一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计
一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计
厉沁知;周焚江;蒋旭辉
【摘要】梳状谱发生技术是电子侦测系统的一项关键技术.本文介绍了一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器的设计,该设计采用FPGA+DA的架构,仿真并实现了梳状谱间隔为250kHz、400kHz的梳状谱信号产生,该发生器具有梳状谱间隔可调整、幅度一致性高、频点数多等特点.
【期刊名称】《数字技术与应用》
【年(卷),期】2018(036)008
【总页数】3页(P159-161)
【关键词】梳状谱发生器;FPGA数字可控;幅度一致性高
【作者】厉沁知;周焚江;蒋旭辉
【作者单位】中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033;中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
梳状谱信号发生器是一种常用的射频器件,作为高可靠性、高频谱纯度信号源广泛应用于微波通信,微波计数器,示波器,电子雷达,电子侦测设备中。
图1 模拟梳状谱发生器电路
现有的大多数为模拟梳状谱发生器,利用阶跃恢复二极管的非线性电抗特性或者利
用双极性晶体管的非线性电阻特性实现的一定周期的脉冲信号输出,从而获得各次
谐波的梳状谱信号。但模拟梳状谱发生器具有一定的使用局限性,如实际调试工作
复杂,移植性差,工作频率范围有限,各次谐波幅度不一致,谱间隔不可调等[1][2]。比
如阶跃恢复二极管梳状谱发生器产生的梳状谱的谱线间隔不能调节,同时因属于模
拟电路,稳定性较差[3][4]。近年,数字梳状谱发生器得到了发展,基本利用FPGA或
者其他数字模块的数字时钟模块(digital clock managers,DCM)来产生满足要求
的窄脉冲,很好地解决了模拟电路实际调试工作复杂,移植性差的问题[5][6]。但由于还是采用脉冲信号产生各次谐波的梳状谱生成技术的限制,仍具有特定的使用局限性,如工作频率范围有限,各次谐波幅度不一致,有多余谐波,谐波谱间隔较大,很难达
到kHz级别等[7]。
针对上述数字梳状谱发生器存在的问题,本文提出了一种基于FPGA的数字可控梳
状谱发生技术,基于软件无线电发射机数字模型,建立了FPGA+DA的硬件架构,可
根据实际系统需求实现可变谱间隔、多频率点的高性能梳状谱信号输出,极大克服
了现有梳状谱发生器的缺点,提升了梳状谱发生器的性能。
1 现有梳状谱信号发生器原理及缺点
1.1 模拟梳状谱信号发生器
模拟梳状谱信号发生器主要利用阶跃恢复二极管(以下简称阶跃管或者SRD)的强非线性特性,产生较大的窄电流脉冲,从而获得各次谐波。如图1所示,阶跃恢复二极管梳状谱发生器的电路结构主要包括偏置电路、输入阻抗匹配网络和脉冲发生电路3部分组成。
模拟梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性功能,产生窄脉冲,实现梳状谱输出。该发生器因模拟器件产生,其谱线间隔不可调,谐波分量落差巨大,容易受温度和偏置电压影响,可靠性较低,相位噪声也较大。
图2 基于DCM的数字梳状谱发生器工作原理
图3 原理框图
图4 样式1基带数据仿真图
图5 样式2基带数据仿真图
表1 2种梳状谱参数样式中心频率谱间隔总带宽频率点数样式1 200M H z 250kH z 40M H z 161样式2 200M H z 400kH z 60M H z 151
1.2 数字梳状谱信号发生器
基于DCM来实现的数字梳状谱发生器主要利用DCM来产生窄脉冲,如图2所示,利用FPGA内的DCM先对输入时钟进行分频,再将分频后的信号进行反相和移相,分频信号与反相信号相与,得到一定重复频率的窄脉冲信号,从而获得梳状谱信号。基于DCM的数字梳状谱发生器较模拟梳状谱发生器,其产生的窄脉冲更加稳定、可靠。受温度和偏置电压影响小,性能有极大地改善。但其梳状谱还是由一定重复周期的脉冲信号产生,其依然存在谐波脉冲落差大,多余谐波,产生kHz级谱间隔信号困难等问题。
2 基于FPGA数字可控梳状谱发生器的设计
传统梳状谱发生器根据陡峭的脉冲信号产生各次谐波来实现梳状谱的产生。其产生梳状谱受该脉冲的陡峭度、脉冲幅度、脉冲宽度等影响,极大的干扰了梳状谱信号的梳状谱间隔、幅度一致性、噪声系数等参数。
为避免传统梳状谱发生器的这些弊端,本设计采用软件无线电的技术,采用
FPGA+DA的技术架构。如图3所示,利用FPGA的高速计算和DA芯片宽带数模转换能力,实现梳状谱信号的基带数据的生成,再经DA芯片进行数模转换,从而产生需要的宽带可控梳状谱信号。该模式不仅可以调整梳状谱的谱间隔,也可调整梳状谱总带宽,而且还能保持梳状谱各个谱线的幅度高度一致性。
2.1 数字梳状谱发生器的建模与仿真
首先,通过Matlab进行梳状谱信号仿真,并生成梳状谱基带数据。为体现数字梳状谱发生器的谱间隔可调、带宽可调的性能。选取如表1的2种梳状谱信号进行建模、仿真:
2种样式的Matlab信号仿真图如图4和图5。
通过Matlab进行梳状谱信号进行建模,并在频域和时域上给出了仿真结果。从频域上看,梳状谱信号间隔相等,且幅度高度一致,并可以有效控制梳状谱总带宽。并可通过改变软件数据直接调整频谱间隔、频率点数等参数。
2.2 实际梳状谱发生器的实现
实际电路FPGA芯片采用Xilinx Virtex-6系列的XC6VSX 315T,DA芯片采用TI 的DAC34H84,采样率高达1.25GSPS的超低功耗、高动态范围、四通道、16位模数转换器。
使用Rohde&Schwarz FSP 频谱仪对梳状谱发生器进行测试,测试结果如图6、图7所示。测试表明,实际电路与仿真计算结果相符:梳状谱信号幅度高度一致,谱间隔和梳状谱总带宽可调,相位噪声低,没有多余的高次谐波产生。本发生器采用软件无线电技术,在硬件不变情况下可通过软件重构实现多种梳状谱信号的产生,可移植性很高,实现简单,集成度高。
图6 样式1梳状谱实测图
图7 样式2梳状谱实测信号
3 结语
经上述仿真和实际测试了基于FPGA的数字宽频带梳状谱发生器的多种不同频率和不同谱间隔的梳状谱信号,验证了其稳定的电路结构和良好的性能。相较于传统的梳状谱发生器,具有频谱间隔可调,总频谱带宽可调,梳状谱信号幅度一致性高,相位噪声低,无多余谐波等优点。如需不同频段的梳状谱信号,只需将该梳状谱信号进行上变频,即可实现不同频段的梳状谱信号输出。该梳状谱发生器凭着谱间隔小、频
点数多、幅度一致性高、数字可控的特点,已在多个工程应用中得到使用。
参考文献
【相关文献】
[1]郑博仁,张玉兴.0.2～18 GHz梳状谱信号发生器研制[J].现代雷达,2007,(02):83-85.
