1、1成绩：_直接数字频率合成器的设计与分析学院：电子与信息工程学院专业：电子信息科学与技术班级：09 级电信本二班姓名：余金雷学号：90515032指导老师：过老师时间：2011 年 12 月 13 日()DACLPFMNfc fout21摘要随着数字信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成（DDS）的应用也越来越广泛。DDS 具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点，而可编程门阵列（FPGA）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。由于模拟调相方法有生产性差、调试不
2、方便、调制度控制不精确等缺点，因此采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍 5。现在许多 DDS 芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能，实现起来比较简单，而要实现模拟线性调制具有一定的难度。因此本设计介绍了一种由单片机控制，并采用 FPGA 实现 DDS 功能，产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。与传统的频率合成方法相比，DDS 合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。使用单片机灵活的控制能力与 FPGA 器件的高性能、高集成度相结合，可以克服传统 DDS 设计中的不足，从而设计开发出性能优良的 DDS 系统。直接数字频率合成（Digital Frequency
3、Synthesis）是一种新的频率合成方法。随着数字集成电路和微电子技术的发展，DDS 技术日益显示出他的优越性。直接数字频率合成器是一种全数字化的频率合成器。它由相位累加器、波形存储器、数模转化器和低通滤波器组成。DDS 具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换是相位变化连续等优点。本文首先对 DDS 的原理进行了详细讨论，然后结合现场可编程门阵列器件(FPGA)，设计实现了基于 FPGA 的 DDS 正弦信号的实现。本设计采用了用 VHDL硬件描述语言和 maxplus 的顶层原理图等多种方式来实现，并经实践证明是可行的。关键字 EDA 技术 VHDL 硬件描述语言 直接数字频率合成器软
4、件平台 MAX+PLUS 前言EDA 技术是现代电子信息工程领域的一门新技术 ,它是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，一硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算3机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑局部布线、逻辑仿真，直至对于待定目标芯片的适配编译、逻辑放映、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。它具有用软件方式设计硬件，用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，设计过程中用有关软件进行仿真，系统可现场
5、编程、在线升级，整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高的特点。其主要主要内容：大规模可编程逻辑器件 硬件描述语 VHDL 软件开发工具实验开发系统。它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软硬件工具并提供了先进的电子系统设计方法。当今的 EDA 技术更多的是指芯片内的电子系统设计自动化 ,即片上系统( SOC)设计。也就是说 ,开发人员完全可以通过自己的电子系统设计来制定其芯片内部的电路功能 ,使之成为设计者自己的专用集成电路 (ASIC)芯片 ,可以将设计过程中的许多细节问题抛开 ,而将注意力集中在系统的总体开发上 ,实现了真正意义上的电子设计自动化。随着数字
6、信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成（DDS）的应用也越来越广泛。DDS 具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点，而可编程门阵列（FPGA）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点，因此采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍 5。现在许多 DDS 芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能，实现起来比较简单，而要实现模拟线性调制具有一定的难度。因此本设计介绍了一种由单片机控制，并采用 FPGA 实现
