FPGA实现的直接数字频率合成器

FPGA实现的直接数字频率合成器
【摘　要】　描述了直接数字频率合成器（DDS）的原理和特点，并给出了用FPGA实现DDS的方法及仿真结果。<--摘要CH(结束)←-->
<--→关键CH(开始)-->    关键词：直接数字频率合成，FPGA，波形产生

<--关键EN(结束)←-->1　引　言

　　随着微电子技术的发展，现场可编程门阵列（FPGA）器件得到了飞速发展。由于该器件具有工作速度快、集成度高和现场可编程的优点，因而在数字信号处理中得到了广泛应用，越来越受到硬件电路设计工程师们的青睐。直接数字频率合成（DDS）技术具有频率分辨率高、频率变换速度快、相位可连续线性变化等特点，在数字通信系统中已被广泛采用。本文基于DDS的基本原理，利用Altera公司的FPGA芯片FLEX10系列器件完成了一个DDS系统的设计。

2　DDS的原理

    DDS由相位累加器、正弦查找表、D／A转换器和低通滤波器组成，其原理如图1所示。

　　图1中，fc为时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器的字长，m为ROM地址线位数，n为ROM数据线宽度（一般也为D／A转换器的位数），f0为输出频率。相位累加器由加法器和D触发器级联组成。在时钟脉冲fc的控制下，对输入频率控制字K进行累加，累加满量时产生溢出。相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在0～2π范围内变化。相位累加器位数为N，最大输出为2N－1，对应于2π的相位，累加一次就输出一个相应的相位码，通过查表得到正弦信号的幅度，然后经D／A转换器转换为模拟信号，由低通滤波器滤除杂散波和谐波以后，输出一个频率为f0的正弦波。输出频率f0由fc和K共同决定。当频率控制字为K时，相位累加器的增量步长为K，经过2N／K次累加，相位累加器满量溢出，完成一个周期动作，输出频率f0与时钟频率fc之间的关系满足从而，DDS的最小频率分辨率Δfmin可达.

3　DDS的特点

    DDS具有以下特点：
　　（1）频率分辨率高。DDS的频率分辨率在fc固定时，取决于相位累加器的位数N，只要N足够大，理论上就可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。
　　（2）频率变换速度快。在DDS中，一个频率的建立时间通常取决于滤波器的带宽。影响因素为相位累加器，ROM内的工艺结构，D／A转换器及其它信号处理过程中可能产生的时延。其中，信号处理的时延与时钟周期相关。由于DDS中不要相位反馈控制，频率建立及切换快，与频率分辨率、频谱纯度相互独立，明显优于PPL。
　　（3）DDS中相位改变是线性过程。数字相位累加器是优良的线性数字增值发生器。因此，DDS的相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小。另外，DDS的相位是连续变化的，形成的信号具有良好的频谱特性，这是传统的直接频率合成方法所无法实现的。
　　（4）输出频率范围宽。理论上，DDS输出的频率范围在0～fc／2，实际上，考虑到低通滤波器的设计，为40％fc，而FPGA的时钟频率可达到100MHz，因此，利用FPGA，可以实现输出频率范围很宽的正弦信号。

4　DDS的FPGA实现

　　FLEX10K是Altera公司1995年推出的产品系列，不仅在芯片上集成了1万个门，还首次集成了嵌入式存储器块，可为用户提供多达3K×8位的片内RAM，以满足存储器密集型应用的需要。
FLEX10K系列器件具有以下特点：高密度阵列嵌入式编程逻辑器件系列；0．5μmCMOSSRAM工艺制造；在线可编程；所有I／O端口有输入输出寄存器；快速有效地实现特大规模电路，包括存储器、DSP、专用算术逻辑、微处理器和微控制器等；专用进位链路，可实现快速加法器和计数器功能；专用级联链路，有效地实现高速多输入功能；内部三态总线，支持系统集成；支持多时钟系统的低时滞要求；具有JTAG边界扫描测试内建电路；3．3V或5．0V工作模式；由Altera公司的MAXPLUSII开发系统提供软件支持。
　　我们采用FLEX10K器件设计的DDS如图2所示。
　　图2中，输入端K1为频率控制字，决定了DDS的频率分辨率，K2为初相控制字，clk为系统时钟，en为使能引脚，reset为复位引脚，sindata为正弦离散序列。模块SUM8×8为8位字长的相位累加器，本质上就是一个累加器，它的VHDL语言实现的主要部分如下：

　　模块ADDER8×8为8位加法器，决定了合成正弦波的初始相位，模块ROM8×8为被调用的LPM_ROM元件，利用它可在FLEX10K器件的内部RAM中存放一张28×8位的正弦表，当然，也可存放其它形式波形，从而实现任意波形产生。

　　现在，令clk的周期为50ns、初相K2＝0、频率控制字K1分别为2、4，通过MAXPLUSII软件进行仿真，得到图2中各数据的时序关系，如图3所示。仿真结果生成＊．tbl文件后，利用Matlab软件，将提取出来的数据绘制成的波形如图4所示。其中，时间轴经过了归一化。图中的毛刺对应于仿真波形的暂态过程，真正输出到D／A转换器的是经过选通的稳态数据。

5　结束语

    本文结合DDS的基本原理，利用FPGA合成 出了正弦离散序列，配以D／A转换器和低通滤波器就可以构成一个DDS系统。

参考文献

1　吴远斌．数字式接收机设计．现代雷达，1996（3）：91～96
2　周昊，宋文涛，罗汉文.一种基于DDS的软件无线电调制方案．电讯技术，1999（5）：53～56
3　蔡英武．利用Matlab增强MAX＋PLUSII的仿真功能．电子技术应用，2000（3）：13～15
4　刘波，胡建彰．用于FLEX10K系列器件配置的一种改进方案．电子技术应用，1999（2）：66～67 如果觉得 FPGA实现的直接数字频率合成器这篇文章不错，可以推荐给朋友分享哦。