（信号与信息处理专业论文）基于dsp的直接数字频率合成（dds）技术研究.pdf

硕士论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 摘要 直接数字频率合成器d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 由相位累加器、波形r o m 、 d a 转换器和低通滤波器构成。具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位 连续、输出相位噪声低等优点。d d s 技术已在雷达、通信、电子对抗和仪器仪表等领 域得到了广泛的应用。 论文比较了各种频率合成技术的特点，研究了a d i 公司的a d 9 8 5 4d d s 芯片的结 构及功能特点，分析了该d d s 输出频谱特性和相关技术指标，并给出了改进措施。在 a d 9 8 5 25 4c u s t o m e re v a l u a t i o n 软件上对d d s 评估板进行了细致的仿真测试，完成了 正弦单频信号、f s k 等调制信号的在线仿真。 论文基于t m s 3 2 0 v c 5 4lod s p 处理器和a d 9 8 5 4 设计完成了一种直接数字频率合 成器，包括存储器模块、电源模块、时钟模块及相关的外围接口电路。设计完成了整个 系统软件，包括d d s 驱动程序，正弦波、f s k 、c h i r p 等波形产生程序，b o o t l o a d e r 自举程序等。 论文采用外部引导加载的方式，成功实现了v c 5 4 1 0d s p 处理器系统程序的烧写、 引导。最后通过对所设计的直接数字频率合成器进行联试联调，产生了正弦波、f s k 等 波形，实现了设计的功能要求。 关键字：直接数字频率合成，d s p ，杂散信号，f l a s h 存储器，引导加载，调制信号 a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ( d d s ) c o n s i s t so ft h ep h a s ea c c u m u l a t o r , t h es i n el o o k - u p t a b l e ，t h ed i g i t a lt oa n a l o g yc o n v e r t e ra n dt h el o wb a n df i l t e r t h eg e n e r a t e ds i g n a l sh a v e a d v a n t a g e so fh i g hf r e q u e n c yr e s o l u t i o n s ，f a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e d ，l o wp h a s en o i s e ，t h e a b i l i t yt os w i t c hf r e q u e n c i e sw h i l em a i n t a i n i n gc o n s t a n tp h a s e n o wi th a sb e e nw i d e l yu s e d i nt h ef i e l d so fr a d a r , c o m m u n i c a t i o n ，a p p a r a t u s ，e t c f i r s t l y , t h et h e s i sc o m p a r e st h ef e a t u r e so fv a r i o u sf r e q u e n c ys y n t h e s i sm e t h o d s ，s t u d i e s t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fa d l sa d 9 8 5 4 t h e na n a l y s e st h es p e c t r u mo fo u t p u ts i g i n a la n d p u tf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e s t h et h e s i ss i m u l a t e sa n dt e s t st h ee v a l u a t i o n b o a r du n d e ra d 9 8 5 25 4c u s t o m e re v a l u a t i o ns o f t t h es i n g l e t o n e ，f s kc h i r p m o d u l a t i o ns i m u l a t i o na r ea l s oc o m p l e t e d ad i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e rb o a r db a s e do nd s pp r o c e s s o r st m s 3 2 0 v c 5 4 10o ft ia n d a d 9 8 5 4h a ss u c c e s s f u l l yd e