7、DDS 功能，产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。DDS 技术具有频率切换时间短(20 ns)，频率分辨率高(0.01 Hz)，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可以快速程控切换，输出相位可连续，可编程以及灵活性大等优点，它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。DDS 广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、4通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线通信系统。利用 EDA 技术中 VHDL 硬件描述语言,对直接数字频率合成器描述,并在 Altera 公司开发的 EDA 软件平台MAX+PLUS环境下,对 VHDL 源程序进行编辑、编译、仿真。 2设计基本要求19
8、71 年，美国学者 J.Tierncy、C.M.Reader 和 B.Gold 提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。随着技术和水平的提高，一种新的频率合成技术直接数字频率合成(DDS，Direct Digtal Synthesis)技术得到了飞速发展。DDS 技术是一种把一系列数字形式的信号通过 DAC 转换成模拟形式的信号合成技术，目前使用最广泛的一种 DDS 方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速 DAC 输出已经用数字形式存入的正弦波。DDS 技术具有频率切换时间短(20 ns)，频率分辨率高(0.01 Hz)，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可
9、以快速程控切换，输出相位可连续，可编程以及灵活性大等优点，它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。DDS 广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线通信系统。信号发生器由单片机、接口电路、FPGA、低通滤波器、D/A 转换等部分组成其组成框图如图 2.1 所示。通过键盘送人频率控制字、相位控制字和幅值控制字，使其输出一定频率、相位和幅值的正弦波信号，经过低通滤波器后形成平滑的正弦波。图 2.1 信号发生器的组成框图系统的性能要求：1、频率范围 20Hz20KHZ，步进 20Hz；2、差 0359，步进 1；3、两路输出正弦波信
10、号，峰峰值分别在 0.3V5V 变化；54、数字显示频率、相位差。3.设计分析3.1DDS 的工作原理：下图是 DDS 的基本原理图，频率控制字 M 和相位控制字分别控制 DDS 输出正( 余)弦波的频率和相位。DDS 系统的核心是相位累加器，它由一个累加器和一个 N 位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长 M 增加。图 3.1相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成，其原理框图如图3.1 所示。每来一个时钟脉冲 Fc，N 位加法器将频率控制数据 K 与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果 Y 送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用
11、后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据 K 相加；另一方面以相加后的结果形成正弦查询表的地址,取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值，作为取样地址值送入幅度/相位转换电路（即图 2.1 中的波形存储器）。这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值(二进制编码)经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到 D/A 转换器，D/A 转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。相位累加器原理框图由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位。当相位
12、累加器加满量时就会产生一次溢出，溢出频率就是 DDS 输出的信号频率。()DACLPFMNfc fout6相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同，在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。由采样原理可知，如果使用两个相同的频率合成器，并使其参考时钟相同，同时设定相同的频率控制字、不同的初始相位，那么在原理上就可以实现输出两路具有一定相位差的同频信号。3.2 EDA 实现的直接数字频率合成器本设计基于 DDS 的基本原理，利用
13、Altera 公司的 FPGA 芯片 FLEX10 系列器件设法将波形采样点的值依次通过数模转换器（MDAC）转换成模拟量输出,可达到预期的目的，具有较高的性价比。其基本环节由计数器（Counter）、只读存储器（EPROM）、数模转换器（MDAC）和滤波器等组成(同 DDS 原理)。具体方案如下: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合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在 02 范围内起变化。相位累加器位数为 N，最大输出为 2 -1，对应于 2 的相位，累加一次就输出一个N相应的相
