摘 要

频率合成技术是电子系统中非常关键的技术。频率合成技术主要有：直接模拟式频率合成技术（DAS）、间接锁相式频率合成技术（PLL）和直接数字式频率合成技术（DDS）这三种方法。

论文主要研究了直接数字频率合成技术在DSP芯片上的实现。

本文首先介绍了频率合成技术的原理及发展情况，分析了三种频率合成技术各自的优缺点，并重点介绍了直接数字频率合成技术的两种实用的实现方式。然后详细介绍了DDS技术的原理以及基本结构，并列举公式进行分析。之后详细介绍了本次设计采用的设计方式，即使用MATLAB辅助生成四种波形的数据，使用C语言编写DSP代码，根据输入所需波形的频率来间断读取基本波形数据，通过软件设计来实现扩展四种波形的输出选择，并分析比较了多种波形扩展的硬件电路实现与软件实现这两种方式的优缺点。之后对DDS技术进行频谱分析，提出了引入杂散信号的三种误差，对三种误差做出具体分析并提出改进方案。

关键词：频率合成技术；DDS；DAS；PLL；DSP

Abstract

Frequency synthesis technology is a key technology in electronic systems. Frequency synthesis technology is mainly divided into three types: direct analog frequency synthesis (DAS), indirect phase-locked frequency synthesis (PLL) and direct digital frequency synthesis (DDS).

This paper mainly studies the realization of direct digital frequency synthesis technology on DSP chip.

This article first introduces the principle of frequency synthesis technology and the development situation, analyses the respective advantages and disadvantages of three kinds of frequency synthesis technology, and focuses on the direct digital frequency synthesis technology of two kinds of practical implementation. Then, the principle and basic structure of DDS technology are introduced in detail, and the formulas are listed for analysis. After this design adopts the design method is introduced, which uses the MATLAB help generate four waveform data, using C language of DSP code, according to the frequency of the input waveform needed to continuously read basic waveform data, through the software design for the extended four waveform output options, and compares a variety of waveform analysis extension circuit implementation of hardware and the software realization of the advantages and disadvantages of these two approaches. After that, the spectrum analysis of DDS technology is carried out, and three kinds of errors of introducing stray signal are proposed, and three kinds of errors are analyzed and improved.