s i g n e d s u c ha sm e m o r yc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i t ，c l o c kc i r c u i ta n d o t h e re x t e r n a li n t e r f a c ec i r c u i t t h ee n t i r es y s t e ms o f t w a r eh a sb e e nd e s i g nc o m p l e t e l y i n c l u d i n gt h ed d s d r i v e r sp r o g r a m m e ，t h es i n ew a v e 、f s k 、c h i r pa n db o o t l o a d e r t h i st h e s i sf o c u s e so nh o wt od e s i g nt h eb o o t l o a d e r t h ep r o g r a m m eh a ss u c c e s s f u l l y b e e nb u r n e di n t of l a s h m e m o r yb yp e r i p h e r a lb o o t l o a d e r f i n a l l y , b yt e s t i n ga n dd e b u g g i n g o nd d s p r o t o t y p e ，t h es i n ew a v e 、f s k 、c h i r p w e r ea c h i e v e d i tp r o v e dt h a tt h ed e s i g no f s y s t e mi se f f e c t i v e k e yw o r d s - d d s ，s p u r i o u ss i g n a l ，f l a s hm e m o r y , d s p , b o o t l o a d e r , m o d u l a t e ds i g n a l 声明尸i 刃 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 1 绪论 1 1 频率合成技术概述 频率合成技术是指用一个或多个具有频率稳定度和精度很高的参考信号通过频率 域的运算，产生具有同样稳定度和精度的大量离散频率的过程。完成这一功能的装置称 为频率合成器。频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，在通信、雷达和导航等设 备中，频率合成器的输出信号通常作为发射机的激励信号和接收机的本振。在电子对抗 设备中，频率合成器可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，频率合成器可作为标准 信号源。因此，频率合成器在通信、雷达等领域获得广泛的应用。随着电子技术的不断 发展，对频率合成器的要求越来越高，频率合成器的主要性能指标有”】： ( 1 ) 输出频率范围 频率范围是指频率合成器输出最低频率和输出最高频率之间的变化范围，包括中心 频率和带宽两个方面的含义。 ( 2 ) 频率稳定度 频率稳定度指在规定的时间间隔内，频率合成器输出频率偏离标定值的数值，分为 长期、短期和瞬间等三种稳定度。 ( 3 ) 频率间隔 频率间隔是指两个输出频率的最小间隔，也称频率分辨率。 ( 4 ) 频率转换时间 频率转换时间是指输出频率由一个频率转换到另一个频率的时间。 ( 5 ) 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 波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位 抖动大小的参数。 ， ( 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( 州) ，调频( f m ) 和调相( p m ) 等功能。 1 2 国内外发展趋势 1 2 1 频率合成技术的发展 频率合成技术起源于二十世纪3 0 年代，至尽已有7 0 多年的历史。频率合成器的实 现方法有三种：直接模拟频率合成、间接频率合成和直接数字频率合成。根据出现的时 间顺序，也可将其分为三代【3 1 。 l 绪论硕士论文 第一代：直接模拟频率合成技术。利用一个或多个不同的晶体振荡器作为基准信号 源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号，称为直接式频率 合成。这种方法获得的信号具有频率的长期和短期稳定度高、频率变换速度快等特点， 但调试难度大，杂散抑制难。目前一些雷达信号的产生仍用此法。 第二代：锁相频率合成技术。在2 0 世纪5 0 年代出现了锁相式频率合成器，也称为 间接式合成器。它利用一个或者几个参考频率源，通过谐波发生器混频和分频等产生大 量的谐波或组合频率，然后用锁相环，把压控振荡器的频率锁定在某一谐波或组合频率 上。由压控振荡器间接产生所需频率输出。这种方法优点是由于锁相环路相当于一个窄 带跟踪滤波器，因此能很好地选择所需频率的信号，抑止杂散分量，避免了大量使用滤 波器，有利于集成化和小型化。