基于FPGA的扩频模拟信号源的设计与实现

论文摘要

信号发生器是控制系统的重要组成部分。研制出较高精度、可靠性、可调参数的数字量信号发生器,对于促进我国航空、航天、国防以及工业自动化等领域的发展均有重要意义。本文以直接频率合成和伪随机码的设计与实现为中心,对扩频通信的基本理论、信号源的结构、载波调制等问题进行了深入的分析和研究,并给出了模块的硬件实现方案。现场可编程门阵列(FPGA)设计灵活、速度快,在数字专用集成电路的设计中得到了广泛的应用。论文介绍了FPGA技术的发展和应用,包括VHDL语言的基本语法结构和FPGA器件的开发设计流程等等。详细地分析了各类频率合成器的基础上提出采用直接数字式频率合成原理(DDS)实现低相位噪声、高分辨率、高精度和高稳定度的信号源。研究了测距伪随机码的原理,确定选用移位序列作为系统的扩频码序列,并选取了符合本系统使用的移位序列扩频码。分别给出并分析了相应的FPGA硬件实现电路。对于载波调制这一关键技术,提出了采用二进制相移键控相位选择法并相应作了硬件实现。最后给出具体设计实现了的信号发生器的输出波形。经实验室测试,设计的信号发生器满足要求,且结构简单、工作可靠、重量轻、体积小,具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、背景及意义
• 1.2 信号发生器的国内外发展状况
• 1.3 调制技术的国内外发展状况
• 1.4 国内外数字调制信号发生器产品的比较
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 模拟信号源设计的理论基础
• 2.1 扩频通信技术
• 2.1.1 扩频通信理论基础
• 2.1.2 扩频通信国内外研究状况
• 2.2 直接数字频率合成技术（DDS）
• 2.2.1 DDS的基本原理
• 2.2.2 DDS的结构
• 2.2.3 DDS的主要性能
• 2.3 扩频系统的伪随机序列
• 2.3.1 m序列
• 2.3.2 Gold码序列
• 2.4 载波调制技术
• 2.4.1 信号调制通用模型
• 2.4.2 数字相位调制技术
• 2.5 本章小结
• 第3章 信号源控制界面的设计
• 3.1 系统软件环境VC++特点
• 3.2 地理位置解算
• 3.3 控制界面的设计
• 3.3.1 台站信息对话框
• 3.3.2 接收机船位变化设置对话框
• 3.3.3 系统仿真对话框
• 3.5 本章小结
• 第4章 信号发生器模块的设计
• 4.1 FPGA概述
• 4.1.1 FPGA发展过程
• 4.1.2 Stratix系列芯片简介
• 4.1.3 VHDL语言简介
• 4.1.4 FPGA设计流程
• 4.2 DDS模块的设计
• 4.2.1 相位累加器
• 4.2.2 象限确定模块
• 4.2.3 正（余）弦查找表
• 4.2.4 DDS的实现与结果分析
• 4.3 扩频调制模块的设计
• 4.3.1 扩频码的选取
• 4.3.2 扩频序列的实现
• 4.3.3 伪码调制
• 4.4 本章小结
• 第5章 信号发生器的综合与实现
• 5.1 载波调制的设计与实现
• 5.1.1 载波调制的原理
• 5.1.2 载波调制的实现结果与分析
• 5.1.3 数模转换器（D/A）的选取
• 5.2 计算机对信号源进行控制的实现
• 5.2.1 串口通信的设计
• 5.2.2 单片机控制系统的设计
• 5.3 信号发生器的调试与结果分析
• 5.3.1 元件焊接与整板测试
• 5.3.2 上电功能测试
• 5.3.3 调试结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