[2]饶睿楠,李辉,王栋.0.1～5GHz梳状谱发生器的设计与实现[J].火控雷达技术,2011,40(01):76-78.
[3]赖寒昱,李光灿,杜勇.基于ADS仿真的梳状谱发生器的设计与实现[J].电子科技,2014,27(07):84-86.
[4]王朋,金森,霍现荣.基于ADS的Ku波段梳状谱发生器的设计[J].电子技术应用,2013,39(07):44-46+53.
[5]刘宇军,尹洪雁,刘扬,等.一种新型数字超宽带梳状谱信号发生器的研制[J].科学技术与工
程,2016,16(05):161-164.
[6]Ameya M, Kurokawa S. High flatness log-scale comb-generator using FPGA-based arbitrary waveform generator for sub-30 MHz emission test systems[C]. Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility. IEEE, 2016:732-734.
[7]Ameya M, Ishii M, Kurokawa S. Digital comb-generator for validating sub-30 MHz radiated emission test system using double-gapped shielded loop antenna[C]. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/power Integrity. IEEE, 2017:84-89.
基于SRD的梳状谱发生器设计
基于SRD的梳状谱发生器设计 本文介绍了利用阶跃恢复二极管（SRD）倍频原理设计的梳普产生器。梳普产生器的结构简单、性能稳定可靠，相位噪声逼近理论计算值。输出谱线功率：当输入信号为200MHz、10dBm时，8GHz下输出功率大于-15dBm。与国外同类产品水平相当。 标签：阶跃恢复二极管梳谱发生器 一、引言 随着雷达系统中的信号频率不断的提高及工作带宽的更高要求，各种宽带、超倍频程带宽的微波频率源相继出现。通常采用间接频率合成器来提高最终输出频率，并同时满足相位噪声以及频率稳定性要求。梳状谱发生器做为固态信号源，是用来产生含有以输入信号频率为基波频率的高次谐波的宽频带信号源。它具有输入驻波小、噪声低、频带宽、频率稳度高、超小型等固态源所需要具备的优点，是一种可将低频、高稳定度的信号，延伸到高频、宽频带、高稳定度的微波信号的功能块。解决了制作高频信号源的困难，可以很好的满足雷达及测试系统对固态源的应用要求。 二、SRD特性分析 SRD是具有很强非线性特性的器件，利用它的强非线性导电特性来产生窄电流脉冲。它产生谐波的效率可以接近1/n，这里n代表谐波次数。阶跃恢复二极管倍频器无需空闲电路，使得电路具有十分简单、紧凑的优点。因此，阶跃恢复二极管常常适用于需要高效率、高阶倍频的场合。由于阶跃二极管本身的结构特点：在高阻抗状态下具有低的电容，而在低阻抗状态下具有大的电容。阶跃恢复二极管在高频或者突变电压的激励下，正向导通时储存大量的电荷，呈现非常低的阻抗状态；当转到反向偏置，这些储存的电荷返回原处，形成了很大的反向电流。等到储存的电荷接近耗尽时，反向电流迅速减小，并立刻以很陡峭的速度趋于截止状，即阶跃恢复。正是因为这种反向电流的突变，形成了一个反向窄脉冲电压。这种反向脉冲越窄，它所含有的谐波就越丰富，它能从几十MHz到几个GHz甚至到几十GHz，形成一个包括基波频率整数倍的高次谐波频谱，因此它具有高次高效的优点。 三、梳状谱发生器设计 梳状谱发生器电路框图如图1所示，为了获得丰富的谐波输出，就要使阶跃恢复二极管能产生较大的窄电流脉冲，需要先将输入信号放大到一定的功率来推动阶跃恢复二极管。并且该放大器是梳状谱信号发生器附加相位噪生的主要来源。如果放大器的输出功率太大，则会对二极管激励过度，则附加相位噪声严重变坏。输入匹配电路的作用是为了把功率放大器的功率有效地加到二极管上，能最大限度地产生更强烈的极窄电流脉冲，同时使二极管产生的谐波能量不能反窜
基于FPGA的简单音乐电路设计方案
基于FPGA的简单音乐电路设计方案 工作任务的陈述与背景 一、工作任务的陈述 使用层次化设计方法，设计并用FPGA实现一个能循环播放乐曲的音乐电路。 二、工作任务的背景 据有关媒体介绍，中国的第一颗人造卫星东方红一号卫星，于1965年开始研制，1970年4月24日进入太空轨道，该星重量超过了苏、美、法、日等前4个国家第一颗卫星重量的总和,在某些技术方面超过上述4个国家第一颗卫星的水平,开创了中国航天史的新纪元。 东方红一号重173公斤,设计寿命为14天,实际寿命达到20天,1970年5月14日停止发送信号。关键技术包括《东方红》乐音装置、短波天线遥测系统等4项。其中电子乐音发生器是全星的核心部分,它通过20兆赫兹短波发射系统反复向地面播送“东方红”乐曲的前八小节，全中国人民乃至全世界的人民通过收音机都能听得到。 完成研制东方红乐音装置任务的是中国科学院自动化所的一个小组。他们首先考虑，用什么样的方法来模拟出“东方红”乐曲。当时有三种方案提上了台面，一种是八音盒方案，它采用机械齿轮播放音乐；另一种就是把音乐录在磁带机上，但是当时中国还没有小磁带机，都是笨重的大磁带机，不可能装上卫星升空；因此第三种方案自然就是电子音乐，这也是后来被广泛接受的一种方案。 根据上级要求，只需让卫星播放《东方红》前八个小节的旋律。小组决定在四十秒内连续播放两遍这八个小节，然后发射机就切换成遥测信号，用一个发射机就可以实现交替传送乐曲和遥测信号的目的。 这是国内早期最知名，影响最大的一个音乐电路。在国内缺乏集成电路，没有微处理器的那个时代，东方红乐音装置全部用晶体管分立元件做成。有人粗略统计，整个乐音装置全部共用了110多个晶体三极管（绝大多数是3DG6)，大约150个二极管（都是2AP10），其他都是电阻电容。 现在，音乐电路广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话及智能仪器仪
