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：研究的基本内容：DDS信号发生器由参考时钟、相位累加器（累加器、相位寄存器）、波形存储器（波形查找表）、D／A转换器和模拟低通滤波器组成。

（1）参考时钟参考时钟是电路的工作时钟由开发板上的晶振（约50MHz）提供。

（2）相位累加器DDS系统的核心部分为相位累加器，其主要负责DDS实现原理中的相位累加功能的完成。

如果累加器的位数大，这样才能使DDS的优越性充分发挥出来，通常DDS的输出频率可由频率控制字K控制，其设定可根据需要进行。

基于FPGA的DDS信号发生器的研究 开题报告

基于FPGA的DDS信号发生器的研究 开题报告

基于FPGA的DDS信号发生器的研究1．课题背景直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，简称：DDS）技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角度出发直接合成所需波形。

这种技术由美国学者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，是一种以数字信号处理理论为基础,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的全数字技术的频率合成方法[1]。

但是限于当时的技术和工艺水平，DDS技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。

近30年来，随着超大规模集成（Very Large Scale Integration,简称：VLSI）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device,简称：CPLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称：FPGA）等技术的出现以及对DDS 理论的进一步探讨，使得DDS得到了飞速的发展。

由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号，广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域[2]。

近年来，已有DDS技术的波形发生器陆续被研制、生产和投入应用。

2．目的和意义信号源是一种基本的电子设备，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到信号发生器[3]。

综上所述，不论是在生产还是在科研与教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真试验的最佳工具。

随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对信号发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦信号源、脉冲信号源，还能根据需要产生函数信号源和高频信号源，信号源常有三方面的用途：(1)激励源，作为某些电器设备的激励信号。

基于CPLD的函数信号发生器设计开题答辩

基于CPLD的函数信号发生器设计开题答辩


1 研 究 现 状 RESEARCH STATUS
现代电子技术的核心技术是EDA（Electronic Design Automation）。EDA技术就是依赖强大的电子计算机在EDA开发平 台上，对硬件描述语言HDL(Hardware Description Language)系 统逻辑描述手段完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、逻辑化 简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优 化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使得 设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现。
面，VHDL具有良好的适应性。本文的DDS系统以CPLD为核心，采用
直接数字合成技术，辅以必要的意模拟义电路，构成一个波形稳定，精
度较高的函数信号发生器。本系统的特色在于CPLD中集成了大部分 电路，使系统大大简化，除输出所需的正弦波、方波、三角波，还 可进行波形存储,三种波形之间的相位差均为120°。
3 研究内容
RESEARCH CONTENTS
整个设计采用MAX+ plus II开发平台，VHDL编程实现，基于可 编程逻辑器件CPLD设计多波形信号发生器。用VHDL编程实现，其设 计过程简单，极易修改，可移植性强。系统以CPLD为核心，采用直 接数字合成技术，辅以必要的模拟电路，构成一个波形稳定，精度 较高的函数信号发生器。系统的特色在于除晶体振荡器和A/D转换外， 全部集成在一片CPLD芯片上，使系统大大简化。它可输出频率、幅 度可调的正弦波、三角波、方波。另外由于CPLD具有可编程重置特 性，因而可以方便地更换波形数据，且简单易行，带来极大方便。
5 时 间 安 排 SCHEDULE
研究 阶段
第二阶段