基于FPGA的DDS多路信號源設(shè)計研究

齊英 鄧杰

【摘要】 由于具有轉(zhuǎn)換時間快、頻率精度高、頻帶寬等優(yōu)點，DDS 已經(jīng)在宇航、雷達、通信、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。然而，隨著高科技領(lǐng)域新的發(fā)展，DDS的各項性能指標已不能完全滿足實際的需要，特別是DDS輸出頻譜雜散較大是其固有的缺陷。如何提高DDS的整體性能指標，進一步減少占用的寄存器資源，減小系統(tǒng)的復(fù)雜程度，對其雜散進行正確分析并有效抑制等成為DDS發(fā)展的重要課題?；诖耍疚膶贔PGA的DDS多路信號源設(shè)計進行了研究，希望能提供一些有益的思考。

【關(guān)鍵詞】 FPGA DDS 多路信號源 設(shè)計研究

在本設(shè)計當中，F(xiàn)PGA是信號源的主控芯片，多路信號源的設(shè)計主要是利用DDS技術(shù)來實現(xiàn)的。此種信號源的優(yōu)勢在于，可以同時輸出32路模擬信號，輸出波形包括正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波四種，輸出頻率的調(diào)節(jié)范圍為1Hz到1.9kHz，輸出的幅值調(diào)節(jié)范圍為正負2.5V之間，信號幅值的精度最高可達0.0625%。在存儲測試系統(tǒng)自檢的過程中，此信號源也可以提供模擬信號輸入，通過模擬信號檢測目標設(shè)備的工作情況，并測試目標設(shè)備的各項性能指標。

一、研究擬解決的問題及思路

本設(shè)計當中，需要重點解決的問題有三個，分別是：算法、模型的建立；優(yōu)化方法和雜散抑制技術(shù)的仿真驗證和模型參數(shù)的建立；以及軟件開發(fā)與硬件電路實現(xiàn)。具體的解決思路為：一是利用DDS技術(shù)的特點和FPGA實現(xiàn)DDS技術(shù)的原理，理論研究和推導(dǎo)優(yōu)化方法與雜散抑制技術(shù)；二是利用VHDL自頂向下的設(shè)計思想和Matlab軟件的強大數(shù)學(xué)運算功能，對模型進行算法研究或數(shù)值分析，對優(yōu)化方法和雜散抑制技術(shù)進行仿真驗證和模型參數(shù)的建立。三是開發(fā)優(yōu)化方法和雜散抑制技術(shù)的應(yīng)用程序，采用大規(guī)模FPGA和高精度DAC芯片實現(xiàn)一種高頻譜純度、可數(shù)字擴頻的頻率合成器。為此，需要綜合考慮采用6級流水線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相位累加器的良好設(shè)計、找出1/8 正弦波形函數(shù)壓縮算法、DDS頻譜分析、構(gòu)造DDS雜散模型和雜散分析、研究DDS雜散抑制技術(shù)、建立高頻譜純度頻率合成器硬件電路和軟件設(shè)計等，以此將解決問題的思路良好地植入到設(shè)計方案當中。

二、基于FPGA的DDS多路信號源設(shè)計策略

1.基于FPGA技術(shù)的多路同步信號源的設(shè)計模型。在一個FPGA芯片上，構(gòu)建三路DDS信號通道，達到三路波形的數(shù)字輸出。在輸出數(shù)字信號后，進行D/A切換，課達到三路信號的模擬輸出。三路DDS信號通道的信號輸出頻率值取自相同的累加器輸出的地址值，此外，相位的加法也是基于同一個累加器輸出的地址值實現(xiàn)的，這樣做的好處是，基本消除了DDS芯片分立專用帶來的誤差。基于DDS各信號通道參數(shù)所具有的高度一致性，外部連線所導(dǎo)致的誤差也被大大降低，最終達到良好的相位連續(xù)調(diào)節(jié)效果。

2.基于DDS技術(shù)的多路同步信號輸出的FPGA設(shè)計方案。與一般DDS工作原理不同，同步多路輸出DDS的工作原理更能滿足實際應(yīng)用的需求。基于參數(shù)一致性和良好的相位可調(diào)性，多個信號之間存在良好的同步、同頻特征，因而，同步多路輸出DDS的性能優(yōu)越，可以滿足實際應(yīng)用的需求。對于DDS設(shè)計的核心部件相位累加器來說，采用32位加法器和32位寄存器級聯(lián)構(gòu)成。在實際工作中，加法器在上一個時鐘作用后產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)被相位累加器反饋到加法器的輸入端，進而加法器在下一個時鐘作用下仍然和頻率控制字疊加，從而達到相位累加的效果，直至出現(xiàn)溢出，再重返初始狀態(tài)，完成一個完整周期的波形輸出。本設(shè)計中的32位累加器模塊的實現(xiàn)，采用VHDL語言，具有較高的可操作性和可行性。對于波形存儲器的設(shè)計來說，波形存儲器的取樣地址即是相位累加器輸出的實際數(shù)據(jù)，進而進行波形的相位-幅碼轉(zhuǎn)換，最終在給定的時間點上，確定輸出的波形的抽樣幅碼，完成流程任務(wù)。這樣的波形存儲器設(shè)計方式，充分利用了FPGA資源，以10為的ROM作為載體實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)換。ROM的獲得是相對容易的，其存儲的數(shù)據(jù)也可由正弦波形數(shù)據(jù)生成的C程序來生成，而要實現(xiàn)其他波形數(shù)據(jù)的生成，只需對其中的波形表達式進行簡單修改即可。

3.仿真和調(diào)試環(huán)節(jié)。為保證此項設(shè)計的可行性，仿真與調(diào)試環(huán)節(jié)是必不可少的。通過仿真和調(diào)試環(huán)節(jié)，檢驗出生成的仿真數(shù)據(jù)完全正確可靠，并且檢驗出得到的同頻和可調(diào)相的三個正弦波的幅值數(shù)據(jù)序列完全達到了設(shè)計的預(yù)期要求。

三、結(jié)束語

本設(shè)計將FPGA原理和DDS原理進行了良好的結(jié)合運用，最終實現(xiàn)了多路信號源的良好的性能，不僅能夠同時輸出32路模擬信號，而且多路信號在參數(shù)方面具有良好的一致性，解決了許多實際應(yīng)用中需要克服的問題。此外，在輸出需求需要改變的是時候，本設(shè)計只需簡單修改存儲器波形信息的ROM數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)，具有較高的靈活性和實用性，不需要另行制版。從理論角度來說，本設(shè)計在應(yīng)用過程中節(jié)省了不少時間成本，增加了運行效益，對于信號源的擴展和改進來說益處良多。

參 考 文 獻

[1]張凱琳，蘇淑靖，劉利生，易春莉，鄭文強.基于FPGA的DDS多路信號源設(shè)計[J].電測與儀表，2011，03：63-65+78.

[2]齊彩利，宋鵬，齊建中.基于FPGA的多路信號源設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電工程，2010，04：19-21+25.