14、位码，通过查表得到正弦信号的幅度，然后经 D/A 转换及低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。整个 DDS 电路的电路结构如下图所示。3.3 移相原理所谓移相是指两路同频的信号，以其中的一路为参考，另一路相对于该参7考作超前或滞后的移动，即称为相位的移动。两路信号的相位不同，便存在相位差，简称相差。若我们将一个信号周期看作是 360，则相差的范围就在0360之间。移相示意图若输出信号 A 和 B 的相位差可调，须保证两路信号同步，故应满足以下条件：(1)输入到两个频率合成器芯片的参考时钟之间的相位偏移要足够小。这个相移会导致输出信号之间产生与之成比例的相移。(2)频率控
15、制字送到频率合成器的数据缓冲区后，还必须通过一个更新时钟才能将数据缓冲区中的数据送到相位累加器，成为有效数据后进行输出。(3)在第一次传送数据之前必须先使频率合成器复位，以保证其输出的相位是可知的。因为 DDS 芯片的相位输出是连续的，所示复位信号可使两个频率合成器的相位累加器复位到 COS(0)状态。新的数据送到相位累加器时，它们之间的相位关系可以得到保持，也可以通过相位控制字来调节两片频率合成器之间的相位差。因为要求产生两路正弦波，频率和相位可调，且都要以数字的形式进行控制和处理，所以在设计中将分别对部分电路提出几种实现方案并进行分析和论证。3.4 频率合成器方案频率合成是指对一个标准信号
16、频率经过一系列算术运算，产生具有相同精度和稳定度的大量离散频率的技术。频率合成有多种实现方法，其中直接数字频率合成技术与传统频率合成技术相比具有难以比拟的优点，如频率切换速度快、分辨率高、频率和相位易于控制等。因此得到越来越广泛的应用，成为当今现代电子系统及设备中频率源设计的首选。实现 DDS 有三种技术方案 ：（1）采用高性能 DDS 单片电路的解决方案 ：（2）采用低频正弦波 DDS 单片电路的解决方案： 8（3）自行设计的基于 FPGA 芯片的解决方案EDA：相位累加器 SUM99 是决定 DDS 性能的一个要害部分，小的累加器可以利用ACEX 器件的进位链得到快速、高效的电路结构。然而
17、，由于长的进位链会减少其它逻辑使用的布线资源，同时过长的进位链也会制约整个系统速度的提高。采用流水线技术可以提高速度，即把在一个时钟内要完成的逻辑操作分成几步较小的操作，并插入几个时钟周期来提高系统的数据吞吐率。综合考虑后，这一部分决定采用进位链和流水线技术相结合的办法，这样既能保证较高的资源利用率，又能大幅提高系统的性能和速度。相位幅度转换电路 A/D 是 DDS 电路中另一个要害，设计中面临的主要问题就是资源的开销。电路通常采用 ROM 结构，相位累加器的输出是一种数字式锯齿波，通过取它的高若干位作为 ROM 的地址输入，经查表和运算后，ROM 就输出所需波形的量化数据。正弦查找表 ROM
18、 的设计中利用 MATLAB 或 C 语言编程对正弦函数进行采样，非常方便地得到了正弦函数的采样数据。在本设计的硬件验证过程中，针对实验开发系统所提供的输入、输出资源的限制及芯片逻辑资源的限制，便于实验的实现，所以采用自行设计的基于 FPGA 芯片的解决方案能更易实得到实验结果ROM 表的尺寸随着地址位数或数据位数的增加呈指数递增关系，因此，在满足信号性能的前提条件下，如何减少资源的开销就是一个重要问题，实际设计时，我们充分利用了信号周期内的对称性和算术关系来减少 EAB 的开销。在实际运用中，我们将着眼点主要放在了节省资源上。相位幅度转换电路中的主要问题在于 ROM 的大小上。本次设计的 D
19、DS 主要用于数字视频编码中，因此只需要输出正弦波，考虑了以下的优化方式：COS 波信号对于 x 直线成偶对称，基于此可以将 ROM 表减至原来的 12，再利用左半周期内，波形对于点（2，0）成奇对称，进一步将 ROM 表减至最初的 14，因此，通过一个 SIN 码表的前 14 周期就可以变换得到 SIN 和 COS 的整个周期码表。这样，就节省了将近 34 的资源。系统控制电路主要是根据是否需要相位调制（BPSK）及频率调制（BFSK），系统时钟是否需要分频得到所需的基准时钟，频率码的输入方式是串行、并行还是微机接口方式，如何控制输出等具体要求而设计的。3.5 移相方案 要实现两路信号具有确
20、定的相位差，采用数字移相技术，这是目前移相技术的潮流。数字移相技术的核心是先将模拟信号数字化，移相后再还原成模拟信号。 数字移相主要有两种形式：一种是先将正弦波信号数字化，并形成一张数据表存入 ROM 芯片中，此后可通过两片 DA 转换芯片在单片机的控制下连续地9循环输出该数据表，就可获得两路正弦波信号，当两片 DA 转换芯片所获得的数据序列不同时，则转换所得到的两路正弦波信号就存在着相位差。相位差的值与数据表中数据的总个数及数据地址的偏移量有关。这种处理方式的实质是将数据地址的偏移量映射为信号间的相位值。另一种是先将参考信号整形为方波信号，并以此信号为基准，延时产生另一个同频的方波信号，再通
