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基于CPLD和DDS跳频信号源设计

  • 简介:(毕业论文 页数:29 字数:11064)摘要:跳频通信具有保密性好、不易受远近干扰和多径干扰影响等优点,在军事和商业通信系统中得到了广泛的应用。 本设计用ADI公司的DDS芯片AD9851作频率合成器,用ALTERA公司的CPLD芯片EPM7128作频率控制,完成了一个跳频信号...
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(毕业论文 页数:29 字数:11064)摘要:跳频通信具有保密性好、不易受远近干扰和多径干扰影响等优点,在军事和商业通信系统中得到了广泛的应用。
本设计用ADI公司的DDS芯片AD9851作频率合成器,用ALTERA公司的CPLD芯片EPM7128作频率控制,完成了一个跳频信号源的设计。该跳频信号源的跳速为500跳/秒;跳频点有64个、跳频基带1 MHz、跳频带宽为64 MHz。本文首先介绍了课题的历史背景和发展状况及选题的意义,接着介绍了DDS的基本原理和本论文程序设计的应用软件,全文的核心是第四章,它包括跳频信号源的硬件电路设计和软件编程的具体实现;最后介绍了本课题的实验结果和实验误差分析,并提出自己的建议。

关键词: DDS;跳频;频率控制字;跳频图案; AD9851;EPM7128
Design of Frequency-hopping Source Generator
based on the CPLD and DDS
Abstract
With the merits of confidentiality and immunization to distance interference and multi-path interference, frequency - hopping communication is widely used in the military and commercial communication system.
In order to carried out a frequency - hopping signal generator, the design applies ADI’s AD9851 DDS chip to implement a frequency synthesizer, Altera’s EPM7128 to realize a frequency controller. The main parameters of the signal generator are 500 jumps / sec; Hopping 64 points, base-band frequency 1 MHz, FH bandwidth 64 MHz. At first, this paper introduces the topic of the background, the development and the significance of the topic. After that, as well as the principium of DDS, the hardware and software design for the DDS and CPLD based signal generator is introduced. Finally the experimental results and the error analysis for that result are introduced. At the same time my own proposal is offered.

Key words: Direct digital frequency synthesis; Frequency-hopping; Frequency-hopping Design; Frequency Control Word; AD9851; EPM7128

 

目 录
论文总页数:26页
1引言 1
1.1 课题背景及研究意义 1
1.2 国内外发展状态 1
1.3 跳频信号源的性能指标 1
1.4 本课题研究的内容 1
2 直接数字频率合成技术(DDS)的原理 2
2.1 直接数字频率合成(DDS)技术的基本原理 2
2.2 频率合成的整体指标 4
2.3 理想的DDS频谱分析 5
2.4 AD9851芯片简介 6
3 CPLD模块介绍 9
3.1 CPLD简介 9
3.2 EPM7128SLC84-15 芯片简介 9
3.3 QUARTUS II软件介绍 10
4 基于CPLD和DDS的跳频信号源的设计 11
4.1 硬件模块化结构设计 11
4.2 跳频信号源硬件电路具体设计 12
4.2.1 CPLD硬件电路的设计 12
4.2.2 AD9851硬件电路设计 12
4.2.4 功放电路设计 13
4.3 跳频信号源的软件设计 14
4.3.1 跳频信号源的软件流程图设计 14
4.3.2 m序列产生 16
4.3.3 跳频图案的设计 17
5 跳频信号源的实现 18
5.1 系统调试 18
5.2 实验结果及误差 21
结 论 21
参考文献 23
致 谢 24
声 明 25
附 录 26

