基于FPGA和DDS的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了提高數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，并使其相關(guān)技術(shù)參數(shù)靈活可調(diào)，提出了基于FPGA和DDS技術(shù)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方法。利用Matlab／Simulink、DSP Builder、QuartusⅡ3個(gè)工具軟件，進(jìn)行基本DDS建模，然后在DDS模塊的基礎(chǔ)上，通過(guò)單片機(jī)等電路組成的控制單元的邏輯控制作用，根據(jù)通信系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制方式的基本原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，從而實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)、二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)和二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK)3種基本的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。所得仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)方法的正確性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：數(shù)字調(diào)制信號(hào)；直接數(shù)字頻率合成器；FPGA；DSP Builder

信號(hào)發(fā)生器種類很多，按是否利用頻率合成技術(shù)來(lái)分，可分為非頻率合成式信號(hào)發(fā)生器與頻率合成式信號(hào)發(fā)生器。其中頻率合成式信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都很高，且頻率連續(xù)可調(diào)，是信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展方向。頻率合成技術(shù)發(fā)展很快，先后經(jīng)歷了：直接模擬頻率合成技術(shù)、鎖相頻率合成技術(shù)(PLL)、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)(DDS)和混合式頻率合成技術(shù)。模擬頻率合成的信號(hào)發(fā)生器電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化；PLL易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，價(jià)格低，而且具有極寬的頻率范圍和十分良好的寄生信號(hào)抑制特性，但頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，相位噪聲較大；DDS是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號(hào)，極易實(shí)現(xiàn)頻率和相位控制，且切換時(shí)間快，尤其適于合成任意波形，集成度高，體積小，其因頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低和頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。直接模擬式、鎖相環(huán)式和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用任何一種方法，有時(shí)也很難滿足要求。此時(shí)可將這幾種方法綜合應(yīng)用，即為混合式頻率合成技術(shù)。而隨著微電子技術(shù)和EDA技術(shù)的深入研究及發(fā)展，DDS技術(shù)更是得到了飛速的發(fā)展，同時(shí)，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)的設(shè)計(jì)具有靈活、速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文將基于DDS技術(shù)，應(yīng)用Altera公司推出的DSP Builder和QuartusⅡ軟件進(jìn)行基本DDS建模，然后在DDS模塊的基礎(chǔ)上，通過(guò)單片機(jī)等電路組成的控制單元的邏輯控制作用，完成一個(gè)基于FPGA硬件平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。使其具有頻率分辨率高、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)、相關(guān)技術(shù)參數(shù)靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

1 DDS及數(shù)字調(diào)制方式的基本原理
1．1 DDS的基本原理
直接數(shù)字頻率合成器(Direet Digital Frequencv Synthesizer-DDS)是一種基于全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。DDS頻率合成器具有以下優(yōu)良的性能：工作頻率范圍很寬；極高的頻率分辨力；極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間；任意波形輸出能力；數(shù)字調(diào)制性能好等。
以合成正弦信號(hào)為例說(shuō)明DDS的基本原理。對(duì)于一個(gè)正弦信號(hào)可表示如下：
Sout=Asin(ωt)=Asin(2πfoutt) (1)
其中：Sout為正弦信號(hào)，fout為正弦信號(hào)的頻率。上式正弦信號(hào)表示對(duì)于時(shí)間t是連續(xù)的，為了用數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)該表達(dá)式，需要進(jìn)行離散化處理。用基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行fclk采樣，令正弦信號(hào)的相位為：θ=2πfoutt，在一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期Tclk內(nèi)，相位的變化量為：

由上所述，只要將相位的量化值進(jìn)行累加運(yùn)算，就可以得到正弦信號(hào)的當(dāng)前相位值θk。其中用于累加的相位增量量化值B△θ決定了信號(hào)的輸出頻率fout，而且為簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。這就是直接數(shù)字合成器DDS的設(shè)計(jì)原理。

圖1所示為一個(gè)基本的DDS結(jié)構(gòu)，主要由相位累加器(PD)、相位調(diào)制器、正弦查找表(波形存儲(chǔ)器ROM)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)等構(gòu)成。相位累加器是DDS的核心部件，其輸入是相位增量B△θ，由于與輸出頻率fout成線性關(guān)系，故相位累加器的輸入又可以稱為頻率字輸入，事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率fclk為2N時(shí)，B△θ就等于fout。相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下進(jìn)行相位累加，當(dāng)累加滿時(shí)產(chǎn)生一次溢出，就完成一個(gè)周期的信號(hào)合成。
相位調(diào)制器接收相位累加器的相位輸出，在這里加上一個(gè)相位偏移值，主要用于信號(hào)的相位調(diào)制，如PSK(相移鍵控)，不使用時(shí)可以去掉該部分，或者加一個(gè)固定的相位字輸入。
正弦查找表進(jìn)行波形的相位到幅度的轉(zhuǎn)換，它的輸入是相位調(diào)制器的輸出，也就是波形存儲(chǔ)器的地址值，其輸出送往數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻成分，將其變成光滑的正弦波輸出。
由于相位調(diào)制器的輸出數(shù)據(jù)位寬M也是波形存儲(chǔ)器的地址位寬，由于受數(shù)模轉(zhuǎn)換器位數(shù)的限制，因此在實(shí)際的DDS結(jié)構(gòu)中Ⅳ雖然很大，而M總為10位左右。
1．2 數(shù)字調(diào)制方式的基本原理
用數(shù)字基帶信號(hào)將載波信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)(已調(diào)信號(hào))，以使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，其過(guò)程叫做數(shù)字調(diào)制(digital modulat ion)。一般數(shù)字調(diào)制跟模擬調(diào)制的基本原理相同，但是數(shù)字信號(hào)具有離散取值的特點(diǎn)。因此數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法：一是利用模擬調(diào)制方式去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制；二是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對(duì)載波的幅度、頻率和相位進(jìn)行鍵控，即可得到幅移鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)3種基本的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。而數(shù)字信息有二進(jìn)制和多進(jìn)制之分，因此數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。在二進(jìn)制調(diào)制中，信號(hào)參量只有兩種可能的取值。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化狀態(tài)，相應(yīng)的調(diào)制方式有二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK)、二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)和二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)。
根據(jù)以上數(shù)字調(diào)制方式的基本原理，基于FPGA和DDS技術(shù)，利用DSP Builder工具軟件，即可設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。

