新聞中心

EEPW首頁 > EDA/PCB > 設(shè)計應(yīng)用 > 基于FPGA的NCO設(shè)計方案

基于FPGA的NCO設(shè)計方案

作者: 時間:2012-01-30 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

 隨著數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展,軟件無線電的應(yīng)用愈加的廣泛, 而影響軟件無線電性能的關(guān)鍵器件數(shù)控振蕩器(Numerical CONtrolled Oscillator) 的設(shè)計至關(guān)重要直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需要的波形的新的全數(shù)字頻率合成技術(shù)。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比,DDS 技術(shù)具有頻率精度高、轉(zhuǎn)換時間短、頻譜純度高以及頻率相位易編程、輸出的頻率穩(wěn)定度與系統(tǒng)的時鐘穩(wěn)定度相同等一系列優(yōu)點, 廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各種通信系統(tǒng)中,包括數(shù)字上下變頻、中頻變換、頻率合成以及擴頻系統(tǒng)和各種頻率相位數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/190805.htm

  在軟件無線電及通信領(lǐng)域, 經(jīng)常使用正交的數(shù)字信號;針對此類應(yīng)用, 本文給出了一種基于 的正交 設(shè)計方法,可以實現(xiàn)正交的、連續(xù)相位、高性能、高精度、可重利用的數(shù)控振蕩器,適合于多種應(yīng)用場景的片上系統(tǒng)的設(shè)計。

  1 實現(xiàn)原理

  直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是一種全數(shù)字技術(shù),同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比,DDS 技術(shù)具有多項優(yōu)點: 頻率切換時間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)、容易實現(xiàn)對輸出信號的多種調(diào)制等。

  DDS 的原理框圖如圖1 所示, 其實質(zhì)是以基準(zhǔn)頻率源(系統(tǒng)時鐘)對相位進行等間隔的采樣。由圖1 可見,DDS 由相位累加器和波形存儲器(ROM 查詢表)構(gòu)成的數(shù)控振蕩器(NCO)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及低通濾波器(LPF)3 部分組成。而DDS 的核心是NCO 的設(shè)計與實現(xiàn),NCO 一般是由相位累加器和正余弦查找表兩部分組成,其中相位累加器的設(shè)計較簡單,故設(shè)計NCO 的關(guān)鍵是設(shè)計正、余弦函數(shù)發(fā)生器。

  實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器的方法為查表法(LUT),對于一個相位位數(shù)為L,輸出信號幅度位數(shù)為M 的NCO,所需查找表的大小為M×2L。

  

DDS 基本原理框圖

  圖1 DDS 基本原理框圖

  在每一個時鐘周期,L 位相位累加器與其反饋值進行累加,其結(jié)果的高N 位作為ROM 查詢表的地址,然后從ROM中讀出相應(yīng)的幅度值送到DAC。低通濾波器LPF 用于濾除DAC 輸出中的高次諧波。因此通過改變頻率控制字K 就可以改變輸出頻率fout。容易得到輸出頻率fout與頻率控制字K 的關(guān)系為:fout=Kfc /2L,其中fc為相位累加器的時鐘頻率,L 為相位累加器的位數(shù)。定義當(dāng)K=1 為系統(tǒng)頻率分辨率,即f=fc /2L。

  2 NCO 幾種常見設(shè)計方法

  常見的NCO 實現(xiàn)的方法目前主要有計算法、CORDIC(Coordinated RotATIon Digital Computer)算法和查表法等。

  計算法是一種以軟件編程的方式通過實時計算產(chǎn)生正弦波樣本, 該方法耗時多且只能產(chǎn)生頻率相對較低的正弦波,而需要產(chǎn)生高速的正交信號時,用此方法不能很好的滿足要求。

  CORDIC 算法即坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法, 其基本思想是用一系列固定角度的不斷偏擺逼近所需旋轉(zhuǎn)的角度,實現(xiàn)包括乘除、平方根、三角函數(shù)、向量旋轉(zhuǎn)(即復(fù)數(shù)乘法) 以及指數(shù)運算,該算法往往需要通過乘法器和查找表才能實現(xiàn)多種超越函數(shù)的計算,這會導(dǎo)致硬件電路實現(xiàn)復(fù)雜、運算速度降低,此外它能夠計算的角度范圍也有限,故CORDIC 算法在實際使用時有較大的限制條件。

  在實際應(yīng)用中一般采用最有效、最簡單的查表法,即事先根據(jù)各個NCO 正弦波相位計算好相位的正弦值, 并以相位角度作為地址把該相位的正弦值數(shù)據(jù)存儲在表中,然后通過相位累加產(chǎn)生地址信息讀取當(dāng)前時刻的相位值在表中對應(yīng)的正弦值,從而產(chǎn)生所需頻率的正弦波;同時由于正余弦波形的對稱性,只需要存儲部分?jǐn)?shù)據(jù)即可完成全相位的數(shù)值輸出。這種實現(xiàn)方法,設(shè)計簡單、運算速度較高,可以很好的滿足在數(shù)字變頻、擴頻、調(diào)制解調(diào)等多種場合的要求。