1引言
1.1 课题背景及研究意义
跳频通信是20世纪六十年代以来出现的一种新颖的通信方式。海湾战争以来,世界各国都在不断研制高速跳频通信系统,目前在军用跳频通信领域己相当成熟的同时,跳频通信的应用又拓宽到民用领域。跳频通信具有以下特点:
(1) 跳频通信作为一种通信对抗手段,具有很强的抗干扰、抗侦察、抗测向的能力。
(2) 跳频通信的频谱利用率高,提高频谱利用率己是现代通信的基本要求。
(3) 跳频通信易于实现码分多址,应用跳频通信可很容易地组成一个多址通信网。跳频信号源是跳频通信系统的心脏,它的质量直接影响跳频通信效果的好坏,制作一个高稳定、跳频速度快的信号源是本课题研究的意义所在。
1.2 国内外发展状态
直接数字频率合成技术,即DDS (Direct Digital Synthesis)是一种全数字技术,该技术从相位概念出发直接合成所需要频率。它是由美国学者J.Tierncy等人在1971年提出的,但限于当时的技术及器件水平,它的性能指标尚不能与己有的技术相比,故未受到重视。在本世纪80年代末90年代初,由于DDS在合成频率信号方面的优越性,学术界掀起了对DDS技术研究的热潮。Nicholas建立了杂散信号模型,对DDS相位截断引起的杂散进行了深入的分析,并以数论为基础得出一些非常重要的结论。随后,Garvey和Babitch从波形角度、Kroupa从傅立叶变换的角度进行了类似的研究。在深入认识了DDS杂散成因及其分布规律后,对DDS杂散抑制的研究成果便不断出现,其中包括对DDS相位累加器的改进ROM数据压缩,抖动注入技术的应用以及对DDS工艺结构和系统结构的改进等等。
1.3 跳频信号源的性能指标
输出波形:正弦波;
输出电压:大于1VPP ;
信号带宽:64MHz;
每秒钟频率变化次数:500次以上;
频率的变化规律:伪随机变化;
频率的最小分辨率:1Hz。
1.4 本课题研究的内容
本文在理论方面对直接数字频率合成(DDS-Direct Digital Synthesis)技术做了深入的研究,设计了一种跳频信号源。该信号源是以DDS集成芯片AD9851为核心来设计的,它完成了对正弦波形的产生和输出。在整个系统中,需要对DDS的各种控制字进行输入及跳频图案的产生,这些工作都由CPLD模块完成。

2 直接数字频率合成技术(DDS)的原理
直接数字频率合成技术(DDS )在上世纪七十年代提出后,随着器件水平的提高发展十分迅速。与传统的直接频率合成(DS)、锁相环间接频率合成(PLL)相比,DDS具有频率切换时间极短、频率分辨率高、相位连续和相位噪声低等优势。因此,基于DDS技术的频率合成器在高速跳频系统中得到广泛的应用,在充分发挥DDS高速频率切换的同时如何进一步提高频率合成器输出频谱纯度,是此类频率合成器需要解决的关键问题之一。
2.1 直接数字频率合成(DDS)技术的基本原理
一个频谱纯净的单频正弦信号可以表示为:
(2-1)
只要幅度U和初始相位 ,不随时间变化,是常数,它的频谱就是位于 的一
条谱线。为分析简化起见,可令U=1 , =0,即:
(2-2)
这种单频信号的主要特性是,它的相位是时间的线性函数,即:
(2-3)
相位函数对时间的导数是常数:
(2-4)

这个也就是信号的频率。












图2-1单频信号波形和相位函数图
信号的波形和相位函数如图2-1所示。相位函数是一条直线,它的斜率就是信号的频率。为了利用数字技术进行信号处理,分别对式(2-2 )和式(2-3 )进行采样,采样周期为 (即采样频率f =1/Tc ),则可得到离散的正弦波形序列:
(n=0、1、2、3……) (2-5)
相应的离散相位序列:
(n=0、1、2、3……) (2-6)
式中:

是连续两次采样之间的相位增量。此离散波形序列和离散相位序列如图2-1中曲线与直线交点所示。若采样值在采样间隔内进行保持,则如图2-1中所示,波形和相位都变成阶梯形。根据采样定理只要:


从式(2-5 )获得的离散序列可以无失真的还原出式(2-2 )的模拟信号。信号保持的作用是抑制采样形成的高次谐波分量。因此,为合成式(2-3)的模拟信号,可先生成与其相对应的阶梯信号,再经滤波得到相应的信号。
现将整个周期的相位化分割为M等份,每一份:

即为可选择的最小相位增量,若每次相位增量就取 ,此时相位增长的斜率最小,
得到最低频率输出:
(2-9)

经滤波得到的合成模拟信号为:
(2-10)

若每次相位增量选择 的K倍,即可得到信号频率:


相应模拟信号为:
(2-12)
式中M和K都是正整数,由采样定理的要求,K的最大值应小于M的二分之一 。
综上可见,在采样频率一定的条件之下,可以通过控制两次连续采样之间的相位增量(不得大于 ),来改变所得到离散波形序列的频率,再经保持和滤波之后,即可恢复出此频率的模拟信号。这就是直接数字频率合成的原理。

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