由于压控振荡器具有很高的短期频率稳定性，标准频率 源具有高的长期频率稳定度，锁相式频率合成器把这二者结合在一起，使其合成信号的 长期频率稳定度和短期频率稳定度都很高。频率稳定度和杂散抑制好，调试简便；缺点 是频率切换速度比直接合成慢，单环频率合成器的频率间隔不可能做的很小。表1 2 1 对直接模拟频率合成器和锁相频率合成器的一些指标进行了比较。 表1 2 1直接模拟频率合成与锁相频率合成比较 指标 直接模拟频率合成锁相频率合成 采用多环也可达到要求的频率 频率范围及间隔可做到宽的工作范围和细的频率间隔 范围和间隔 转换时间快( 几十微秒)入锁时间长( 毫秒量级) 倍频、混频多，杂散干扰多，一般做 远端噪声由压控振荡器决定， 到1 0 0 d b 比较难，远端噪声较差，一 干扰与噪声指标好( 一般可达到 般在1 2 0 d b h z ，最好为1 4 0 d b h z ， 近端噪声接近参考源指标 1 4 0 d b h z ) ，设计得当杂散小。 输出功率混频、倍频功率小，一般要加放人器压控振荡器振荡强，功率火 结构 滤波器多，复杂、体积大简单、易丁集成、体积小 失锁、错锁均有输出，需要锁 可靠性电路不正常时无输出，易于检查 定判别指示 耗电 较小大 第三代：直接数字频率合成技术。2 0 世纪7 0 年代以来，随着数字集成电路和微电 子技术的发展，出现了一种新的合成方法一直接数字式频率合成( d d s ) 技术。它从相位 的概念出发进行频率合成，采用了数字采样存储技术，具有精确的相位、频率分辨力， 快速的转换时间等冲突优点。 直接数字频率合成( d d s ) 技术是一种新的频率合成法，是频率合成技术的一次革 命，j o s e p ht i e r n e y 等人于1 9 7 1 年提出了直接数字频率合成的思想，但由于受当时 微电子技术和数字信号处理技术的限制，d d s 技术没有受到足够重视，随着电子工程 领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，d d s 技术日益显露出它的优 越性。d d s 的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力，但也正是由于全数字结构 2 硕十论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 使d d s 有两点不足，输出带宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的限制， 特别是数模转换器的限制，使得工作的时钟频率较低，输出带宽窄，很难直接应用于微 波频段。杂散是本身所固有的缺点，且随着输出带宽的扩展，杂散将越来越明显地成为 抑制发展的重要因素。 随着电子技术的发展，各类电子系统对信号源的要求越来越高，需要同时满足低相 噪、快捷变频、高频率分辨率、带宽、小体积、低功耗等指标。由上面的分析可知，虽 然这三种频率合成方式都可以在某些指标上获得理想的效果，但没有一种方式可以满足 所有的技术要求。 实际上，由于三种方式各有优劣，完全可以利用优势互补，所以产生了混合式频率 合成技术( h y b r i df r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 。其中d d s 与p l l 频率合成混合应用最为广泛， 基本原理即利用d d s 的输出作为p l l 的参考输入，来解决频率分辨率和相噪的矛盾。 1 2 2 直接数字频率合成的应用及现状 d d s 有如下优点【6 , 3 1 】：( 1 ) 频率分辨率高；( 2 ) 频率切换速度快，可达p s 量级；( 3 ) 频 率切换时相位连续；( 4 ) 可以输出宽带正交信号；( 5 ) 输出相位噪声低，对参考频率源的 相位噪声有改善作用；( 6 ) 可以产生任意波形；( 7 ) 全数字化实现，便于集成，体积小， 重量轻。因此八十年代以来各国都在研制和发展各自d d s 产品，现在流行的d d s 产品 以a n a l o gd e v i c e s 公司的最多，主要有a d 7 0 0 8 、a d 9 8 3 0 9 8 3 5 、a d 9 8 5 0 9 8 5 4 等 十几种芯片，形成了从0 - 1 2 0 m h z 的宽输出频率范围系列。此外，q u a l c o m m 公司 也有q 2 3 3 4 、q 2 3 6 8 等产品。这些d d s 芯片的时钟频率从3 0 m h z 到1 2 5 m h z 不等，芯 片从一般功能到集成有d a 转换器和正交调制器。国内也有不少公司已经有类似的仪 器。如江南电子的e m 3 3 1 5 1 型d d s 数字合成任意波形发生器( 频率0 1 h z 1 5 m h z 、 频率分辨率为0 0 1 h z 、输出信号为三角波、方波、正弦波等波形) 南京新联电讯仪器 有限公司的e e l 4 6 1 型高频d d s 合成信号发生器等。 由于d d s 的特点以及一些公司不断推出d d s 芯片和产品，d d s 技术被广泛用于 雷达、通信、电子对抗和仪器仪表等领域11 , 1 3 】。 ( 1 ) d d s 在雷达中的应用 在机载雷达中，由于机载平台的运动以及光线波束对地扫描角度的变化，会产生一 个多普勒频率经常变化的地杂波回波，为了补偿地杂波回波引起的多普勒频率，需要一 个精度、稳定性和频谱纯度都较好的频率源。 ( 2 ) 音频测试 d d s 函数发生器与r f 信号发生器一起使用，可产生测试商用调频立体声收音机所 需的信号。 ( 3 ) 产品检测 l 绪论硕十论文 基于d d s 的函数发生器可用来测试信号频率范围内的电子元件的特性。 ( 4 ) 医学应用 采用d d s 技术的函数发生器可以用来模拟各种各样的生理信号。 ( 5 ) 产生常规波形和任意波形 d d s 函数发生器允许用户从计算机屏幕上复制波形，根据数学模式产生波形或者 在数字板上画出波形。 d d s 的全数字结构也给它带来了两个缺点，一个是输出杂散较大，另一个是输出 带宽受到限制。d d s 有三个杂散源：相位截断误差、幅度量化误差和d a 转换器的非 理想特性。d d s 输出带宽受限是由予数字器件的工作频率不能很高以及d d s 本质上是 一个分频器引起的。 为了克服d d s 输出杂散大的缺点，国内外学者对d d s 输出频谱特性进行了大量研 究，在分析频谱特性基础上，给出了一些降低杂散功率的方法，主要有如下三种： ( 1 ) 优化设计波形r o m 和相位累加器。 ( 2 ) 用随机抖动法提高无杂散动态范围。 ( 3 ) 使用过采样的方式降低带内误差功率。 为了提高d d s 输出频率，一方面一些半导体公司利用目前最先进的半导体集成技 术不断提高d d s 芯片本身的工作频率，另一方面很多学者和单位把d d s 技术和其它方 法组合起来以扩展输出频率。例如当输出信号频率高而带宽较窄时，可以利用移相技术 或混频滤波法扩展d d s 输出频率。在组合式频率合成技术中，d d s + p l l 组合式频率合 成器是一种扩展d d s 频率的有效方法，它兼顾d d s 和p l l 两者的优点，d d s 十p l l 组合方式分d d s 激励p l l 的锁相倍频方式和p l l 内插d d s 的方式。 在国内，虽然对它的研究起步较晚，也还不具备生产d d s 的能力，但是d d s 在电 台、数据通讯、雷达、航天航空领域的应用还是屡见报道【2 1 。特别是d d s 的线性调频 功能对新一代雷达的波形发生及本振信号的生成产生了巨大的影响，它可用于载波频 率、线性调频速率、脉冲宽度以及脉冲重复频率的参数在很大范围内变化的雷达信号产 生，以满足目标探测、目标跟踪以及目标识别等不同概念。国内电子部研究所如1 0 所、 1 4 所、2 9 所等，高校如西安电子科技大学电、成都电子科技大学、北京理工大学等， 都对d d s 进行过摸索，相继有不少系统问世。 现代通信与电子系统的发展，对频率合成技术在多个性能方面提出了更高的要求， 也使得频率合成技术朝着集成化、程控化、数字化、小型化、频率范围的宽带化、频率 间隔的微细化、频率转化的高速化这样一个方向发展。这也必将使得频率合成技术在信 号合成、仪器仪表、现代通信、软件无线电等领域得到更加广泛的应用。 4 硕士论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 1 3 本文的主要工作 本文以基于d s p 控制下的d d s 为研究对象，主要对d d s 系统的硬件、软件以及 仿真测试进行了分析和设计。所做的具体工作如下： ( 1 ) 以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 为核心完成d d s 系统的硬件设计。主要包括：电源电 路、时钟电路、存储器外接电路、j t a g 接口电路等。 ( 2 ) 基于d d s 评估板的软件的测试仿真，分析了d d s 的杂散来源，并讨论了减少 噪声的方法。 ( 3 ) 设计完成了整个系统软件，包括d d s 驱动程序、正弦波和f s k 等波形产生程序、 b o o t l o a d e r 自举程序等。 ( 4 ) 进行d s p 和d d s 系统的联合测试，在硬件电路板上实现了0 1 2 0 m h z 的正弦波 输出、f s k 等调制信号。 5 2 直接数字频率合成( d d s ) 技术硕上论文 2 直接数字频率合成( d d s ) 技术 2 1d d s 的工作原理 d d s 是一种全数字化的频率合成器，由参考时钟、相位累加器、波形存储器、d a 转换器和低通滤波器五个部分构成【7 】od d s 的基本原理框图如2 1 1 所示。其中k 为频 率控制字、为参考时钟频率，n 为相位累加器的字长，r o m 数据位及d a 转换器的 字长假设为d 。 图2 1 1d d s 原理图 对每一个时钟脉冲，n 位加法器将频率控制数据k 与累加寄存器输出的累加相位 数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将上一时钟周 期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用 下继续与频率控制数据相加；另一方面将这个输出的n 位二进制码与相位控制字，波 形控制字相加后作为取样地址值送入幅度相位转换电路即图2 1 1 中的波形存储器 r o m ，幅度相位转换电路根据这个地址值输出相应的波形数据。最后经d a 转换和低 通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。 