  3 正交NCO 的查找表實現(xiàn)方法

  基于 的正交NCO 設(shè)計原理框圖如圖2 所示,主要由3 部分組成: 可變模計數(shù)器、正余弦查找表和輸出單元3個模塊組成。

  

  圖2 NCO 的設(shè)計原理框圖

  下面以輸入的頻率控制字為1 200 Hz 為例進行設(shè)計。

  Fre_sample, 表示系統(tǒng)采用時鐘;Fre_cnt_word 表示頻率控制字。

  1)可變模計數(shù)器的設(shè)計

  可變模計數(shù)器是根據(jù)頻率控制字,計算出正余弦表的查表所需的地址;同時要保證產(chǎn)生的正余弦波的相位保持連續(xù)(有些應(yīng)用場合常常要求輸出的相位連續(xù)),即置于相應(yīng)的余數(shù)值。在第1 個工作時鐘周期讀入頻率控制字,第2 個工作時鐘周期內(nèi)計算出mod(Fre_sample,Fre_cnt_word)作為相位控制字,第3 個工作時鐘周期內(nèi)部計數(shù)器復(fù)位置入相位控制字,第4 個時鐘周期開始以頻率控制字為步長,相位控制字為初始值進行計數(shù)輸出。

  2)正余弦查找表的設(shè)計

  正余弦查找表是根據(jù)可變模計數(shù)器的輸出查表得到相應(yīng)載頻波形的輸出。

  基于 的NCO 設(shè)計的一個關(guān)鍵就是波形存儲器ROM 相位累加器的輸出地址作為ROM 的地址輸入,經(jīng)查表和運算后,ROM 輸出正余弦波形的量化數(shù)據(jù); 設(shè)計中主要是要節(jié)省存儲器資源的開銷,即減小ROM 存儲表的空間;由于存儲表的尺寸隨著地址位數(shù)或數(shù)據(jù)位數(shù)的增加呈現(xiàn)指數(shù)級遞增關(guān)系,所以在滿足頻率分辨率、信號性能的前提下,主要考慮較小ROM 存儲表的開銷;在實際的應(yīng)用中,可以充分利用正余弦信號在一個周期內(nèi)的對稱性來減少ROM 存儲表的開銷, 例如正弦信號, 在一個周期內(nèi)對于X 軸是對稱的,基于此可以將ROM 存儲表減少至原來的1 /2, 再利用半周期內(nèi)的左右對稱性,又可以將ROM 存儲表減少至原來的1 /2,因此通過一個正弦查找表的前1 /4 周期就可以變換得到整個正弦波周期查找表,這樣就節(jié)省了3 /4 的存儲器資源。

  正余弦表的具體設(shè)計思想如下: 取頻率分辨率為df=1 Hz ; 假設(shè)頻率控制字為1 200 Hz 的頻率左右, 現(xiàn)考慮對1 200 Hz 的正余弦波形每一個周期采8 個樣點,則可得采樣率為fs =1 200×8=9 600 Hz.設(shè)對于每一個樣點值取8 bit 量化,則每個表格共需存儲9.6 kB;(如果考慮到正、余弦信號的對稱性,設(shè)計時可優(yōu)化為上每個表格存儲1/4 個波形即可,即每個表格只需存儲2.4 kB;)使用時是用步長STep 來調(diào)節(jié)輸出頻率, 同時保證輸出的正余弦波的相位連續(xù)。如果每隔0樣點取1,即step=1,輸出頻率為1 Hz;每隔1 點取1,即step=2,輸出頻率為2 Hz;……;每隔1 199 點取1,step=1 200, 輸出頻率為1 200 Hz.

3)正余弦表的裝載

  采用Quartus 軟件中的。mif 文件格式可以方便的完成存儲表的裝載; 同時對于裝載文件的生成可以使用matlab 輸出。mif 的文件格式很方便的生成; 如下文中給出了位寬為8 bit ,深度為9 600,地址為無符號數(shù),數(shù)據(jù)為十進制數(shù)的9 600 個單元的mif 文件,在初始化RAM 時,按照Quartus 軟件的引導(dǎo)直接配置即可。

  WIDTH=8;

  DEPTH=9600;

  ADDRESS_RADIX=UNS;

  DATA_RADIX=DEC;

  CONTENT BEGIN

  0 : 0;

  1 : 2;

  2 : 10;

  3 : 30;

  4 : 50;

  5 : 50;

  6 : 10;

  7 : 100;

  ……

  9598 : 0;

  9599 : 0;

  END

fpga相關(guān)文章:fpga是什么


低通濾波器相關(guān)文章:低通濾波器原理



上一頁 1 2 下一頁

關(guān)鍵詞: FPGA NCO 設(shè)計方案

評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