基于FPGA的实用多功能信号发生器的设计与制作
基于FPGA的实用多功能信号发生器 的设计与制作
基于FPGA的实用多功能信号发生器的设计与制作 摘要 多功能信号发生器已成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，代表了信号源的发展方向。直接数字频率合成(DDS)是二十世纪七十年代初提出的一种全数字的频率合成技术，其查表合成波形的方法可以满足产生任意波形的要求。由于现场可编程门阵列(FPGA)具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现DDS技术，极大的提高函数发生器的性能，降低生产成本。 本文首先介绍了函数信号发生器的研究背景和DDS的理论。然后详尽地叙述了利用Verilog HDL描述DDS模块的设计过程，以及设计过程中应注意的问题。文中详细地介绍了多种信号的发生理论、实现方法、实现过程、部分Verilog HDL代码以及利用Modelsim仿真的结果。 文中还介绍了Altera公司的DE2多媒体开发平台的部分功能及使用，并最终利用DE2平台完成了多功能信号发生器的大部分功能。包括由LCD显示和按键输入构成的人机界面和多种信号的发生。数字模拟转换器是BURR-BROWN 公司生产的DAC902。 该信号发生器能输出8种不同的信号，并且能对输出信号的频率、相位以及调制信号的频率进行修改设定。 关键词：信号发生器；DDS；FPGA；DE2
Practical FPGA-based multi function signal generator design and production Abstract Multi function signal generator has become the most widely used in modern testing field of general instrument, and has represented one of the development direction of the source. Direct digital frequency synthesis (DDS) is a totaly digital frequency synthesis technology, which been put forward in the early 1970s. Using a look-up table method to synthetic waveform, it can satisfy any requirement of waveform produce. Due to the field programmable gates array (FPGA) with high integrity, high speed, and large storage properties, it can realize the DDS technology effectively, increase signal generator’s performance and reduce production costs. Firstly, this article introduced the function signal generator of the research background and DDS theory. Then, it described how to design a DDS module by Verilog HDL, and introduced various signal occurs theory, method and the implementation process, Verilog HDL code and simulation results. This paper also introduces the function of DE2 multimedia development platform, and completed most of the functions of multi-function signal generator on DE2 platform finally. Including the occurrence of multiple signal and the man-machine interface which composed by LCD display and key input. Digital-to-analog converters is DAC902, which produced by company BURR-BROWN. This signal generator can output eight different kinds of signals, and the frequency of the output signal, phase and modulation frequency signal also can be modifyed. Key Words: Signal generator; DDS; FPGA; DE2
基于FPGA的DDS信号发生器设计
