基于FPGA的两种DDS实现

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 基于 FPGA 的两种 DDS 实现 赵 　飞 , 郭 　伟 (中国科学院 空间科学与应用研究中心 , 北京 　100190) 摘　要 :阐述了两种 DDS 的原理 ,频率合成方式 (DDFS) 和直读方式 (DDWS) ,给出了 FP GA 实现方式 ,分析了 DDS 的 几个关键的技术指标 ,并通过 Matlab 仿真。频率合成方式是比较常用的 DDS 产生方式 ,对它做了详细的原理性介绍和实现 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ,重点通过仿真详细对比了两种实现方式在性能指标上的优劣 ,为后人的选择提供技术参考。 关键词 :频率合成方式 ; 直读方式 ; 带外抑制比 ; 信噪比 中图分类号 : TN911 　　　　　文献标识码 :A 　　　　　文章编号 :10042373X(2010) 1320204203 Two Kinds of DDSs Implementing with FPGA ZHAO Fei , GUO Wei (Center for Space Science and Applied Research , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190 , China) Abstract : The principle of two kinds of DDSs (DDFS and DDWS) is elaborated. The implementation mode of FP GA is offered. Several critical qualifications of DDSs are analyzed and simulated with Matlab. The principle and implementation of DDFS are int roduced in detail since DDFS is widely used to generate DDS. The advantages and disadvantages of the two im2 plementaion modes are compared with their qualifications. Those qualifications can be used for reference for someone who works in the field of DDSs. Keywords : DDFS ; DDWS ; SFDR ; SNR 收稿日期 :2010201228 0 　引 　言 DDS(Direct Digital Frequency Synt hesizers) 广泛 应用于雷达系统、数字通信、电子对抗、电子测量等民用 军用设备中。它是随着半导体技术和数字技术的快速 发展而发展起来的新型的频率合成技术 ,与传统的 VCO + PLL 的模拟方式产生所需频率相比 ,DDS 技术 具有频率分辨率高 ,相位噪声低 ,带宽较宽 ,频谱纯度好 等优点。这些技术指标在一个系统中是至关重要的 ,决 定着一个系统的成败。 1 　DDS的基本原理 1. 1 　频率合成方式的基本原理 DDFS 是根据余弦函数相位和幅值的对应关系 ,从 相位出发 ,由不同的相位给出不同的电压幅值 ,再经过 D/ A 变换和滤波最后得到一定频率和调频率的模拟信 号[1 ] 。由此可见 ,DDS 有很多功能模块组成[2 ] ,如图 1 所示。 若相位累加器有 N 位 ,时钟频率为 f clk , 频率控制 字为 FCW。N 位的相位累加器可以对时钟频率进行 2 N 分频 ,所以 DDS 的精度[3 ]可以达到 : Δf = f clk / 2 N (1) 图 1 　DDS 原理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 　　频率控制字是用来控制累加器的步进的 ,累加器的 步进为Δθ= FCW 3 12 N 。假设初始的相位偏移ΔΦ= 0 , 则经过 N 个时钟周期后相位累加器的输出θ = 2π3 FCW 3 N 3 (1/ 2 N ) 。在相位步进Δθ时 ,完成 2π的 相位变化即为完成一个输出周期 ,所以 20/Δθ3 Tclk = To , 即 : f o = f clk2 N 3 FCW (2) 　　可见调节 FCW 可以任意地按照要求改变输出频 率 ,这就达到了频率合成的目的。 1. 2 　直读方式 DDS 的原理 直读法 (DDWS)工作流程是 ,把所需要的 DDS 的波 形 ,直接用 Matlab 抽样量化 ,然后把量化的数据直接存 402 电 子 技 术 赵 　飞等 :基于 FP GA 的两种 DDS 实现 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 储到 FPGA 的 BlockRAM[4 ] 中 ,再在时钟频率的控制下 直接从BlockRAM 中读取数据 ,D/ A 后输出原来波形。 2 　数字实现 2. 1 　DDFS 的数字实现 由于 D/ A 之前都是数字部分 ,为了分析其原理数 字控制的实现过程 ,参考如图 2 所示结构。 图 2 　累加器 相位累加器是由一个加法器和一个寄存器构成 ,假 设累加器位数 N = 6 ,那么 000000 代表 0 弧度 ,000001 代 表弧度 ,相应的 000010 代表 (2π/ 64) 3 2 弧度 ,111111 代 表 (2π/ 64) 3 63弧度。