21、过波形变换电路将方波信号还原成正弦波信号。以延时的长短来决定两信号间的相位值。这种处理方式的实质是将延时的时间映射为信号间的相位值。3.6 DDS 的 FPGA 实现设计根据图 3.1，并假定相位控制字为 0，这时 DDS 的核心部分相位累加器的FPGA 的设计可分为如下几个模块：相位累加器 SUM99、相位寄存器 REG1、正弦查找表 ROM 和输出数据寄存器 REG2，其内部组成框图如图 3.2 所示。图中，输入信号有时钟输入 CLK，使能端 EN，复位端 RESET，频率控制字 K，输出信号为Q。图 3.2首先利用 MATLAB 或 C 语言编程对正弦函数进行采样；然后对采样数据进行二进
22、制转换，其结果作为查找表地址的数值。用 MATLAB 语言编写的正弦函数数据采集程序如下：CLEAR TIC；T=2*PI/1024；t=0:T:2*pi;y=255*sin(t);round(y)；用 C 语言编写的正弦函数数据采样程序如下：10#include “stdio.h“#include “math.h“Main( ) int I;Float s;For ( i=0;iOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTP
23、OUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPOUTPK, EN=EN, RESET=RESET, CLK=CLK, OUT1=S1);U1:REG1 PORT MAP(D=S1, CLK=CLK, Q=S2);U2:ROM PORT MAP(ADDR=S2, CLK=CLK, OUTP=S3);U3:REG2 PORT MAP(D=S3, CLK=CLK, Q=Q);END ARCHITECTURE ART; 18系统的整体组装 DDS 的编译图系统的整体组装 DDS 的仿真图5. 直接数字频率合成器总体内部逻辑结构设计原理图利用 MAX-PLUS11 中的原理图编辑窗口原理图编辑
24、器，调用各模块源程序编译后生成的器件以及个输入输出元器件，按要求连线，组成直接数字频率合成器的内部逻辑图。6.设计问题说明DDS 的输入频率控制字 K 有 10 位数据，输出数据 Q 为 9 位，并且 ROM 需191024 个存储单元，需要占用的系统比较大。但我们所拥有的实验开发系统所配的适配板的资源可能有限，如我们在进行该实验时所用的芯片为 ALTERA 公司的EP1K30TC144 芯片，这时我们直接进行硬件验证会遇到困难。因此我们需要进行变通，想办法进行硬件验证或部分验证。在本设计的硬件验证过程中，针对实验开发系统所提供的输入、输出资源的限制及芯片逻辑资源的限制，我们采取了如下变通办法
25、：(1) 在 DDS 的前端增加一个信号发生器，该信号发生器实际就是一个数据锁存器，当控制信号 LOCK 有效时，将事先设定的频率控制字输出送入相位累加器。设定的频率控制字可在程序中随时修改。 (2) 由于能够使用的 FPGA 的芯片 EP1K30TC144 的逻辑资源不够，因此对 DDS 内部最占用资源的 ROM 模块进行了修改。原模块是对一个完整的正弦波进行采样，我们可以只采样正弦波的上半周，这样就可以节省一半的硬件资源。如果只对正弦波的上半周进行采样，那么在进行 ROM 的设计时，就可以将原来的输入数据由 9 位变成 8 位，可以将用来表示符号的最高位省去，这样也可以省去很多的硬件资源。
26、QUESTION1:在进行 ROM 波形仿真时，ROM 波形仿真不出结果？ANSWER1: DDS 的输入频率控制字 K 有 10 位数据，输出数据 Q 为 9 1位，并且 ROM 需 1024 个存储单元，需要占用的系统比较大。但我们所拥有的实验开发系统所配的适配板的资源可能有限，因此我们需要进行变通，想办法进行硬件验证或部分验证。由于能够使用的 FPGA 的芯片 EP1K30TC144 的逻辑资源不够，因此对DDS 内部最占用资源的 ROM 模块进行了修改。原模块是对一个完整的正弦波进行采样，我们可以只采样正弦波的上半周，这样就可以节省一半的硬件资源。如果只对正弦波的上半周进行采样，那么在
27、进行 ROM 的设计时，就可以将原来的输入数据由 9 位变成 8 位，可以将用来表示符号的最高位省去，这样也可以省去很多的硬件资源.7.设计技巧分析(1) 在正弦查找表 ROM 的设计中利用 MATLAB 或 C 语言编程对正弦函数进行采样，非常方便地得到了正弦函数的采样数据。20(2) 在本设计的硬件验证过程中，针对实验开发系统所提供的输入、输出资源的限制及芯片逻辑资源的限制，采用了如下变通的办法进行硬件验证： 在输入环节加入了一个数据锁存器，用“软设置”代替按键“硬设置”； 在 ROM的验证中，降低了系统的设计规模，减少了系统对逻辑资源的需求。其他类似问题也可参照该方法解决。这在实际的开发
28、设计中，是在硬件验证中最常用也最重要的一种办法。8.总结与展望通过这次的实验设计，使我更深入地学习了相关专业知识，并能够熟练的操作 MAX+plus软件。通过对 VHDL 硬件描述语言学习，让我感到了 VHDL 硬件描述语言的方便性和灵活性，可以使编程技能快速提高，并且认识到很多新的设计思想。设计以 FPGA 为核心，详细阐述了 FPGA 内部实现的功能及 VHDL 程序设计仿真，但由于软件版本的限制，部分模块无法实现仿真。设计采用直接数字频率合成技术设计了双通道相位关系可调的信号发生器，输出信号频率范围为 020KHz，频率分辨率高于 20Hz，相位调节步进 1。两个通道不仅可以输出相同频率的信号，还可以输出不同相位、不同幅值的正弦信号。9.参考文献【1】谭会生.EDA 技术及应用 M .西安:西安电子科技大学出版社，2004。【2】延明.数字逻辑设计实验与 EDA 技术 M .北京邮电大学出版社，2006。