第1章绪论 1.1 系统背景 随着科技的不断发展，电子技术获得了飞速的发展，有力的推动了生产力的发展和社会信息化程度的提高，电子行业也经历着日新月异的变化。90年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA工具，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。 现场可编程逻辑门阵列FPGA，与PAL、GAL器件相比，他的优点是可以实时地对外加或内置得RAM或EPROM编程，实施地改变迄今功能，实现现场可编程(基于EPROM型)或在线重配置（基于RAM型）。是科学试验、演技研制、小批量产品生产的最佳选择其间。 自上世纪70年代单片机问世以来，它以其体积小、控制功能齐全、价格低廉等特点赢得了广泛的好评与应用。由单片机构成的应用系统有有体积小、功耗低控制功能强的特点，它用利于产品的小型化、多功能化和智能化，还有助与提高仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积与重量，便于携带与使用，降低成本，增强抗干扰能力，便于增加显示、报警和诊断功能。因而许多现代仪器仪表都用到了单片机。 1.2 选题目的及其意义 信号发生器它最原始的功能是能够产生多种波形，比如说它可以产生方波、三角波、正弦波、锯齿波等等。但随着科技的发展，它的功能也得到了增强，成为最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到多功能信号发生器。不论是在生产还是在科研与教学上，多功能信号源发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。它除此之外还有许多的用途，它已经被广泛地应用于工业、教学、医学，科学研究等领域。 目前大部分信号发生器的设计是以微控制器为核心进行的，它与纯硬件设计的信号发生器相比，具有高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点，是智能化仪器的一个发展方向，具有一定的实用价值。
信号发生器的FPGA实现(毕业设计)
目录 摘要...................................................................... I ABSTRACT.............................................................. II 第1章绪论.. (1) 1.1信号发生器的研究意义与内容 (1) 1。2信号发生器的发展现状和前景展望 (1) 1。3信号发生器的总体设计思路 (3) 第2章设计简介 (4) 2。1FPGA简介 (4) 2.2VHDL硬件描述语言介绍 (7) 2.3Q UARTUS II软件介绍 (9) 2。4RLT级仿真 (11) 第3章系统硬件电路设计 (12) 3。1信号发生器的系统组成 (12) 3。2设计原理 (13) 3.3输入部分 (15) 3.3D/A数模转换部分 (18) 第4章系统的软件设计 (20) 4。1系统软件流程图 (20) 4。2系统各模块 (21) 4。2.1 三角波产生模块 (22) 4。2.2 递减斜坡产生模块 (25)
4。2。3递增斜坡产生模块 (28) 4。2.4 方波产生模块 (31) 4。2.5 阶梯波产生模块 (33) 4。2.6 正弦波产生模块 (36) 4.2。7 自定义波形产生模块 (43) 4.2.8 波形选择器产生模块 (47) 4。2。9 频率调节器产生模块 (50) 4。2.10 主控制器产生模块 (53) 4.3引脚锁定 (58) 第5章信号发生器的仿真 (61) 5。1递增斜坡的仿真结果及分析 (61) 5。2递减斜坡的仿真结果及分析 (61) 5。3三角波的仿真结果及分析 (62) 5。4正弦波的仿真结果及分析 (63) 5.5方波的仿真结果及分析 (64) 5.6阶梯波的仿真结果及分析 (65) 5.6自定义波形的仿真结果及分析 (65) 结束语 (66) 参考文献 (67) 致谢...................................................... 错误!未定义书签。
L频段高稳梳状谱电路设计与实现
L频段高稳梳状谱电路设计与实现 韩鹏飞 【摘要】利用阶跃恢复二极管的强非线性特点,设计了一个输入信号频率100 MHz、输出信号频率0.9～ 1.4 GHz的梳状谱电路,经开关滤波器电路处理后可以实现6个单频点输出.梳状谱电路经优化设计和调试,以较低的驱动功率实现了模块高稳定输出.在-55℃～+85℃工作温度范围内、输入信号功率0～+3 dBm条件下,梳状谱电路驱动功率为20 dBm左右,测试模块输出信号功率变化小于1.5 dB,附加相位噪声劣化小于1 dB. 【期刊名称】《电讯技术》 【年(卷),期】2012(052)008 【总页数】5页(P1340-1344) 【关键词】滤波器;梳状谱电路;阶跃恢复二极管;低附加相位噪声;高幅度稳定性【作者】韩鹏飞 【作者单位】中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051 【正文语种】中文 【中图分类】TN702 某项目中需要用到分频段滤波器模块，要求输入信号频率100 MHz，功率0～+3 dBm；输出0.9 GHz、1.0 GHz、1.1 GHz、1.2 GHz、1.3 GHz、1.4 GHz共6个频点；工作温度-55℃～+85℃，输出信号幅度-10±1.5 dBm；附加相位噪声恶化小于3 dB。需要说明的是，该组件对可靠性有明确要求，用户不希望使用温补