理想的正弦波信号s ( t ) o - i 表示成【3 】 s ( f ) = a c o s ( 2 f f f i + 印 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 说明s ( t ) 在振幅a 和初相秒确定后，频率由相位确定 ( f ) = 2 刀厂t + o ( 2 2 ) 从上式可以看出在任何时间增量出内，相位增量为= 2 z c f a t ，在此式中，如果令 ：k 等 ( 2 3 ) f ：上( 2 4 ) f c 则有 6 硕上论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 2 咖址= 等婚等 此式的意义在于将2 7 r ( 一周) 相位平均分为2 s 个等份， 化k 个这样的等份。 所以有 ( 2 5 ) 而在一个时钟周期内相位要变 石：簪 ( 2 6 ) 当时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨力取决于累加器 的位数n ，相位分辨力取决于r o m 的地址线位数，幅度量化噪声取决于r o m 的数据 字长和d a 转换器位数。 2 2d d s 的结构 d d s 的基本结构包括相位累加器，波形存储器r o m ，数模转换器d a c 和低通滤 波器。下面分别介绍其中的一些模块。 2 2 1 相位累加器 相位累加器是用于实现相位的累加并存储其累加结果。若当前相位累加器的值为 1 1 ，经过一个时钟周期后变为n + l ，则满足：n + 1 = n + f c w ，可知，1 1 是一个 等差数列，不难得出： n + l - - n xf c 件0( 2 7 ) 其中o 为相位累加器的初始相位值。 相位累加器的基本结构如图2 2 1 所示，它由一个n 比特的加法器和一个n 比特寄 存器构成，寄存器通常采用n 个d 触发器来构成。 n 比特 图2 2 1 相位累加器基本结构 7 2 直接数字频率合成( d d s ) 技术 硕士论文 2 2 2 波形存储器r o m d d s 的正弦查询表r o m 所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦幅 值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高p 位对其进行寻址，最后输出为与 该相位对应的二进制正弦幅值序列。可以看出，r o m 的存储量为2 p d 比特，其中p 为相位累加器的输出位数，d 为r o m 的输出位数，若p = 1 2 、d = 8 ，可以算出r o m 的 容量为3 2 7 6 8 比特，在d d s 芯片上集成这么大的r o m 会使成本提高，功耗增大，且 可靠性下降，所以就有了许多压缩r o m 容量的方法。而且，容量压缩了还可以使用更 大的p 和d 值，进而使d d s 的杂散性能提高。由于正弦函数具有对称性，所以可以用 0 卅r 2 内的幅度值来表示0 2 7 r 内的幅度值，最高两位地址码用来表示象限。 2 2 3 数模转化器d a c 数模转换器的作用是将数字信号转变成模拟信号。而实际上由于d a c 分辨率有限， 其输出信号并不能真正地连续可变，所以只能输出阶梯模拟信号。d a c 有电压输出和 电流输出两种，美国a d 公司的d d s 芯片内部都集成有d a c ，称为完全d d s ，这种结 构简化了d d s 的系统设计。如果没有集成d a c ，此时为系统正确地选取d a c 是一个 十分关键的问题，因为d a c 的性能直接决定整个系统的性能。 2 3d d s 的优缺点 由于d d s 不同于传统的频率合成方法，因而具有许多直接式频率合成技术和间接 式频率合成技术所不具备的特点。d d s 频率合成技术的特点如下【3 】： ( 1 ) 极高的频分辨率，可达微赫兹量级 这是d d s 最主要的优点之一，由式( 2 6 ) 可知，当参考时钟确定后，d d s 的频率分 辨率由相位累加器的字长n 决定。理论上讲，只要相位累加器的字长n 足够大，就可 以得到足够高的频率分辨率。当k = i 时，d d s 产生的最低频率，称为频率分辨率，即 厂：五 一一 2 ( 2 8 ) 例如，直接数字频率合成器的时钟采用5 0 m h z ，相位累加器的字长为4 8 位，频率分辨 率可达0 1 8 x 1 0 _ 6 h z ，这是传统频率合成器所难以实现的。 ( 2 ) 输出频率相对带宽很宽 d d s 的输出频率下限对应于频率控制字为k - o 时的情况，d d s 即可输出直流。根 据n y q u i s t 定理，从理论上讲，d d s 的输出频率上限为f j 2 ，但由于低通滤波器的非理 想过渡特性及高端信号频谱恶化的限制，工程上可实现的d d s 输出频率上限一般为 ， l = z ( 2 9 ) ) 8 硕士论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 因此，可得到d d s 的输出频率范围一般为o 2 疋5 。这样的相对带宽是传统频率 合成技术所无法实现的。 ( 3 ) 极短的频率转换时间，可到纳秒量级 这是d d s 的又一个主要优点，由图2 。1 1 可知，d d s 系统是一个开环系统，无反 馈环节。