肖炎根
[摘要]介紹直接數(shù)字頻率合成的工作原理、設(shè)計方法以及如何用FPGA來實現(xiàn)。為壓縮ROM的容量,系統(tǒng)只存儲0-π/2的采樣值。為降低DDS相位截斷誤差帶來的雜散,系統(tǒng)設(shè)置雜散抑制器。利用QuaausⅡ9.0對系統(tǒng)進行仿真,驗證設(shè)計的正確性。
[關(guān)鍵詞]DDSFPGALPM
中圖分類號:TP3文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210090-01
一、引言
直接數(shù)字頻率合成DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。本文討論了用Altera公司的FPGA(EP2C35F484C6)完成直接數(shù)字頻率合器的設(shè)計。
二、直接數(shù)字頻率合成的基本原理
圖1為DDS的基本框圖。相位累加器在時鐘fc的控制下以步長FCW作累加,輸出數(shù)字線性相位序列和相位控制字P相加后對相位-幅度轉(zhuǎn)換器尋址,相位-幅度轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的正弦離散序列經(jīng)DAC將其轉(zhuǎn)化為階梯模擬電壓波,最后由LPF將其平滑為連續(xù)的正弦信號。
圖1DDS的基本框圖
三、FPGA上實現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成電路
(一)相位累加器。相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。為了提高系統(tǒng)的工作速度,累加器采有流水線結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)在Quartus II中調(diào)lpm_add_sub和lpm_dff宏功能模塊,利用MegaWizard Plug-In Manager
編輯來完成32位相位累加器的設(shè)計。
(二)雜散抑制器。N位(32位)相位累加器中提取高M(12位)位作為ROM的查詢地址,則舍去了N-M位,這樣就產(chǎn)生了相位截斷誤差,表現(xiàn)在輸出頻譜上就是雜散分量。為了抑制雜散,系統(tǒng)設(shè)置了雜散抑制器,如圖2所示。加法器中加入隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機抖動序列,其目的是將一些隨機數(shù)加在正弦波的相位序列上,打破相位誤差序列的周期性,從而分散雜散功率,達到提高雜散抑制度的目的。
(三)正弦相位-幅度轉(zhuǎn)換器
正弦相位幅度轉(zhuǎn)換器包含輸入地址轉(zhuǎn)換器、ROM、輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器三部分組成。利用三角函數(shù)的對稱性,用0-π/2的采樣值通過變換得到0-2π的采樣值,這樣使得ROM容量減小到原來的1/4。輸入地址轉(zhuǎn)換器根據(jù)次高位adr[10]的數(shù)值來判斷地址碼是否需要對π/2進行折疊。輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器根據(jù)最高位adr[11]的數(shù)值判斷正弦波的相位在一、二象限,還是在三、四象限;判斷是否需要對輸出數(shù)據(jù)求補。下表概括了次高位與最高位對ROM的輸入地址與輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。ROM的設(shè)計可在Quartus II中調(diào)用lpm_rom宏功能模塊,利用MegaWizard Plug-In Manager編輯來完成設(shè)計。
四、DAC和LPF電路
AD9713B是一款12位的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC,圖3是DAC的電路原理圖。AD9713B的14腳輸出的模擬信號經(jīng)低LPF將其平滑為連續(xù)的正弦信號。
圖3DAC的電路原理圖
五、系統(tǒng)的仿真
利用QuaausⅡ9.0對DDS進行時序仿真,得到仿真時序圖,如圖4所示。隨著頻率控制字FCW和相位控制字P的加大,兩路輸出信號的幅度碼的改變在加大;兩路輸出信號相位的改變與相位控制字P相符;從而驗證了設(shè)計的正確性。
圖4DDS的時序仿真圖
六、結(jié)論
實驗結(jié)果表明:FPGA實現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器具有頻率分辨率高、頻率切換時間短、相位變化連續(xù)、成本低、容易實現(xiàn)對輸出信號的多種調(diào)制等優(yōu)點。
參考文獻:
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[2]黃軍友,基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成系統(tǒng)的仿真[J].通信技術(shù),2008,47(11):219~221.