衰减器降低输出信号功率波动。 整个模块由梳状谱电路和开关滤波器两部分组成。其中开关滤波器电路中的开关、滤波器高温时插损增大，低温时插损降低，放大器高温时增益降低，低温时增益增大，因此开关滤波器具有高温时幅度降低，低温时幅度增大的变化特性，并且这种变化是固有的，只能通过选择合适的器件将变化控制在一定范围，无法通过调试消除或改善。输入信号有3 dB的功率波动，具有的很宽工作温度范围，不利于控制输出幅度变化；另外，考虑到组件输出信号多达6个频点，各频点输出幅度变化 的不一致性和用于调整幅度的衰减器衰减量的不连续性，在不使用温度补偿衰减器的前提下，要求与之配套的梳状谱电路本身必需具备很高的输出幅度稳定性，是性能实现的关键电路。设计思路：一是梳状谱电路形式要简单，易于实现；二是理论设计和实际试验相结合，通过试验对电路参数进行优化调整，使之达到最佳整体效果。 新设计了一种梳状谱电路，利用阶跃恢复二极管（SRD）制作梳状谱发生器。经优化设计和调试后，最终结果表明，整个分频段滤波器全部电性能指标满足要求，并且通过了SJ 20527A-2003《微波组件通用规范》规定的试验，达到了设计预期。本文重点说明梳状谱电路部分的设计与实现，开关滤波部分实现相对容易，不展开叙述。 根据要求，梳状谱电路输入信号频率100 MHz，功率0～+3 dBm；输出信号：0.9～1.4 GHz。 脉冲发生器是梳状谱电路的重要组成部分，由于SRD脉冲发生器不需要空闲电路，电路具有简单、紧凑的特点，利于提高可靠性，本文梳状谱电路采用了SRD脉冲 发生器。脉冲发生器理论参考了文献［1-2］，设计上主要参考了文献［3］给出 的电路结构，该文献未给出参数设计和最终结果，本设计具体电路上与之也不相同，是一种全新的设计。
一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计
一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器设计 作者：厉沁知周焚江蒋旭辉 来源：《数字技术与应用》2018年第08期 摘要：梳状谱发生技术是电子侦测系统的一项关键技术。本文介绍了一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生器的设计，该设计采用FPGA+DA的架构，仿真并实现了梳状谱间隔为250kHz、400kHz的梳状谱信号产生，该发生器具有梳状谱间隔可调整、幅度一致性高、频点数多等特点。 关键词：梳状谱发生器；FPGA 数字可控；幅度一致性高 中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0159-03 梳状谱信号发生器是一种常用的射频器件，作为高可靠性、高频谱纯度信号源广泛应用于微波通信，微波计数器，示波器，电子雷达，电子侦测设备中。 现有的大多数为模拟梳状谱发生器，利用阶跃恢复二极管的非线性电抗特性或者利用双极性晶体管的非线性电阻特性实现的一定周期的脉冲信号输出，从而获得各次谐波的梳状谱信号。但模拟梳状谱发生器具有一定的使用局限性，如实际调试工作复杂，移植性差，工作频率范围有限，各次谐波幅度不一致，谱间隔不可调等[1][2]。比如阶跃恢复二极管梳状谱发生器产生的梳状谱的谱线间隔不能调节，同时因属于模拟电路，稳定性较差[3][4]。近年，数字梳状谱发生器得到了发展，基本利用FPGA或者其他数字模块的数字时钟模块（digital clock managers，DCM）来产生满足要求的窄脉冲，很好地解决了模拟电路实际调试工作复杂，移植性差的问题[5][6]。但由于还是采用脉冲信号产生各次谐波的梳状谱生成技术的限制，仍具有特定的使用局限性，如工作频率范围有限，各次谐波幅度不一致，有多余谐波，谐波谱间隔较大，很难达到kHz级别等[7]。 针对上述数字梳状谱发生器存在的问题，本文提出了一种基于FPGA的数字可控梳状谱发生技术，基于软件无线电发射机数字模型，建立了FPGA+DA的硬件架构，可根据实际系统需求实现可变谱间隔、多频率点的高性能梳状谱信号输出，极大克服了现有梳状谱发生器的缺点，提升了梳状谱发生器的性能。 1 现有梳状谱信号发生器原理及缺点 1.1 模拟梳状谱信号发生器
基于FPGA的DDS信号发生器设计分析
基于FPGA的DDS信号发生器设计分析 摘要：随着现代电子技术的飞速发展，直接数字频率合成DDS 技术逐渐被广泛使用，DDS 是目前数据调度常用的数据分发技术，此技术能够有效结合数据服 务质量要求，完成数据分发操作。为此提出基于FPGA的DDS信号发生器设计， 以提升信号发生器精度效果。 关键词：FPGA；DDS；信号发生器；设计； 1 DDS数据分发模型设计 网络层云服务器采用的DDS数据分发模型结构如图1所示。DDS数据分发模 型中，将数据库云平台中的数据发送端看作为发布者，数据写入者为数据采集端，而订阅者与读入者即为云平台中的数据接收端。DDS数据分发模型的身份主要是 通信数据库云平台中，通信网络的中间件，此模型能够为通信数据库云平台提供 通信数据分发服务，让通信数据可以快速分发传输，从而避免出现数据拥塞问题。 图 1 基于 DDS 的通信数据库云平台 2系统硬件设计 2.1硬件整体方案
函数信号发生器的硬件系统主要包括MCU控制电路，FPGA构成的DDS发生器、DAC转换和低通滤波电路，及一些用于输入输出的器件等。按键输入和LCD输出 显示主要由MCU负责控制，MCU然后将输入的信号运算处理后发送给FPGA，FPGA 根据输入的各种参数在ROM表中寻址，同时输出对应控制的波形、频率和幅度的 数字信号，最后经过DA转换为对应的模拟电压信号，在经过一个低通滤波器使 得模拟电压信号变得平滑。 2.2硬件模块 电路系统的硬件电路主要分为两个部分，一是系统主控电路，二是DDS信号 发生器电路。系统主控电路包括以STM32F103C8T6为主控的最小系统板、四路用 户按键输入、OLED显示屏输出（SPI）、UART通信连接上位机、硬件SPI连接FPGA负责信号数据传输。DDS信号发生器电路，其中的FPGA模块的核心芯片为LatticeLCMXO2-4000HC-4MG132，其模块上内置8路输出LED指示灯、4路按键输入、4路拨码输入和两位数码管输出灯资源。DAC芯片采用3PEAK的高速10位DAC芯片3PD5651E，采样速率125MSPS，CMOS数模转换器。