这样的结构决定了d d s 的频率转换时间是频率控制字的传输时间和以低通滤 波器为主的器件频率响应时间之和。在高速d d s 系统中，由于采用流水线结构，其频 率控制字的传输时间等于流水线级数与时钟周期的乘积，低通滤波器的频响时间随截止 频率的提高而缩短，因此高速d d s 系统的频率转换时间极短，一般可达纳秒级。 ( 4 ) 频率捷变时的相位连续性 从d d s 的工作原理中可以看出，当改变其输出频率时，是通过改变频率控制字k 实现的，实际上是改变信号的相位增长速度，而输出信号的相位本身是连续的，这就是 d d s 频率捷变时的连续性。在许多应用系统中，如跳频通信系统，都需要在捷变过程 中保证信号相位连续，以避免相位信息的丢失和出现离散频率分量。传统的频率合成技 术做不到这点。 ( 5 ) 任意波形输出能力 根据n y q u i s t 定理，d d s 中相位累加器输出所寻址的波形数据并非一定是正弦信号 的，只要该波形所包括的高频分量小于采样频率的一半，那么这个波形就可以由d d s 产生，而且由于d d s 为模块化的结构，输出波形仅由波形存储器中的数据来决定，因 此，只需要改变存储器中的数据，就可以利用d d s 产生正弦、方波、三角波、锯齿波 等任意波形。 ( 6 ) 数字调制功能 由于d d s 采用全数字结构，本身又是一个相位控制系统，因此可以在d d s 设计中 方便地加上数字调频、调相以及调幅等功能，以产生a s k ，f s k ，p s k ，m s k 等多种 调制信号。 d d s 的缺点主要有两个方面1 2 , 1 5 】： ( 1 ) 输出频带受限 d d s 的输出频带带宽主要受d d s 工作时钟频率的限制。因为d d s 的最高输出频 率一般限制在0 4 f e 以下，如，a d 9 8 5 4 ，时钟频率为3 0 0 m h z ，输出带宽为1 2 0 m h z ， 这对于飞速发展的通信技术是远远不够的。目前采用g a a s 技术生产出来的d d s 芯片 其输出频率可达到3 0 0 到4 0 0 m h z ，但它的价格过于昂贵，难以大量应用。不过，随着 高速e c l 和g a a s 技术的发展，频带带宽的限制正逐步被克服。 ( 2 ) 杂散分量丰富 杂散是d d s 本身所固有的，主要由相位舍位、幅度量化和d a c 的非理想特性所引 起。因为在时间的d d s 电路中，为了达到足够小的频率分辨率，通常将相位累加器的 9 2 直接数字频率合成( d d s ) 技术硕士论文 位数n 取大，如n = 3 2 。但受体积和成本的限制，即使采用先进的存储方式，r o m 的 容量都远小于此，因此在对r o m 寻址时，只是用相位累加器的高w 位去寻址，这样 不可避免地引进误差，即相位截断误差。另外，一个幅值在理论上只能用一个无限长的 二进制代码才能精确表示，由于r o m 的存储能力，只采用一定比特代码来表示这一幅 值，这必然会引起幅度量化误差。还有，d a c 的有限分辨率以及非线性也会引起误差。 2 4 理想情况下d d s 输出频谱特性 分析信号的频谱是研究d d s 的输出特性的一种比较好的方法。根据上面对d d s 原 理的讨论，设相位累加器输出的相位序列为矽( ，z ) ，则( ，z ) 为一周期序列，周期为m 】： 舻瓦翕丽 q j 其中g c d ( 2 n ，k ) 表示2 n 和k 的最大公约数。 设由相位序列寻址波形r o m 得到的幅度序列为s ( n ) ，则其周期同样为版，如果暂 不考虑幅度序列的量化误差，则s ( n ) 可表示为： s ( n ) = c o s ( 等砌) ( 2 1 1 ) 幅度序列s ( n ) 经d a 转换后变成了包络为正弦波的阶梯波，用s ( t ) 表示阶梯波形， 则s ( o 的周期为：t = 以乏 周期信号可用傅里叶级数之和来表示，设s ( t ) 的傅里叶级数之和表达式为： s ( f ) = q 口咖 ( 2 1 2 ) 其中，m = 2 7 r t = 2 n ( 比k 瓦) 由于s ( t ) 在一个周期内可表示为： 跚) ：笙c 。s ( - 等uk n ) 似蚓 ( 2 1 3 ) n = 0一 ， 其中，8 ( n t 。) = u ( t - n 瓦) 一“0 一( 甩+ 1 ) 乏) ，u ( t ) 为单位阶跃函数。所以有： q = 专心一d t = 7 1w 刍k - i ( ( c o s ( 等槲1 ：n + 1 ) t 。e _ j m w , t d t ) ( 2 “) 其中 1 0 n + 1 ) t 。e - j m w l t d t ) ：三p 一觚n r , e - 扣s i n ( _ mw l 瓦) ( 2 1 5 ) 。 m w l 2 。 硕十论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 州等妒j 1 氛p 一鹳 把式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 4 ) ，并利用以下等式： 薯p 薏= 学曩一。0 “皿 式( 2 1 4 ) 可表示为：、 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) g ：1 1 r a n 幽c c 旁朋“以蜘。