基于FPGA的DDS設(shè)計

摘要：利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計并實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。結(jié)合DDS的結(jié)構(gòu)和原理，給出系統(tǒng)設(shè)計方法，并推導(dǎo)得到參考頻率與輸出頻率間的關(guān)系。DDS具有高穩(wěn)定度，高分辨率和高轉(zhuǎn)換速度，同時利用Ahera公司FPGA內(nèi)的Nios軟核設(shè)置和顯示輸出頻率，方便且集成度高。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；直接數(shù)字頻率合成器；Nios；VHDL

直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Synthesis)是一種把一系列數(shù)字信號通過D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號的合成技術(shù)。該技術(shù)的主要特點：具有超高的捷變速度(0．1μs)、超細的分辨率(可達1μHz)和相位的連續(xù)性；輸出頻率的穩(wěn)定度及相位噪聲等指標與系統(tǒng)時鐘相當；全數(shù)字化便于單片集成等?；谝陨蟽?yōu)點，DDS得到廣泛應(yīng)用，但由于其輸出帶寬小和雜散指標不高，限制了其應(yīng)用范圍。
現(xiàn)有的DDS產(chǎn)品應(yīng)用于接收機本振、信號發(fā)生器、通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等，特別是跳頻通信系統(tǒng)。這里介紹基于FP-GA的DDS信號源，可在1片FPGA器件上實現(xiàn)信號源的信號產(chǎn)生和控制。將DDS信號源設(shè)計嵌入到FPGA器件所構(gòu)成的系統(tǒng)中，其系統(tǒng)成本不高，但可實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

1 DDS原理
DDS基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其中數(shù)控振蕩器(NCO)為FPGA實現(xiàn)部分。其工作原理是：在參考時鐘的作用下，相位累加器按照預(yù)先設(shè)置好的頻率控制字進行線性累加，其輸出作為波形查找表的地址，通過尋址輸出相應(yīng)的波形幅度碼，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器將這些數(shù)字碼變換為模擬電壓／電流輸出，最后經(jīng)低通濾波器平滑輸出波形。假設(shè)要輸出的頻率是同定的，那么相位增量就是一個常數(shù)，在每個時鐘周期，相位累加器的數(shù)值就按照這個相位增量累加一次，相位增量的大小由頻率控制字決定。如果相位增量增大，則相位累加器的增加就比較快，輸出的頻率就比較高。

假定一個頻率為fc的載波，其時域表達式為：

則由式(1)、式(2)看出：C(t)是關(guān)于相位的一個周期函數(shù)，如果記下一個周期內(nèi)每個相位對應(yīng)的幅度值，那么對于任意頻率的載波，在任意時刻，只要已知載波的相位φ(t)，就可通過查表得到C(t)。