本系统中采用12MHz 的外部晶振经过PLL倍频为120MHz小于DAC芯片的最大采样速率，符合使用要求。 3系统软件设计 3.1MCU程序流程设计 MCU主控制器主要负责系统中各个子任务的任务调度，系统的程序流程如图 2所示，系统上电后先对各个模块进行初始化，包括串口初始化、OLED显示屏对 应SPI1外设初始化、FPGA的SPI2外设初始化、按键和LED输入输出初始化等。 程序中共有两个自定义的中断源，串口接收中断和按键的外部中断，按键的外部 中断用于改变波形的相关参数对应的各个全局变量；而串口接收中断用于接收来 自上位机中的信息，一类是波形参数对应的全局变量同步和参数显示，另一类是 接收自定义波形数据表，并且通过SPI硬件通信接口实时存入FPGA的ROM模块中。此处有一个关键问题，上位机中波形参数的改变与显示，硬件上波形参数的 改变和显示器的显示、程序内部波形参数对应的全局变量，以及波形的实际输出
基于ads仿真的梳状谱发生器的设计与实现
基于ads仿真的梳状谱发生器的设计与实现梳状谱发生器是一种广泛应用于通信、雷达、光谱分析等领域的 信号发生器，它能够提供稳定、高分辨率、频率连续可调的信号输出。本文将针对梳状谱发生器的设计与实现，基于ads仿真进行详细的介绍。 梳状谱发生器的基本原理是利用频率合成技术，通过将多个相位 可调的载波信号进行混频合成，形成一个频率分辨率非常高的梳状谱，从而实现高精度的信号产生。梳状谱发生器通常包括振荡器、相位调 节器、混频器、滤波器和放大器等基本组成部分。 首先，我们需要确定梳状谱发生器的工作频率范围和分辨率要求。在设计时，我们可以选择使用基于DDS（直接数字合成）技术的数字振荡器作为基频信号源，以实现频率连续可调的要求。结合相位调节器 可以实现每个频率分量的相位调节，从而实现梳状谱的产生。 其次，我们需要设计混频器和滤波器模块，用于将多路频率合成 的信号进行混频和滤波处理，以获得稳定、纯净的输出信号。在ads
仿真中，我们可以通过建立适当的混频器和滤波器模型，进行电路的 仿真分析和参数优化，以满足梳状谱发生器的输出性能要求。 另外，对于梳状谱发生器的放大器设计也非常关键。放大器需要 具备高线性度、宽带和低噪声等特性，以保证输出信号的幅度和谱纯度。在ads仿真中，我们可以利用模拟器进行放大器电路的设计优化，以提高整个梳状谱发生器的整体性能。 在实际的工程应用中，还需要根据具体的系统需求，考虑梳状谱 发生器的集成度、尺寸和功耗等方面的问题。通过优化电路结构和选 择合适的器件，可以实现梳状谱发生器的小型化和低功耗化。 总的来说，基于ads仿真的梳状谱发生器设计与实现涉及到频率 合成技术、混频和滤波技术、放大器设计和电路优化等多个方面。通 过逐步分析和优化各个模块，可以实现高性能、高稳定性的梳状谱发 生器设计，满足不同领域的应用需求。
基于FPGA的信号发生器的设计
目录(修改过) 任务书…………………………………………………………………………………. Ⅰ 开题报告………………………………………………………………………………。 Ⅱ 指导教师审查意见……………………………………………………………………。 Ⅲ 评阅教师评语…………………………………………………………………………. Ⅳ 答辩会议记录………………………………………………………………………… Ⅴ 中文摘要………………………………………………………………………………. Ⅵ 外文摘要………………………………………………………………………………。 Ⅶ 1引言 (5) 1。1 课题来源 (5) 1。2课题研究的研究背景 (5) 1.3国内外的发展现状、发展趋势及存在的主要问题 (5) 1.4课题研究的指导思想与技术路线 (6) 2 FPGA的信号发生器设计指标 (7) 3 FPGA信号发生器设计方案选择 4 主要器件介绍（包括FPGA、DAC、运放等) 5 信号发生器硬件设计 5.1 总体设计框图（包括FPGA 、DAC、信号放大等） 5。2 基于FPGA的DDS设计原理 5。3 LPF低通滤波 5.4 VGA电路及PA电路 6信号发生器软件设计 6。1 顶层原理图 6.2 正弦波产生模块 6.3 三角波产生模块 6.4 方波产生模块 (7) 7 波形仿真结果 (19) 8 总结 (24) 致谢 (26)
前言 信号发生器是实验室的常用仪器之一，设计信号发生器具有实际应用的意义。而采用FPGA的方法设计信号发生器可以产生频率比较高的信号,例如频率为几M的正弦波。通常正弦波产生的方法是采用MCU+DDS的方法，但是由于DDS的造价比较高，所以在指标要求不高的情况下，可以使用FPGA 来实现DDS频率合成的原理来产生较高频率的正弦波，任意波形的信号也是如此。 课题《基于FPGA的信号发生器的设计》主要研究内容为DDS基数及其FPGA 的实现.其目的在于让设计者能掌握DDS的原理及其设计思路,具体的了解EDA技术流程，熟悉硬件描述语言设计功能电路,并最终检验设计的设计能力. 随着我国的经济日益增长,社会对电子产品的需求量也就越来越大，目 前,我国的电子产品市场正在迅速的壮大，市场前景广阔。FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)在现代数字电路设计中发挥 着越来越重要的作用。FPGA/CPLD(Complex Programmable Logic Device)所 具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软 件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用 性,缩短了产品的上市时间并降低可电子系统的开发成本，且可以毫不夸张地 讲，FPGA/CPLD能完成任何数字器件的功能，从简单的74电路到高性能的CPU。 它的影响毫不亚于20世纪70年代单片机的发明和使用.