批 眩 10其它m 其州= 等“州加警 厶：m w i ：m l ，=2 j 舶 2 万 u t 因为只有当m = f 版后时，对应的谱线幅度不为零，因此有 厶= z ( j 姜= j 五+ f o i = o ，1 ， 第m 根谱线的幅度值为： 例斗叫外扣砸争i d d s 的d a 转换器输出信号的傅里叶级数之和表达式为： 即) ：妻知嘶筹一“2 烈肚m 卜烈眭争 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 或式( 2 2 2 ) 可知，d a 转换器输出中除主频f o 外，还存在分布 在，2 ，两边士岛处的非谐波分量，幅值包络为辛格函数，如图2 3 1 所示。因此 为了取出主频f o ，必须在d a 输出端接入截止频率为f d 2 的低通滤波器。 2 直接数字频率合成( d d s ) 技术 硕上论文 i c - n i 、 ， 图2 3 1 理想情况下d d s 输出频谱特性 s ( t ) 的三角函数形式的傅里叶级数之和表达式为： 跚) - s m ( 多c o s ( 2 确一争 + 岁闽- s i n c 雌争c o s ( 2 万( l f o ) 删知 ( 2 2 3 ) 1 2 硕士论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 3 系统的硬件设计及实现 3 1d s p 及d d s 性能特点 本设计采用d s p 控制d d s 实现频率合成器。设计使用了t i 公司生产的处理器 t m s 3 2 0 v c 5 4 l0 和a d i 公司生产的d d s 芯片a d 9 8 5 4 。 3 1 1d s p 器件 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理 器，其处理速度比最快的通用c p u 还快1 0 5 0 倍。在当今的数字化时代，d s p 己成为 通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件2 2 1 ，被称为信息社会革命的旗手。 d s p 芯片，是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用程序存储器和数据存储器分 离的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可 以用来快速地实现各种数字信号处理算法。为满足数字信号处理的要求，d s p 芯片一般 具有以下主要特点5 , 2 8 】： ( 1 ) 采用h a a r d 结构，即程序存储器与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和 数据总线，取指和读数可以同时进行，从而具有很高的运算速度。目前d s p 的器件的 运算速度己超过9 0 亿次浮点运算秒( 9 0 0 0 m f l o p s ) 。 ( 2 ) 使用流水线技术，采用流水作、j k ( p i l p e l i n e ) 。目前，许多器件采用了超流水线结 构和超标量结构，支持高性能的信号处理应用。 ( 3 ) 使用独立的硬件乘法器，乘法指令在单周期内完成，优化乘法运算。乘法运算 的速度是衡量处理器运算速度的主要指标之一，一些经常使用的d s p 算法，如卷积、 数字滤波、f f t 、相关、矩阵运算等，大量使用了乘法运算。 ( 4 ) 采用循环寻址( c i r c u l a ra d d r e s s i n g ) ，位倒序( b i t r e v e r s e d ) 等特殊指令【1 9 2 1 1 ，使 f f t 、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。计算1 0 2 4 点f f t 的时间已小 于l u s 。 ( 5 ) 独立的d m a 总线和控制器。具有一组或多组独立的d m a 总线，与c p u 的程 序、数据总线并行工作。目前，在不影响c p u 工作的条件下，d m a 速度己达8 0 0 m b s 以上。 ( 6 ) 具有完全支持多处理器的结构特征，使多个处理器可以很方便地并行或串行工 作以提高处理速度。如公司的芯片采用了l i n k 口技术和聚合总线( c l u s t e r b u s ) 技术，对 于需要使用d s p 簇的大规模应用，允许直接的处理器间连接，而不需要复杂的外部电 路。 ( 7 ) 采用j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o n ) 标准测试接口i e e e l1 4 9 标准接口，便于对d s p 1 3 3 系统的硬件设计及实现 硕上论文 作片上的在线仿真和多d s p 条件下的调试。 总之，数字信号处理器件的发展经历了采用哈佛结构代替传统的冯诺依曼计算机 体系结构，开发适合数字信号处理特点的硬件结构，提高单片处理能力，促进了实时信 号处理技术的发展。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 芯片是美国德州仪器公司推出的低功耗、高性价比的定点数 字信号处理芯片b 7 , 1 s 】。具有改进的哈佛结构，丰富的指令集、较大的存贮空间和较快的 运算速度，多流水线操作等优点。