2 數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．1．1 控制單元
控制單元部分主要完成數(shù)據(jù)的輸入及控制等功能。為了使所設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器具有抗干擾能力強(qiáng)、相關(guān)技術(shù)參數(shù)靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，此單元以單片機(jī)為中心，配以其他輔助電路，其控制作用通過(guò)匯編語(yǔ)言編程后下載到單片機(jī)來(lái)完成，即分別實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS的3個(gè)輸入頻率字、相位字及幅度字進(jìn)行鍵控選擇，從而實(shí)現(xiàn)頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)和幅移鍵控(ASK)3種基本的數(shù)字調(diào)制，反映載波信號(hào)的頻率、相位及幅度變化特征，最終得到FSK、PSK、ASK的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。
2．1．2 DDS模塊
DDS模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，圖2中DDS模塊里的DDS基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，采用FPGA實(shí)現(xiàn)。
2．2 基于DDS的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)
首先，利用Matlab和DSP Builder設(shè)計(jì)出基本DDS模型，再基于DDS子系統(tǒng)，利用其產(chǎn)生的正弦信號(hào)作為載波信號(hào)，以二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而在控制單元的作用下實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)、二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)和二進(jìn)制幅移鍵控(2ASK)3種基本的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，最后完成基于FPGA的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。
圖3為數(shù)字調(diào)制信號(hào)系統(tǒng)模型。其中控制單元實(shí)現(xiàn)頻率字、相位字及幅度字等數(shù)據(jù)。

輸入及數(shù)字調(diào)制方式的選擇等功能。
此模型的核心是DDS子系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。DDS子系統(tǒng)共有3個(gè)輸入，分別是32位頻率字輸入、10位相位字輸入、10位幅度字輸入；一個(gè)10位DDSout輸出。通過(guò)改變相位字輸入、頻率字輸入及幅度字輸入，即可獲得所需輸出波形。

通過(guò)控制單元可依次實(shí)現(xiàn)2ASK、2PSK、2FSK調(diào)制。若圖3中譯碼器輸入為00，可實(shí)現(xiàn)2PSK的數(shù)字調(diào)制，圖5為2PSK模型設(shè)計(jì)圖。

由圖可知，利用二選一多路數(shù)字選擇器(n-to-1Multiplexer)模塊對(duì)基本DDS模型的相位字進(jìn)行鍵控，即在控制單元的作用下對(duì)所輸入的兩個(gè)相位字進(jìn)行選擇就可以實(shí)現(xiàn)2PSK調(diào)制。如圖6所示2PSK調(diào)制的仿真波形。

同理，若圖3中譯碼器輸入為01，可實(shí)現(xiàn)2FSK的數(shù)字調(diào)制，圖7為2FSK模型設(shè)計(jì)圖。利用二選一多路選擇器模塊對(duì)基本DDS模型的頻率字進(jìn)行鍵控，即對(duì)兩個(gè)頻率字(相位增量)進(jìn)行選擇就可以實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制。如圖8所示為2FSK調(diào)制的仿真波形。

進(jìn)而，將圖3中譯碼器輸入設(shè)為10，可實(shí)現(xiàn)2ASK的數(shù)字調(diào)制，圖9為2ASK模型設(shè)計(jì)圖，即利用二選一多路選擇器對(duì)基本DDS模型的幅度字進(jìn)行鍵控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)幅度字的選擇，并采用乘法器(Product)來(lái)完成2ASK調(diào)制，如圖10所示為2ASK調(diào)制的仿真波形。

3 數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器硬件實(shí)現(xiàn)
建模算法仿真完成后，選擇讓DSP Builder自動(dòng)調(diào)用QuartusII軟件，完成綜合(Synthesis)、網(wǎng)表生成(ATOM Netlist)、QuartusII適配，最后通過(guò)QuartusII在FPGA上完成硬件實(shí)現(xiàn)后，經(jīng)DAC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)低通濾波器后，可以在示波器上看到一致的波形輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)
文中基于FPGA和DDS技術(shù)，利用Matlab／Simulink、DSPBuilder、QuartusⅡ3個(gè)工具軟件進(jìn)行基本DDS建模，在DDS模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)字調(diào)制方式的基本原理，通過(guò)單片機(jī)等電路組成的控制單元的邏輯控制作用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，其具有頻率分辨率高、穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)、相關(guān)參數(shù)靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)方法方便實(shí)用。