一种宽带密集梳状谱信号的全数字生成方法
（19）中华人民共和国国家知识产权局 （12）发明专利说明书 （10）申请公布号 CN102244526B （43）申请公布日2013.09.04（21）申请号CN201110153964.6 （22）申请日2011.06.09 （71）申请人中国工程物理研究院电子工程研究所 地址621900 四川省绵阳市919信箱523分箱 （72）发明人江翔;张伟;文豪;严俊;苏晓东;黄庆钟;吴彬;岳旸 （74）专利代理机构成都天嘉专利事务所(普通合伙) 代理人方强 （51）Int.CI 权利要求说明书说明书幅图 （54）发明名称 一种宽带密集梳状谱信号的全数字生成方法 （57）摘要 本发明涉及无线电电子学、电信技术 领域，具体公开了一种宽带密集梳状谱信号 的全数字生成方法，其生成步骤为：将宽带 密集梳状谱进行分解，得到单音点频信号的 频率和相位，再将频率和相位转换成DDS的 频率控制字和相位控制字；然后通过FPGA进 行多根单音点频信号的生成，通过高速大容 量存储器存储多根单音点频信号，并与新生 成的多根单音点频信号进行相加，如此反复 直到生成最终数据，读入FPGA，在FPGA中 对数据提速并送入高速模数转换芯片进行信
号合成，得到所需的宽带密集梳状谱；本发 明原理简单易于推广，满足不同采样率要 求，生成的宽带密集梳状谱具有幅度平坦度 好、受温度等环境因素影响小、梳状谱根数 和带宽可灵活配置等优点。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2011-11-16公开公开 2011-11-16公开公开 2012-02-08实质审查的生效实质审查的生效 2012-02-08实质审查的生效实质审查的生效 2013-09-04授权授权 2013-09-04授权授权 2014-09-24专利实施许可合同备案的生 效、变更及注销 专利实施许可合同备案的生 效、变更及注销 2014-09-24专利实施许可合同备案的生 效、变更及注销 专利实施许可合同备案的生 效、变更及注销 2017-07-28专利权的终止专利权的终止
一种梳状谱信号发生器
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利说明书 (10)申请公布号CN 114520648 A (43)申请公布日2022.05.20 (21)申请号CN202111641318.4 (22)申请日2021.12.29 (71)申请人北京无线电计量测试研究所 地址100854 北京市海淀区永定路50号12号楼 (72)发明人王巨于德江陈金和张亮曹旭轩久霞苏霞贾丽娜 (74)专利代理机构中国航天科工集团公司专利中心 代理人张国虹 (51)Int.CI H03K5/13 H03K5/01 G01R1/28 权利要求说明书说明书幅图(54)发明名称 一种梳状谱信号发生器 (57)摘要 本发明涉及信号源技术领域，尤其 涉及一种梳状谱信号发生器，该信号发生 器包括壳体、盖板、电路板以及设置于电 路板上的电源电路、晶体振荡器、频率转 换电路、放大电路、滤波电路和合路器； 本发明的梳状谱信号发生器，通过晶体振
荡器发射频率信号，频率转换电路将晶体 振荡器发射的频率信号，转换成多路所需 设定的频率信号输出，多路所需设定的频 率信号经放大电路放大以及滤波电路滤波 后，进入合路器合成一路信号输出；输出 信号稳定且功率大，同时输出信号功率差 异小、谱线一致性好，且调试方便、功耗 低。另外，电路板整体置于密闭的金属壳 体中，屏蔽性好且安装方便。 法律状态 法律状态公告日法律状态信息法律状态 2022-05-20公开发明专利申请公布 2022-06-07实质审查的生效IPC(主分 类):H03K 5/13专利申请 号:2021116413184申请 日:20211229 实质审查的生效
基于FPGA的函数信号发生器设计
基于FPGA的函数信号发生器设计 函数信号发生器是一种能够产生不同类型信号的测试设备，通常在电 子电路实验中使用。基于FPGA的函数信号发生器设计利用可编程逻辑器 件FPGA，可以实现更高的灵活性和可定制性，同时减少了硬件开发成本。本文将详细介绍基于FPGA的函数信号发生器的设计原理、主要模块和实 现方法。 一、设计原理 二、主要模块 1.时钟生成器模块：时钟信号是产生各种信号波形的基础，因此需要 设计一个时钟生成器模块来产生稳定的时钟信号。可以使用FPGA内部的 锁相环（PLL）或计数器来实现。 2.波形选择模块：为了产生不同类型的信号波形，需要设计一个波形 选择模块。通过该模块，用户可以选择所需的信号波形，如正弦波、方波、三角波等。 3. 波形生成模块：根据用户的选择，使用FPGA内部的逻辑门电路来 实现不同类型的信号波形的生成。可以利用查找表（Look-Up Table，简 称LUT）来存储不同波形的采样点数据，并通过控制逻辑将这些数据输出 为相应的信号波形。 4.频率控制模块：通过频率控制模块，可以对信号波形的频率进行控制。可以根据用户的输入，通过改变时钟信号的频率或改变波形采样点的 间隔来实现频率的调节。
5.幅值控制模块：通过幅值控制模块，可以对信号波形的幅值进行控制。可以通过改变逻辑门的阈值电压或者改变DAC（数字模拟转换器）的 输出电平来实现幅值的调节。 三、实现方法 2.硬件设计：根据设计需求，选择合适的FPGA芯片、外部时钟源、 AD/DA转换器等外部器件。根据电路原理图，进行相应的电路布局和连线。在确认电路无误后，进行焊接和组装工作。 在软件和硬件设计完成后，可以通过控制板上的按钮、旋钮等输入设 备来调节信号波形的频率、幅值等参数，从而实现不同类型的信号波形的 生成。 总结： 基于FPGA的函数信号发生器设计利用FPGA的可编程特性，可以实现 信号波形的灵活生成和控制。通过设计合适的模块，可以产生多种类型的 信号波形，并对其频率、幅值等参数进行调节。同时，利用FPGA可以减 少硬件开发成本和设计时间。随着FPGA技术的不断发展，基于FPGA的函 数信号发生器在电子电路测试和实验中的应用前景将会更广阔。
基于FPGA的信号发生器的设计与实现
基于FPGA的信号发生器的设计与实现作者：臧谱阳王正斌 来源：《电脑知识与技术》2020年第27期
摘要：该文详细介绍了一种通过DDS数字合成器技术，来实现一种频率，幅度，相位可调制的高精度信号发生器。在FPGA中设计了串口模块和相应的解析模块向DDS发送指令，使其通过读取ROM内的波形数据存储器的数据进而实现对频率和相位的控制。同时可以根据需要自行更换ROM内存储的波形数据，能够产生正弦波，方波，锯齿波和任意波形信号。 关键词：FPGA;DDS;信号发生器;串口;ROM 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2020）27-0220-02 开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 1 概述 本系统以FPGA为核心控制器，相比于STM32系列单片机的顺序指令队列，FPGA强大的并行能力在处理模拟信号和拓展接口上效率会更高，读写速度也更快。相比于传统C语言通过FLASH读取数组信息来获取波形数据，本系统通过读取片内ROM并结合DDS进行波形数据采集，设计方法更加简单灵活，波形的显示也会更流畅。可以输出直流、交流等信号。 2 DDS技术原理与分析 DDS（Direct Digital Synthesizer）是一种新型的频率合成技术，其主要组成部分有相位累加器，相位调制器，波形数据表和D/A转换器。其广泛运用于通信领域，特点是波形选择范
