数字频率合成器dds的量化性能分析matlab仿真

简介: ### 课题概述分析DDS(数字频率合成器)量化性能的MATLAB仿真,研究累加器、截位和DAC位宽对频谱的影响。### 核心程序在MATLAB 2022a中,使用相位映射、量化码本和频偏分析函数,比较了10bit DAC位宽截取、无截取以及相位位宽截取的频谱特性。### 系统原理DDS利用相位累加器、波形查找表、DAC和LPF生成精确频率信号。相位累加器的位数决定频率分辨率和杂散性能,量化和非线性影响信号质量。### 分析重点频率分辨率与相位累加器位数相关,杂散和噪声性能受相位截断、幅度量化及DAC非线性影响。提高这些参数能提升DDS输出质量。

1.课题概述
数字频率合成器dds的量化性能分析matlab仿真,分别定义累加器位宽,截位位宽,模拟DAC位宽等,分析不同的量化位宽对DDS信号输出频谱的影响。

2.系统仿真结果
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3.核心程序与模型
版本:MATLAB2022a
```Yo_err = mod(nK,2^(Wbits-Wmsb));
%相位映射输出
Yo_phase= cos(2
pi*(Yo_adder-Yo_err)/(2^Wbits));
%量化
Q_interval = [-1+1/(2^(Wdac-1)) : 1/(2^(Wdac-1)) : 1-1/ (2^(Wdac-1))];
%量化码本值
cb = [-1+1/(2^Wdac) : 1/(2^(Wdac-1)) : 1-1/(2^Wdac)];
%频偏分析
[Pxx1,wx1] = periodogram(Yo_phase,[],'onesided',pp);

figure;
subplot(211);
plot(Yo_phase);title('进行10bit DAC位宽截取');
xlim([0,200]);
subplot(212);
psdplot(Pxx1/max(Pxx1),wx1);

Yo2 = cos(2piYo_adder/(2^Wbits));
%量化
[~,Yo3] = quantiz(Yo2,Q_interval,cb);
%频偏分析
[Pyy2,wy2]= periodogram(Yo3,[],'onesided',pp);

figure;
subplot(211);
plot(Yo3);title('不进行位宽截取');
xlim([0,200]);
subplot(212);
psdplot(Pyy2/max(Pyy2),wy2);

%量化
[~,Yo4] = quantiz(Yo_phase,Q_interval,cb);
%频谱分析;
[Pzz3,wz3]= periodogram(Yo4,[],'onesided',pp);

figure;
subplot(211);
plot(Yo4);title('进行相位位宽截取');
xlim([0,200]);
subplot(212);
psdplot(Pzz3/max(Pzz3),wz3);24

```

4.系统原理简介
数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)是一种用于生成精确频率信号的电子设备。与传统的模拟频率合成方法相比,DDS具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位连续可调等优点。DDS的核心是一个相位累加器和一个波形查找表(Look-Up Table, LUT),通过将相位累加器的输出作为查找表的地址,可以实时生成任意频率和相位的数字波形。

4.1 DDS的基本原理
DDS的基本原理是利用数字信号处理技术来生成所需的模拟信号。DDS主要由相位累加器、波形查找表、数模转换器(DAC)和低通滤波器(LPF)等部分组成。DDS的输出信号可以表示为:

dcfd8d5fed2475497dcfe3b797eafd17_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.png

   相位累加器:相位累加器是DDS中的核心部分,用于实现相位的线性递增。在每个时钟周期,相位累加器将其输出与频率控制字(Frequency Control Word, FCW)相加,得到新的相位值。相位累加器的位数决定了DDS的频率分辨率和最大输出频率。

相位累加器的输出可以表示为:

56e7263fd867162d830162eb045f1ee7_watermark,size_14,text_QDUxQ1RP5Y2a5a6i,color_FFFFFF,t_100,g_se,x_10,y_10,shadow_20,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk=.png

波形查找表:波形查找表存储了预先计算好的波形数据(通常是正弦波或余弦波)。相位累加器的输出作为查找表的地址,用于从查找表中读取相应的波形数据。查找表的大小和深度决定了DDS的波形质量和内存需求。

数模转换器(DAC):DAC将查找表输出的数字波形转换为模拟信号。DAC的分辨率和线性度直接影响DDS输出信号的精度和失真。

低通滤波器(LPF):由于DAC输出的信号包含高频分量(量化噪声和采样频率的谐波),因此需要通过低通滤波器来滤除这些不需要的频率成分,得到平滑的模拟信号。

4.2 DDS的量化性能分析
DDS的量化性能主要包括频率分辨率、杂散性能和噪声性能等方面。

频率分辨率:DDS的频率分辨率是指DDS能够分辨的最小频率间隔。频率分辨率与相位累加器的位数和DDS的时钟频率有关。

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其中,N 是相位累加器的位数。增加 N 可以提高频率分辨率,但也会增加硬件复杂性和成本。

杂散性能:杂散是指DDS输出信号中除了所需频率成分以外的其他频率成分。杂散主要来源于相位截断误差、幅度量化误差和DAC的非线性。

为了改善杂散性能,可以采取增加相位累加器和查找表的位数、优化DAC的设计和使用高性能的低通滤波器等措施。

相位截断误差:由于相位累加器的位数有限,相位值会被截断,导致相位不连续和周期性误差。这种误差会在输出频谱中产生杂散。
幅度量化误差:查找表中的波形数据是有限精度的,因此会引入幅度量化误差。这种误差也会在输出频谱中产生杂散。
DAC的非线性:DAC的非线性会导致输出信号的失真和谐波成分。
噪声性能:DDS的噪声主要来源于DAC的量化噪声和系统的热噪声。量化噪声是由于DAC的有限分辨率引起的,而热噪声是由于电子器件的热运动引起的。

噪声性能可以通过信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)来衡量。SNR定义为信号功率与噪声功率之比。提高SNR可以通过增加DAC的分辨率、优化电路设计和降低系统温度等方法实现。

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