若频率控制字 FCW = 000011 ,并且 累加器中的初始相位为 0 ,则经过 N = 21 个时钟周期后 形成的二进制序列为 000000 ,000011 , ⋯,111111 ,对应的 相位分别为 0 , (2π/ 64) 3 3 , ⋯, (2π/ 64) 3 63。当第 22 个 时钟周期到来时 ,加法器溢出 ,所有位数重置为 0 ,另一个 循环周期开始[5 ] 。查找表可以用 FPGA 中BlockRAM 做 成 ,前面的二进制序列作为地址 ,相位对应的幅度值作为 地址对应的值存储起来 ,这样在时钟频率的控制下通过 二进制序列可从 BlockRAM 中读取相应的幅值 ,经过 D/ A后就为所需要的模拟波形。图 3 为 FPGA 综合后的 RTL 级电路图[6 ] 。 图 3 　合成方式 DDS 的 RTL 级电路图 2. 2 　DDWS 的数字实现 DDWS的数字实现较为简单 ,把通过 Matlab 抽样量 化后的数据直接保存为. BAT 数据格式 ,然后在FPGA中 用 IP 核[7 ]的 BlockRAM 生成一个 ROM ,把数据存储进 去 ,这样就可以根据时钟要求输出需要的数据了。 图 4 为 FP GA 仿真后的 R TL 级电路图。 图 4 　直读方式 RTL 级电路图 3 　DDS的性能指标 3. 1 　频率分辨率 对于频率合成方式的 DDS ,只要是累加器的位数 足够多 ,理论上可以达到任意无限高的频率分辨率。由 式 (1) ,若 N = 39 , f clk = 1 ,分辨率可达到 01000 18 Hz。 但是对于直读方式 ,分辨率是受到硬件 D/ A 速度限制 的 ,一般如果用四倍的频率速度采集和恢复 ,分辨率只 能达到 0125 Hz[8 ] 。 3. 2 　SFDR 最常用的 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 DDS 工作性能的参数是带外抑制 比[9 ] (SFDR) ,它是指有效信号的频谱幅度与噪声频谱 幅度的最大值之差。实际的频谱合成方式的 DDS 在累 加器的输出和查找表之间还有个相位折断的过程。若 累加器的输出 A 为 N 位 ,查找表的输入 B 为 M 位 , 一般情况下 N > M ,这是为了节约查找表的空间。正是 由于这种相位折断才降低了 SFDR ,使得 DDS 的性能 变坏。以上参数都是可以根据实际的要求估算出来的 , 例如要产生一个 4 M Hz、分辨率为 014 Hz、带外抑制比 为 60 dB 的正弦信号 ,时钟频率为 100 M Hz。那么根 据式 (2) ,可以得到 N = 11 ;根据实际经验 ,查找表的每 位可以产生 6 dB 的抑制比 ,所 M = 60/ 6 = 10 b。由于 直接读取法 DDS 不存在相位折断的问题 ,所以往往能 得到比较好的 SFDR。 3. 3 　信噪比 由于 SFDR 只与最大噪声的频谱幅度有关 ,所以 相同的 SFDR 可能有不同的频谱纯度 ,为此引入了另 外一个 DDS 的性能指标 ———信噪比[10 ] ( SN R) 。信噪 比是指信号功率和噪声功率之比 ,由于涉及到所有的噪 声 ,所以跟频谱纯度息息相关 ,对于频率分辨率高的 DDS ,噪声的能量较低 ,信噪比较大 ,频谱纯度好。 4 　Matlab 仿真结果 根据两种 DDS 的 FP GA 的仿真数据 ,可以通过 Matlab 仿真输出波形 ,如图 5 ,图 6 所示。 图 5 　直读方式频谱 图 6 　频率合成方式频谱 可以根据图很明显地看出以上三个性能参数的比 502 《现代电子技术》2010 年第 13 期总第 324 期 　þ 电子技术应用 ü © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 较情况 ,直读 DDS 的 SFDR 要大得多 ,而且频谱纯度也 好 ,合成方式的频率分辨率高。 5 　结 　语 从以上比较可以发现直读方式是实际应用中非常 好的选择 ,但是对于这种方式 ,只能输出有限的预先设 定好的频率和调频率 ,不具有通用性适合用在特定的场 合。而频率合成的 DDS 能合成任意频率和调频率 ,也 能通过一定的措施达到所需指标 ,所以这种原理是一种 通用的原理 ,被科研工作者和 DDS 制造商广泛采用。 在雷达系统 (比如高度计、散射计 ) 中 ,往往只需要 某一种或者几种特定的调频率、带宽、频率的 DDS ,所 以可以较多地采用直读方式。 参 　考 　文 　献 [1 ] 白居宪. 直接数字频率合成 [ M ] . 西安 :西安交通大学出版 社 ,2007. [2 ] 焦安群 ,郜丽鹏. 线性调频信号源的研制 [J ] . 应用科技 , 2009 ,36 (5) :27230. [3 ] 王美妮. 基于 FP GA 的 DDS 的研究设计与实现 [ D ] . 大连 : 大连海事大学 ,2006. [4 ] 田耘 ,徐文波. XIL INX FP GA 开发实战 [ M ] . 北京 :清华大 学出版社 ,2008. [ 5 ] ART H ER TOROSYAN. Direct digital f requency synthesiz2 ers : complete analysis and design guidelines [ M ]. Califor2 nia : University of California , 2004. [6 ] 田耘 ,徐文波. FP GA 开发指南 [ M ]. 北京 :人民邮电出版 社 ,2008. [7 ] 华清远见培训中心. FP GA 应用开发入门与典型实例 [ M ] . 北京 :人民邮电出版社 ,2008. [ 8 ] J O HN G PROA KIS. 数字信号处理 :原理、算法与应用[ M ] . 张晓林 ,译. 北京 :电子工业出版社 ,2004. 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