本系统采用了t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 芯片，使得系统 的集成度大大提高，硬件电路的体积小，系统功耗低，本系统的主要运算、控制功能均 由d s p 芯片完成。v c 5 4 1 0 有如下功能特点： ( 1 ) c p u ：片内总线采用哈佛结构，片内具有三条1 6 b i t 数据总线c b 、d b 、e b 和 一条程序总线p b 以及对应的条地址线c b a 、d b a 、e b a 、p b a ( 4 条总线可以同时操 作) ：1 个4 0b i t 算术逻辑单元a l u ；1 个并行乘法器和一个4 0 b i t 的专用加法器；比较 选择存贮单元( c s s u ) 有助于实现v i t e r b i 算法；指数译码功能；两个地址产生器；8 个辅助寄存器a r 0 a r 7 ；数据空间和i o 空间各6 4 字，2 3 条地址线，1 6 条数据线： 片内1 6 k x1 6 b i t r o m ：8 k x1 6 b i t 的双存取r a m ；5 6 k x1 6 b i t 单存取r a m 。 ( 2 ) 指令系统：单指令重复或指令块重复功能；程序空间和数据空间的数据块移动 指令；可对3 2 b i t 的长字操作；一个指令内可以读后2 3 个操作数；6 级流水线指令操 作；预取指、取指、译码、访问、读数、执行；运算指令和存取指令并行执行；条件存 储指令；延迟跳转和快速返回；软件堆栈等。 ( 3 ) 片内设备：1 个用于程序、数据、f o 内存空间的软件可编程等待状态发生器、 数据组间切换可编程选项；片内锁相环；分频和倍频功能；3 个多通道缓冲串口m c b s p ， 1 个8 位的增强型并行主机接口h p i ，h p i 可与外部标准的微处理器直接接口；1 个1 6 位软件可编程的定时器；6 通道d m a 控制器；并行i o 口。 ( 4 ) 指令速度：1 0 n s 的单周期定点指令执行时间，i o o m i p s ，每秒百万条指令。 ( 5 ) 低功耗：核在2 5 v 下工作，i o 设备工作电压3 3 v ，工作电流平均值为7 5 m a ， 其中核4 7 m _ a ，i o 约2 2 m a ( 电流消耗的大小跟i o 的激活程度有关) ( 6 ) 其它：片上j t a g 仿真口；1 4 4 脚p q f p 或1 4 4 脚b g a 封装，体积小，成本低。 t m s 3 2 0 v c 5 4 l o 的功能结构如图3 1 1 所示。 1 4 硕士论文 基于d s p 的直接数字频率合成( d d s ) 技术研究 图3 1 1v c 5 4 1 0 的功能结构图 v c 5 4 1 0 的存储器的配置比较灵活，主要由模式寄存器p m s t 里的o v l y 、d r o m 和m p m c 位进行配置。其中，o v l y 和d r o m 上电复位均为o ，而m p m c 决定配置 d s p 为微处理器微计算机模式。上电后采样m p m c 引脚信号，保存在m p m c 位，可 以在d s p 运行中由软件配置该位。需注意的是m p m c 引脚仅在复位时采样，在非复位 期间改变引脚m p m c 的状态，并不改变m p m c 位。由o v l y ，d r o m 和m p m c 共 同配置的存储器映射如图3 1 2 所示： 3 系统的硬件设计及实现 硕士论文 f l e x p r o g r a m h e x p r o g r a m r e s e n e e d l o v l y ； ) e x l e m a i ( o v l y = 0 o r , c h i p 0 a r a m l o v l y = 1 e x t e m a l i o v l y = o o n c h ；p s a r a m 5 o v l y ： e x t e r n 粗 o v t j = o i x t e 嘣 o n - c h i p r o 拍 1 1 6 kw o r d s ) i n t e r r u p t sa n d r e s e r v e d o n c h i pr o m ) m a p p e dt o l o l 。w v e l y rp a ：g ，e 1 0 e x t e r n a l l o v l y z 0 o n c h i p s a r 旺 h e x 0 0 0 0 0 0 5 f 0 0 6 0 0 0 7 f 嘲o 1 f f f 2 o 7 f f f 8 o d a t a m 甜! o 叫- m a p p 酣 r e 西 s i e r s s c r a 把h - p a d r a m o n c h i p d a r a m 1 8 kw o r d s i o n - c h i p s a r a m l 2 年kw o r d s ) l d r o m = 1 e x t e r n a l d r o m t o 图3 1 2 存储器映射 3 1 2a d 9 8 5 4 论文中的d d s 芯片选用a d i 公司生产的a d 9 8 5 4 ，它的内核最高可以工作在 3 0 0 m h z ，时钟有差分输入和单端输入两种，时钟信号直接送入d d s 内核或者通过