二、总体设计
1. 总体设计
（1） 系统框图如图2-1
图 2-1 总体设计框图
（2） 单片机小系统
单片机小系统由键盘，LCD 显示屏，和凌阳单片机SPEC061A 构成。负责 用户的交互和整个系统的控制。 （3） DDS及调制电路模块
DDS及调制电路模块由FPGA和DAC构成。FPGA负责在数字域实现正弦
波（载频）的合成、FM 和AM 调制信号（经过离散化的）的合成产生ASK 和 PSK的调制信号并完成ASK、PSK的调制和FM、AM 调制，然后控制DAC 输 出波形。
（4） 滤波及放大电路
滤波电路是采用美信的高速运放MAX4108 设计的一个有源二阶低通滤波
器，用以去除DDS 合成信号固有的高次谐波成分，同时有2 倍放大器的功能。 信号放大电路采用AD公司的高速运放AD811，使输出信号的幅度能达到发挥部 分的要求（Vopp在5V～7V之间）。 （5） 电源设计
高速 DAC 对模拟数字地之间的串扰十分敏感。模拟数字地之间的串扰对
DAC 输出信号的波形影响很大。故本系统采用一个线性电源对模拟电路供电， 采用一个开关电源对数字电路供电，模拟地和数字地之间通过一个磁珠相连。这 种设计实现了模拟数字电路尽可能大的隔离。实践证明，数字部分和模拟部分独 立供电对信号质量有很大的改善作用。
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2. 理论分析与参数设计
（1） 载频参数计算
本题要求：输出频率范围是1KHz～10MHz，频率步进是100Hz，频率稳定 度优于10-4，信号波形无明显失真。
要求 DDS 合成的信号波形无明显失真，那么一般要求一个信号周期内要插 值16 个点，而合成频率最高要求为10M，那么需要的FPGA 和DAC 接口数据 传送率为：
10M × 16 ＝ 160 MWord/S
这种数据传输率有一定风险，由于高速信号的不完整性，可能导致DAC 数 据错误。为解决波形失真和传输率间的矛盾，我们选择了MAX5858A，它是双 路10位300Msps DAC，内部含有4x/2x/1x的插值低通滤波电路。在其最大输出 速率时，如果使用其4x插值，则数据传输率为：
300MWord/S ÷ 4 ＝ 75MWord/S
DDS输出的正弦波每秒钟有75M个插值点，并在DAC内部完成4阶插值和 数字低通滤波，最后转化成实际电压输出。这样既抑制了高频段输出正弦波信号 可能的失真，又降低了数据接口的传输速率，提高了系统可靠性。
系统频率调整的步进是100Hz。DDS逻辑电路的工作时钟是75M，所以： 75M ÷ 100 ＝ 750000 （小于2 的20次方）
所以，DDS的频率字只要多于20 个bit，频率调整的步进就能小于100Hz。 本系统采用的频率控制字为32bit，充分满足频率调整步进的要求。
本系统的工作时钟由晶振提供的时钟通过FPGA内的锁相环3倍频得到。而
DAC内部插值4倍频。而晶振的频率稳定度为10-6量级，所以整体频率稳定度： 10-6×3×4=1.2×10-5，在10-5量级，满足题目要求。 （2） AM调制参数设计
本题要求：产生1KHz的正弦调制信号；调制度在10％和100％之间程控调 节，步进10％。
系统采用一个10bit 的控制寄存器来保存调制度。其离散间隔为1/1024，高 于步进10％的要求。调制度可以由用户自行设置，也可以用按键以1％或10％ 步进调整。
本系统中，正弦调制信号的频率并是不固定于1KHz，而是可以由用户随意 设定，由一个独立的DDS产生，其频率范围由1Hz 到10MHz（注：调制信号的 带宽是受到载频的限制的，载频最高只有10MHz，调制信号的频率不能太大。 实际上，AM一般用于话音调制，所以其频率一般不会超过5KHz）。 （3） FM调制参数设计
本题要求：产生1KHz 的正弦调制信号；调频产生最大频偏为5kHz/10kHz 两级程控调节。
系统产生的正弦调制信号的频率也可以由用户随意设定（与AM调制相同）。 最大频偏扩展为5kHz/10kHz/20kHz三档。 （4） ASK/PSK调制参数设计
