基于改进CORDIC算法的DDS信号发生器设计

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直接数字频率合成技术是继直接式和锁相式频率合成技术之后的新一代频率合成技术,是现代频率合成的主要技术和近代通信系统的重要组成部分。直接数字频率合成技术由于具有输出信号稳定、分辨率高、相位连续、可控性好等优点,被广泛应用于通信、雷达、导航等多种领域。在电子对抗设备中,它可以作为干扰信号发生器;在测试设备中,可作为标准信号源,因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。但是由于DDS采用全数字结构,带来了输出信号频率较低、杂散性能不够理想等缺点,在一定程度上限制了DDS的应用。本论文采用EDA(Electronic DesignAutomation)技术和SOPC(System Ona Programmable Chip)技术相结合的方法设计了DDS信号发生器。首先介绍了DDS的发展现状以及工作原理结构等,并分析了输出杂散产生的原因以及抑制方法。SOPC技术实现的NiosⅡ系统模块是通过NiosⅡ软核实现人机接口和频率控制字的计算,将键盘输入的频率数值转换为频率控制字。本论文通过将改进的CORDIC算法代替传统的ROM查找表结构,降低了DDS结构由于相位截断所造成的杂散,并在算法模块和相位累加器模块的设计上使用流水线结构,从而使输出信号在速度上得到了提高。CORDIC算法是一种用迭代方式计算旋转矢量的方法,主要应用于三角函数、双曲线函数、指数、对数等一些基本函数的运算。在CORDIC算法中,对数据的操作只需要进行简单的移位和加减操作,易于硬件实现。然而CORDIC算法迭代的特性限制了DDS工作速度。为了进一步提高运算速度,本论文对CORDIC算法进行了详细的分析与研究,提出了通过将剩余角度分解的方法来实现提前计算每次迭代的方向,从而减少传统CORDIC算法每级迭代中计算旋转方向的时间。将此方法与合并多级迭代的方法相结合改进传统流水线结构CORDIC算法,以此提高算法模块的整体运算速度。本论文以32位精度DDS信号为例,在Quartus Ⅱ中对基于改进CORDIC算法的DDS信号发生器系统各个模块进行功能仿真,验证模块设计的正确性;并对改进前后的信号发生器做了性能比较。实验结果表明:①分析基于改进CORDIC算法的DDS信号发生器各个模块的功能仿真和输出波形图,验证了模块功能正确性;②基于改进CORDIC算法的DDS信号发生器以95.0ns运算速度明显优于传统CORDIC算法的DDS信号发生器325.0ns运算速度;③与基于传统CORDIC算法的DDS信号发生器比较,基于改进CORDIC算法的DDS信号发生器在相等时间内输出的正余弦信号丰富、波形连续,且信号精度达到10-5数量级。本论文对于利用高精度、低杂散的DDS技术提供理论和技术上的参考。
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