基于FPGA的高精度信号源的设计

引言

　　近年来电子信息技术飞速发展，使得各领域对信号源的要求不断提高，不但要求其频率稳定度和准确度高，频率改变方便，而且还要求可以产生任意波形，输出不同幅度的信号等。DDFS技术是自上世纪70年代出现的一种新型的直接频率合成技术。DDFS技术是在信号的采样定理的基础上提出来的，从“相位”的概念出发，进行频率合成，不但可利用晶体振荡的高频率稳定度、高准确度，且频率改变方便，转换速度快，便于产生任意波形等，因此，DDFS技术是目前高精密度信号源的核心技术。

　　1 DDFS技术原理及相关参数计算

　　DDFS技术的原理：将对正弦信号(或其他信号)的采样量化数据存入ROM存储器中，在时钟的控制下，依次或隔一定步进读取ROM中的数据，再通过D／A转换芯片转换成模拟信号，进一步经后级的低通滤波器、功率放大电路等来实现频率合成。其主要的组成部分包括相位累加器、数据存储ROM表、D／A转换、低通滤波器及功率放大电路等。

　　根据DDFS原理，DDFS主要参数包括正弦信号的采样点数N，最高输出频率fomax，最低输出频率fomin及频率分辨率△fo等。本设计要产生1 Hz～10 MHz范围内，步进为1 Hz的正弦信号，参数计算如下：

       1)输出频率通式fo  ，N为采样点个数，S为步进长度。

　　2)输出最高频率fomax ；根据奈奎斯特采样定理，1个周期至少采样两个点才能保证原信号的频率信息。而实现工程应用中一个周期至少采样16个点或更多点，以保证输出信号的质量。输出最高频率要达10 MHz，所需的系统时钟信号频率fc为160 MHz。由于本文使用的外接晶振为50 MHz，则必须使用CycloneII系列FPGA自带的数字锁相环(PLL)对输入时钟进行倍频，以达到所需的时钟频率160 MHz。可取3倍频到150 MHz。此时系统输出的最高频率为：fomax=150 MHz／16=9．375 MHz。虽然通过提高锁相环的倍频数，可进一步提高工作频率，从而可以产生更高的输出信号频率，但由于在进行DDFS模块设计时，其所能工作的最高频率将制约着倍频数。

　　3)输出最低频率fomin 要做到fc／N=1 Hz，则N=2n=150M，n=log2(150 M)=[27．16]=28。即ROM中的采样数据为150M点，对应的寻址ROM的地址位数据长度为28位。

　　4)频率分辨率△fo △fo=fc/2n，已知ROM的地址位至少为28位，本设计中取32位，这样所得的fomin及△fo为150M／232=0．03492 Hz。

　　5)ROM数据1／4周期压缩 ROM的寻址地址位长度为32位，即所需的ROM单元数将为232个。但ROM中并不需要存储这么多数据点，因为数据重复量非常大，只需存入一定量的点即可。本设计中，根据正弦信号周期内的数据特点，对周期正弦信号的(0，π／2)区间进行1 024点的采样，进行12位的量化并存入ROM。这相当于对(0，2π)区间进行了4 096个点的采样，ROM数据量压缩为1／4。此时，相位累加器输出地址位相应修改为30位。这样以来，在进行数据输出时，对(π，2π)区间的数据要做取补的运算。因为在这个区间上正弦信号数据为负值。

　　6)ROM地址位长度通过数据压缩，ROM的地址只需10位，此时，只需要对相位累加器的30位地址位输出值，取高10位用于ROM寻址即可。

　　7)步进位长度 步进最大应为232／24=228，即为28位的二进制数。

 

　　2 DDFS的FPGA实现

　　本设计中DDFS模块的设计原理图如图1所示。主要包括地址发生单元(相位累加器)、ROM存储单元、补码转换电路及一些数据延时单元组成。工作每一个部分均采用VHDL语言进行描述并生成模块以便在顶层文件中进行调用。

 

图1 DDFS的FPGA实现

　　1)相位累加器(地址发生单元) 设计思路为根据输入的STep值，计算出1／4周期采样的点数m，然后在时钟作用下进行计数，当计数值达m个时，说明一个象限内已经取完点，此时象限控制字自加1，计数变量重新置零，此时依次产生了如下(0，Step，…，(m-1)Step)的30位二进制地址。截取此地址位的高10位即可用于对ROM空间的寻址。根据正弦信号的特点，下一象限产生的地址应该为：((m-1)Step，(m-2)Ste-p，…，0)，依此类推。且象限控制字自加。

　　2)ROM存储单元 ROM存储单元的数据可以通过Matlab进行计算获得，并将其存储为dds_sin．mif。也可采用其他高级语言来获得ROM存储数据。

　　3)补码转换电路 (0，π)数据直接输出，(π，2π)象限的数据应进补码运算。对此补码电路稍作修改，即可同时输出相位正好相反的两路正弦信号。

　　4)数据延时单元为了使地址单元输出的象限控制字等与异步ROM配合工作，应对相应的数据进行延时，以保证输出数据的正确。本设计中对相位控制字延了一个时钟周期。

　　3 DDFS设计模块性能及所占资源分析

　　1)DDFS模块时序分析 首先应当分析DDFS模块的最大时钟频率fmax，因为它决定着系统能否工作在150 MHz或更高的时钟频率。通过Qu-artusII6．0自带的Timing Analyzer Tools时序分析，本设计中的DDFS模块的fmax=179．18 MHz，高于150 MHz。故本设计理论上可输出的正弦信号的最高频率可达11．198 MHz。

　　2)DDFS模块资源分析本设计使用的是FPGA为Ahem公司的CycloneⅡ系列芯片EP2C5Q208C8，所设计的DDFS模块所占片上资源逻辑单元仅为2％，所占的数据存储空间为12 288 bits，约占总的数据存储空间119 808 bits的10％。可见，通过对ROM存储表进行数据后，DDFS模块所占片存储资源较少。因此，FPGA上ROM资源允许调用若干DDFS模块来完成各种功能模块，如2-PSK、2-FSK、2-ASK等数字调制。