Key Words：Frequency Synthesis Technique；DDS；DAS；PPL；DSP

目录

第1章 绪 论 1

1.1 频率合成技术 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 数字信号处理器 3

1.4 本文的结构 3

第2章 频率合成技术的分析 4

2.1 直接模拟式频率合成技术 4

2.2 间接锁相式频率合成技术 4

2.3 直接数字式频率合成技术 5

2.4 DDS技术的实现方法 6

2.4.1 基于FPGA的DDS技术实现 6

2.4.2 基于DSP的DDS技术实现 7

第3章 基于DSP实现DDS技术的信号源设计 8

3.1 DDS技术原理 8

3.2 使用MATLAB的辅助设计 9

3.2.1 基于MATLAB的仿真设计 9

3.2.2基于MATLAB计算波形数据 16

3.3 基于DSP的具体实现 17

3.3.1 Code Composer Studio概述 17

3.3.2 DSP实现 17

3.4 多种波形扩展模式分析 19

3.4.1 扩展电路实现多种波形输出 20

3.4.2 扩展软件代码实现多种波形输出 14

第4章 DDS技术的频谱分析 15

4.1 相位截断误差 15

4.2 幅度量化误差 15

4.3 DAC的非理想化误差 16

第5章 DDS技术的改进方法 18

5.1 修正频率控制字 18

5.2 压缩ROM存储需求 18

5.2.1 基于信号对称的方法 18

5.2.2 三角近似法 19

5.2.3 基于泰勒级数的线性插值法 26

5.2.4 线性插值法 26

5.2.5 各种ROM压缩方法的比较 27

5.3 扰码注入技术 28

5.3.1 相位随机扰动技术 29

5.3.2 幅度随机扰动技术 29

第6章 总结 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪 论

1.1 频率合成技术

频率合成技术是一种能够产生大量具有相同精度和稳定度的频率的一项技术，在电子系统中起到十分关键的作用。近年来电子技术迅速发展，这种发展主要体现在电子系统的电路规模越来越大的同时物理体积越来越小，这种发展趋势增加了对信号频率的要求，现有的以振荡器电路产生的信号频率在稳定度和准确度上已经不能满足要求，急需开发新型的频率产生方式，频率合成技术就是在这种背景下产生的。在电子系统使用的大多数场合中，我们需要在较宽的频率范围内，并且能够以较快的速度来提供多种类型的具有高精度、高稳定度的频率信号。

频率合成技术主要分为三类：第一代的直接模拟式频率合成技术（DAS）、第二代的间接锁相式频率合成技术（PLL）和第三代的直接数字式频率合成技术（DDS）^[1]。

随着数字集成电路和微电子技术的发展，第三代频率合成技术——直接数字式频率合成技术得到迅速发展^[2]。直接数字频率合成技术是在电子系统中是一项不可缺少的技术，它可以在要求极精确的频率分辨率的情况下快速的切换、产生基准频率。DDS技术应用全数字的大规模集成技术，因其能快速转换、产生高分辨率信号的同时成本低廉、消耗功率低，在电子通信领域被广泛使用，随着DDS技术的发展又被应用于实现设备全数字化。数字信号处理也是一项关键的数字化技术^[3]。

1.2 国内外研究现状

在频率合成器方面，目前较好的锁相式频综芯片是美国国家半导体公司生产的噪声基底达到-219dBc/Hz的LMX243X芯片。而全球知名的亚德诺半导体公司的ADF41020芯片的工作频率已经可以达到18GHz。目前国内在锁相式频综方面还不具备生产能力。

DDS技术的杂散已经可以做到-70dB左右^[4]。亚德诺半导体公司生产的型号为AD9914的单片集成DDS芯片采样频率达到3.5GHz、DAC分辨率为12位。21世纪初期出现了一种新型的DDS方式，即ROM-LESS。这个技术最大的优点在于摆脱了对ROM存储的依赖，并且降低了电路功耗。2005年我国采用0.35μm CMOS工艺并且采用了ROM-LESS方式，研制出合成时钟频率能够达到2GHz的新一代DDS高速芯片。这代DDS芯片的产生标志着我国在生产数字频率合成芯片的技术领域获得突破进展。

图1.1 ADI公司DDS芯片现状

直接数字频率合成技术是由美国学者J.Tierney等人在1971年3月发表在IEE上的《A Digital Frequency Synthesizer》文章中提出的一种全数字化的新型频率合成技术。在技术提出初期DDS技术的输出带宽有限，杂散明显，但是随着几十年来的发展，不少学者投入其中分析杂散源，不断地提出改进方案。例如，Sunderland等人提出的利用三角恒等式分解正弦波的参数，并用近似相等的方法压缩波形数据；在Bellaouar提出的基于泰勒级数的线性插值法的基础上Mohamed等人提出将存储的波形数据改为波形数据减去相位的差值作为存储数据，最后加上相位参数恢复成正弦信号，以此进行改进；还有Wheatley提出相位抖动注入法来破坏相位截断误差产生的周期性，达到减少相位误差影响的目的；在国内有金数波等人也进行了相应的研究。多亏有这些学者不懈地研究分析，DDS技术得到很大的改善，已经可以被应用于实际生产中。

1.3 数字信号处理器

数字信号处理器（DSP)是数字信号处理的专用芯片。随着信息技术领域的研究应用要求越来越高，大部分的信号处理任务需要保证高速性与实时性，而信息时代的微电子学、数字信号处理、计算机技术等的飞速发展为DSP的发展提供了基础。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理功能不断提高和扩大^[5]。

1.4 本文的结构

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