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正交直接数字频率合成器的研究与设计

作　者: 张勇
导　师: 王革思
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 正交直接频率合成器分解法无杂散动态范围逻辑单元
分类号: TN74
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 62次
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内容摘要

本文对于通信系统中应用广泛的直接数字频率合成器(DDFS)做了介绍和综述,快速的频率转换,较高的频率分辨率和较好的频谱特性使其得到了广泛的应用。文中介绍了四类常用的DDFS合成方法,对比了四类DDFS合成方法的优缺点,并从功耗和输出信号的频谱纯度两个角度对合成方法进行了分析,可以看出二阶多项式近似算法相比于其它合成方法在功耗和频谱纯度方面具有综合优势。为了进一步降低功耗和提高系统工作频率,针对正交直接数字频率合成器(Q-DDFS),提出了一种基于二阶多项式近似算法的改进算法—分解的二阶多项式近似算法(简称“分解法”)。设计了一种用分解法实现的相位一幅度转换模块的Q-DDFS结构,从逻辑单元和输出频谱特性两方面进行分析,给出了这一算法的参数选取的原则。通过选取合适的参数,实现了基于FPGA的分解法Q-DDFS结构,该结构完全采用数字电路,并且没有ROM查找表和复杂的逻辑电路等,因而适用于要求低功耗及高集成度的混合通信系统。本文实现了一个基于十六分段近似的分解法Q-DDFS,用Verilog HDL语言描述Q-DDFS系统,并使用QuartusⅡ对系统进行了仿真和验证,通过Matlab对系统输出进行时域和频域分析。该结构可以获得110.9dBc的无杂散动态范围(SFDR),最高工作频率为147MHz,系统分辨率为0.03Hz,同时转换延迟为8个系统周期,约为54ns。仿真结果表明,与二阶多项式近似算法相比分解法,在输出频谱纯度不变的情况下,可以减小20%的逻辑单元消耗,并将最高工作频率提高了25MHz,系统输出带宽增加10MHz。通过与其它直接数字频率合成方法的比较,可以看出分解法在输出频谱纯度和频率分辨率方面具有较大的优势。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 频率合成技术的发展与应用  11-12
  1.2 频率合成技术及主要性能指标  12-16
    1.2.1 直接模拟频率合成技术  12
    1.2.2 间接频率合成技术  12-13
    1.2.3 直接数字频率合成技术  13-14
    1.2.4 频率合成器主要性能指标  14-15
    1.2.5 三种频率合成技术的特点和性能比较  15-16
  1.3 本文的主要研究内容  16-18
第2章直接数字频率合成器的原理与结构  18-38
  2.1 直接数字频率合成器的基本工作原理  18-22
  2.2 基于角度分解算法的DDFS结构  22-25
    2.2.1 Sunderland结构  23-24
    2.2.2 Nicholas结构  24-25
  2.3 基于角度旋转算法的DDFS结构  25-29
    2.3.1 CORDIC算法  25-27
    2.3.2 改进的CORDIC算法  27-29
  2.4 基于正弦幅度压缩算法的DDFS结构  29-32
    2.4.1 幅度相位差算法  30-31
    2.4.2 双三角近似算法  31-32
  2.5 基于多项式近似算法的DDFS结构  32-37
    2.5.1 一阶多项式近似算法  33-35
    2.5.2 二阶多项式近似算法  35-37
  2.6 各类直接数字频率合成方法对比  37
  2.7 本章小结  37-38
第3章低逻辑单元消耗的Q-DDFS设计  38-49
  3.1 相幅转换模块的设计要求  38-41
    3.1.1 低功耗设计  39-40
    3.1.2 高频谱纯度设计  40-41
  3.2 低逻辑单元消耗的Q-DDFS相幅转换模块  41-46
    3.2.1 分解的二阶多项式近似算法  42-43
    3.2.2 基于分解法的Q-DDFS相幅转换模块  43-46
  3.3 分解法的逻辑资源估算  46-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章直接数字频率合成器的频谱特性分析  49-62
  4.1 基本DDFS的频谱分析  49-54
    4.1.1 理想DDFS与实际DDFS的频谱  49-50
    4.1.2 实际DDFS中的噪声来源  50-51
    4.1.3 杂散信号的频谱分析  51-54
  4.2 分解法Q-DDFS的频谱分析  54-61
    4.2.1 分解法输出频谱分析  55-57
    4.2.2 输出频谱SFDR分析  57-59
    4.2.3 分解法参数选取和系数计算  59-61
      4.2.3.1 最小二乘算法  59-61
      4.2.3.2 参数选取和系数计算  61
  4.3 本章小结  61-62
第5章基于分解法的Q-DDFS  62-74
  5.1 基于分解法的Q-DDFS一般结构  62-64
  5.2 基于分解法的Q-DDFS的设计实例  64-68
  5.3 基于分解法的Q-DDFS的仿真结果与分析  68-73
  5.4 分解法与二阶多项式近似算法的Q-DDFS比较  73
  5.5 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-81
攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果  81-82
致谢  82

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