围大，可供选择带宽的范围大，可控制时间长，精度高等[1-2]。对于信号的相位、频率、幅值均可以通过自制的波形编码生成，自由度大。其基本结构见图1所示。 在每个时钟的上升沿时，加法器会将默认的频率控制字与同步寄存器中的相位值累加，得到的数值是由加法器和寄存器的位数决定的。累加的值接着在第二个时钟上升沿时反馈至累加寄存器的输入端，重复与设定的频率控制字相加[3-5]。这样，在每一个时钟周期，对设定的频率控制字不断进行线性累加，这时的累加值输出的数据就是最终处理信号的相位值，也是波形存储器的采样地址。相位累加器的溢出频率，就是DDS输出的信号频率。通过查表找出相应相位的幅值，即可完成相位与幅度的数值转换。由于输出信号的幅度值是数字量，所以还需要将输出信号转至数模转换器中，将数字信号转变为模拟信号进行输出。 3 基于FPGA的信号源系统整体设计 3.1系统结构设计 整个系统的上位机由串口输入端构成，既可以选择PC机也可以选择单片机。MCU部分由FPGA和DA转换组成信号输出端。系统总体框架如图2所示。用户在上位机将所需的信号参数，波形通过串行总线发送给串口接收模块，串口模块接收到参数后对参数进行解析，并向FPGA发送DDS控制字。FPGA在通过接收、查表、输出的操作后就可输出对应的数字信号给数模转换芯片，经D/A芯片转换、滤波后就可得到模拟信号[6-7]。 3.2 FPGA的逻辑模块设计 FPGA是整个系统的核心默克，对整个系统的逻辑结构进行分配和整合。FPGA控制逻辑的整体结构如图3所示，主要完成以下功能： 1） PPL同步系统时钟; 2）串口数据的接收和解析; 3）向DDS模块单元发送控制字; 4） DDS模块读取ROM波形; 5）为D/A转换提供时钟、数据以及相应接口。 3.2.1 DDS模块逻辑设计 DDS模块的时钟由PPL模块分频后可得到同步時钟，这里的DDS模块主要实现相位累加器和相位调制器。相位累加器是DDS能够实现的关键，为了保证波形的精度，通常会将位数
基于FPGA和DDS的数字调制信号发生器设计与实现
基于FPGA和DDS的数字调制信号发生器设计与实现 杨东霞;巨永锋 【摘要】为了提高数字调制信号发生器的频率准确度和稳定度,并使其相关技术参数灵活可调,提出了基于FPGA和DDS技术的数字调制信号发生器设计方法.利用Matlab/Simulink、DSP Builder、QuartusⅡ3个工具软件,进行基本DDS建模,然后在DDS模块的基础上,通过单片机等电路组成的控制单元的逻辑控制作用,根据通信系统中数字调制方式的基本原理,设计并实现了数字调制信号发生器,从而实现二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)和二进制幅移键控(2ASK)3种基本的二进制数字调制.所得仿真结果表明设计方法的正确性和实用性.%In this paper, a design method of digital modulation signal generator based on FPGA and DDS technology is presented, in order to improve the frequency accuracy and stability of the digital modulation signal generator, and make its relevant technical parameters flexible and adjustable. The basic DDS is modeled by using three software tools: Matlab/ Simulink.DSP Builder and Quartus II, and then based on the DDS module, the digital modulation signal generator is designed and implemented according to the basic principle of the digital modulation scheme in a communication system, and by the logic control function of the control unit composed by the microcontroller and other circuit, thus three basic binary digital modulation: the binary frequency shift keying (2FSK), the binary phase shift keying (2PSK) and the binary amplitude shift keying (2ASK) are realized. The simulation results show the correctness and practicality of the design method.
自-基于FPGA的DDS信号发生器的设计开题报告
宁夏大学新华学院 毕业设计（论文）开题报告 题目:基于FPGA的DDＳ信号发生器的设计与实现 系(部) 信息与计算机科学系 专业电子信息工程专业 学生沈睿 学号120０72４723１ 班号07（2） 指导教师何振中 开题报告日期20１0年1１月１9日 宁夏大学新华学院
说明 一、开题报告应包括下列主要内容： 1．通过学生对文献论述和方案论证，判断是否已充分理解毕业设计(论文）的内容和要求 2.进度计划是否切实可行; 3.是否具备毕业设计所要求的基础条件。 ４.预计研究过程中可能遇到的困难和问题,以及解决的措施; ５．主要参考文献。 二、如学生首次开题报告未通过,需在一周内再进行一次。 三、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在系（部）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字：检查日期:
一、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，但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 LaｒｇｅScaｌｅ 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。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。 二、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。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。（２)信号仿真,当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受的影响时,需要施加具有与实际环境相同特性的信号，加高频干扰信号,这是旧需要对干扰信号进行仿真。（3）校准源，用于对一般信号源进行校准或对比,有时称为标准源。而传统信号发生器采用专用芯片,成本高,控制方式不灵活,已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分