本题要求：产生码速率为10kbps 的二进制基带序列信号，载波频率为 100kHz。
ASK、PSK 调制和AM，FM 调制共用一套本振（即合成正弦信号的DDS
模块），所以通过设定频率控制字可设置载波频率为需要的100kHz。而码率为 10kbps二进制基带序列信号则可以通过预置好的移位寄存器循环移位获得。
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（5） 滤波电路参数计算
本题要求：输出最大频率为10MHz的正弦波。
由于最终方案采用DAC输出，而DAC的转换频率为75MHz，故需要一个截 止频率在10MHz 和75MHz 之间的低通滤波器。然而DAC 的转换并不是理想 的，输出信号的谐波干扰主要集中在二次谐波，所以我们选取截止频率为18MHz 的有源二阶巴特沃兹低通滤波器，来保证达到题目要求。 （6） 放大电路参数计算
本题要求：输出的正弦信号在接50Ω负载时能有6V的峰峰值。
DAC（包括电流-电压转换）输出只有约1V的峰峰值，故在后级需要进行电 压放大。我们使用了具有两倍电压增益的滤波器，在滤波的同时进行两倍的电压
放大，然后再使用一片具有较大带载能力的运放做三倍电压放大，为了避免出现 自激，实际中采用三倍反相放大。
3. 扩展创新设计
（1） 单片FPGA实现双路正弦信号发生器
由于本系统在实现完题中所有基本和发挥的指标要求后，FPGA还剩余了大 量的资源，而且MAX5858A是双通路的DAC，所以在完成题目所有要求的基础 上，我们又扩展了一路信号发生器，除了不作幅度放大之外，其余所有性能指标 和前一通道（通道1）完全一样，而且同样可以进行AM，FM，ASK和PSK调 制。
（2） 扩展外部调制方式
本题要求自制调试信号进行AM，FM，ASK和PSK调制。我们的第二项扩 展就是在通道2的AM，FM，ASK和PSK调制全部增加外部调制方式。调制信 号由外部输入。其中，ASK和PSK调制信号的输入是由用户通过键盘输入要调 制的二进制基带序列；而FM和AM调制信号则由用户从外部输入，由单片机的 AD进行采样，然后将采样值发给调制电路（由FPGA内部的数字电路实现）进 行调制输出。
三、软件设计
设计目的：
接收用户键盘输入的数据（信号参数的预制、选择和步进）和控制指令，控 制液晶显示，向FPGA发送数据及控制指令，控制AD采样外输入信号（扩展外调
制功能）。 设计思路：
根据题目要求，本软件设计了4 级菜单结构及友好提示界面（键盘输入，
液晶显示）。用户可通过键盘选择菜单项设置输出信号的参数（频率、调制度、 频偏等），或选择输出信号（正弦波、模拟调幅波、模拟调频波等）。当用户选择
输出时，程序把设置的参数送至FPGA，并对FPGA发出控制命令使其输出需要的
信号。当用户选择外输入模拟调制时程序控制AD 采样外输入信号，转换到合适 的范围后发送至FPGA
软件流程图
四、数字逻辑设计
本系统的所有数字逻辑电路都由FPGA实现。FPGA选用的是Altera公司的
Cyclone 系列FPGA――EP1C3T144C8。此芯片有LE 约3000 个，片内RAM 有 52Kbits。
FPGA的数字逻辑电路负责在数字域实现FM和AM调制信号（经过离散化
的）的频率合成和生成ASK 和PSK 的调制信号（仅通道一有上述功能），正弦 波（载频）的频率合成，完成ASK，PSK，FM，AM 在数字域的调制（两个通
道都具有上述功能），然后控制DAC形成正确的波形信号
整个逻辑设计框图
PSK 调制的实现：本系统中PSK 调制是通过调制信号延时作异或运算然后 经过DPSK调制来间接实现PSK调制，而DPSK的调制是通过将DDS相位累加 器的相位步进瞬时设置为2π来实现反相。
FM 调制通过给正弦波（载频）的频率字叠加一个偏移频率字来实现频率的 偏移；AM 调制直接在FPGA 内用数字乘法器实现；ASK 调制直接用开关选通 载频信号或是截断载频信号，由于DAC 中零电平的量化字是512，所以零电平 是常数512。
五、电路设计
根据总体方案设计，硬件电路应分为，控制模块（单片机开发板）、信号产生模块（FPGA开发板）、DAC模块、滤波部分和放大部分。