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1 引 言 DDS(Direct Digital Frequency Synthesis，直接數字頻率合成器)是一種從相位概念出發直接合成所需波形的頻率合成技術。由于DDS具有相對頻帶寬、頻率分辨率高、頻率變化速度快與相位可連續線性變化等一系列特點，已被廣泛應用于數字通信系統中。目前，可供用戶選擇的高性能、多功能的專用DDS芯片比較多。然而在某些對控制方式、置頻速率等方面有特殊要求的場合，設計一個基于高性能FPGA(Field Programming Gate Array，現場可編程門陣列)的DDS電路就是一個很好的選擇。 依據正弦波對稱性，把DDS的核心部件——相位累加器改進為回旋相位累加器，使得波形存儲ROM空間降為原來的50 %，頻率分辨率提升1倍。另外，在QuartusⅡ，VC與LabWindows/CVI組成的混合仿真環境下，對該系統進行驗證。這樣，既避免硬件平臺的限制，又增加了硬件實現成功率。 2 混合仿真下改進的DDS系統的實現 由圖1可見，改進后的DDS系統由回旋相位累加器、波形存儲器、DAC(Digital to Analog Converter，數模轉換器)、PLL(Phase Locked Loop，鎖相環路)與LPF(LowPass Filter，低通濾波器)構成。 2.1 DDS工作原理 在連續的時鐘作用下，相位累加器以K位頻率控制字為步進值做累加運算。把累加器的輸出作為波形存儲器的地址數據，依次讀出相應單元的正弦波波形樣點數據，然后送往DAC進行數模轉換后，經LPF低通濾波后輸出連續模擬的正弦波形。 假設波形存儲器ROM中存儲了一個完整正弦波波形的樣點數據，那么通過改變K位頻率控制字的大小，就調整了累加器的步進值，亦即改變了輸出的正弦波單周期樣點數，從而實現了正弦波形的頻率控制。如每次對K位頻率控制字的累加后，再把N位相位控制字累加進去后，便可實現波形的相位偏移。如每次再對波形存儲器輸出數據乘以P位幅度控制字后便實現了正弦波形的幅度控制。 如果正弦波形的采樣深度為D位，那么系統內的N位累加器就決定了波形存儲器的存儲空間應為2N×D位。如果取N為32位，D為10位，則需要5 120 MB的ROM資源，這在任何一片FPGA芯片中是難以實現的。由于波形樣點數據存在大量的重復值，因此本系統采用了“截尾法”來生成存儲器的地址(圖1中的地址鎖存器完成的就是這個功能)。把累加器輸出的高10位作為存儲器的地址，從而使得ROM空間縮小為1.25 kB。而依據正弦波形的對稱性把相位累加器改進為回旋相位累加器后，使得ROM只需存儲半波形數據，進而把ROM空間再降低50%，變為0.625 kB。 2.2 系統參數的確定 系統預采用10位無符號的DAC，故存儲波形樣點數據的ROM空間大小為210×10位。即D為10位，M為10位。 通過系統的綜合仿真報告，可以發現系統的極限工作頻率為197.01 MHz。因此，為了最大限度地拓寬DDS的頻帶寬度，系統中引入了PLL來提升時鐘信號頻率及其穩定度。選定fs為50 MH，f′s為190 MHz。 雖然奈奎斯特抽樣定理已經證明，周期樣點數只要保留2個以上便可以無誤地復原波形。可是為了保證完整精確地重建正弦波形，保守地選擇單周期樣點的個數應該≥16個。而回旋相位累加器的每次溢出只表示有半個正弦波形的輸出，即頻率控制字的位數比回旋相位累加器的位數少3位。所以，頻率控制字的位數K為28位，回旋相位累加器的位數以及相位控制字的位數N為31位。 2.3 回旋相位累加器 所謂回旋相位累加器，指的是累加器先以頻率控制字為步進值進行加法運算，當累加器溢出后，再以頻率控制字為步進值進行減法運算，如再次溢出后，再進入遞增式的加法運算階段，如此循環，故稱之為回旋相位累加器。回旋相位累加器實質上仍然是以頻率控制字為步進值的累加器。他實現“回旋”的思想主要是依據溢出位COUT。如果COUT=‘0’，則正常輸出;如果COUT=‘1’，則取反后輸出。 由此不難得出，改進的DDS系統的頻率分辨率△f、相位分辨率△p以及系統輸出正弦波的頻率fo由式(1)、式(2)以及式(3)給定： 假設幅度控制字大小為1，則由式(1)，(2)，(3)可知系統的頻率分辨率△f約為0.044 Hz，相位分辨率△p約為8.382*10-8度，輸出正弦波的最高頻率fmax為11.875 MHz以及最低頻率fmin為0 Hz。 由此不難看到DDS的優點：輸出信號的頻帶寬、頻率分辨率以及相位分辨率高。 3 存儲器初始化文件(*.mif文件)的生成以及對仿真數據等間隔采樣提取 波形存儲器調用LPM_ROM元件實現。為了得到1 024個10位正弦波的半周期無符號幅值樣點數據，并生成相應的存儲器初始化文件(*.mif文件)，需要把正弦波波形移至x軸上方后進行采樣。采樣公式為： 在QuartusⅡ6.0軟件中對DDS進行波形仿真后，把仿真結果保存為含有時間和對應樣點數據的*.tbl文件。然后在VC中，依據tbl文件的存儲格式，編程實現對時間和樣點數據的分離提取。 盡管QuartusⅡ6.0是一款十分優秀的EDA(Elec-tronic Design Automation，電子設計自動化)開發工具，但是其仿真結果直觀性差，有必要借助第三方工具來觀察驗證仿真結果。而且可以利用第三方工具來仿真DAC以及LPF。在本系統中，選擇了信號處理函數庫極其豐富、可視性很強的虛擬儀器開發平臺LabWindows/CVI 8.0。 由于QuartusⅡ6.0仿真生成的tbl文件中的仿真數據在時間上并不是等間隔的，因此在LabWindows中進行濾波處理之前，必須對仿真數據進行等間隔采樣。等間隔采樣的方法是“遞進式查找法”，采樣原則是每個周期采樣512個點。 4 仿真結果與分析 在LabWindows 8.0中使用他的高級信號分析庫中的五階切比雪夫低通濾波器函數對等間隔采樣后的樣點數據進行濾波，便可得到圖2(11.875 MHz的DDS仿真，等間隔采樣以及濾波后的波形)、圖3(20 Hz的DDS仿真，等間隔采樣以及濾波后的波形)的仿真結果。 由圖2、圖3中DDS的仿真波形中存在大量的毛刺，這主要是由于多位的波形數據傳輸到FPGA的管腳時存在微小的時間誤差造成的，屬正常現象。這可以通過后面的濾波電路消除，而圖中的濾波后的波形也十分理想。圖2、圖3中的電壓值只是歸一化的電壓。 5 結 語 文中詳細描述了基于QuartusⅡ6.0，VC 6.0和Lab-Windows/CVI 8.0混合仿真環境下設計并實現一個改進的DDS系統的方法和過程，這個數字系統設計的特點就是設計完全避免了硬件平臺的限制，同時提升了系統硬件實現的成功率。另外系統中回旋相位累加器的引入把ROM空間的開銷降低50%，分辨率提升1倍。 但是，由于DDS內部的波形存儲器ROM工作速度的限制，使得DDS輸出的最高頻率有限。而DDS的全數字結構也不可避免地引入了雜散，主要來源有：回旋相位累加器的截尾誤差造成的雜散、幅度量化誤差造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散。但是，通過濾波處理完全可以把這些雜散對波形的影響降到最低。 |
