基于FPGA的调制信号发生器设计

王　娜

(中国电子科技集团公司第41研究所　青岛　266555)

摘　要:本文重点论述了一种应用DDS 技术来实现调制信号发生器的设计方案。该方案选用Altera 公司生产的ACEX 系列

FP GA ———EP1K50芯片实现,能够输出正弦、方波、锯齿波、三角波、白噪声、扫频正弦、双正弦;频率范围:正弦0.5Hz ～1M Hz ;方波、锯齿波、三角波0.5Hz ～100k Hz ;频率分辨率可达到0.0058Hz 。本文介绍了该方案各功能模块的设计实现,

设计了该方案的软件和硬件,最终的测量结果表明实现了该方案的主要功能。关键词:频率合成;调制信号发生器;现场可编程门阵列中图分类号:TP271　　文献标识码:A

Design of modulate signal generator based on FPG A

Wang Na

(t he 41st Institute of CETC ,Qingdao 266555)

Abstract :This paper describes t he implementation of modulate signal generator based on t he direct digital frequency syn 2t hesis technology.This plan select s ACEX ,which is from Altera Corporation produces series FP GA 2The EP1K50chip realization and can output sine ,square 2wave ,saw 2tooth wave ,triangular wave ,white noise signals ,sweep s t he frequen 2cy sine ,t he double sine ;Frequency range :Sine 0.5Hz ～1M Hz ;Square 2wave ,saw 2toot h wave ,triangular wave 0.5Hz ～100k Hz ;The differentiability rate of frequency may achieve 0.0058Hz.It introduces t his plan various f unc 2tions module design realization ,designs t he software and t he hardware ,t he final measurement result indicated realizes t his plan main f unction.

K eyw ords :direct digital frequency synt hesis (DDS );modulate signal generator ;field programmable gate array

作者简介:王娜(19802),女,助理工程师,主要从事与DDS 技术相关的设计工作。

0　引　言

随着现代电子技术的发展[1],在电子测量及研究领域,常常需要用到各种调制格式的信号来模拟产生各种激励信号,通常这些调制信号是信号发生器内部产生的,称为内调制信号发生器。由于内调制信号发生器需要具备正弦波、方波、锯齿波、三角波以及扫频正弦等各种信号波形,利用传统方法产生以上信号往往十分困难。因此本文提出并实现了一种利用直接数字频率合成技术并基于大规模FP GA 器件来实现调制信号发生器的方法,该方法不仅大大减小了内调制信号发生器的体积,而且产生的信号波形质量好,功能多,可以满足大多数场合下的应用需求。

1　直接数字频率合成技术

直接数字频率合成[2](direct digital frequency synt he 2

sis ,DDS )就是根据采样定理,利用全数字的方法产生与频

率相对应的波形线性相位序列,再完成相位到幅度的转换,最后经D/A 转换、低通滤波后得到所需的特定频率的波形。其基本原理如图1

所示。

图1　直接数字频率合成原理框图

直接数字频率合成是新一代的频率合成技术,该技术

的出现可以说是频率合成技术的一次。由于DDS 具

有频率转换速度快;频率分辨率高;以及在频率转换时可

保持相位的连续;全数字化、可编程、易于实现多种调制功能;体积小、价格低、功耗小、生产一致性好等优点,因此,DDS 技术近年来得到了飞速发展,它的应用也越来越广泛。

2　调制信号发生器的设计实现

本方案中的调制信号发生器中集成在FP GA 中的部分包括两个相位累加器(可实现扫频功能),一个加法器、一个比较器和一个噪声信号发生器,如图2所示。可生成正弦波、方波、三角波、锯齿波、噪声等信号。

后加模拟处理电路来实现对信号的控制和选择。所有合成的模拟输出信号的频率、幅度均可控。实现本设计的技术核心是DDS 技术。选用Altera 公司生产的嵌入式可编程逻辑器件(PLD )EP1K50(可提供的门数为50000门),在MAX +PL US Ⅱ开发系统上,以图形设计输入方式实现对此部分电路的高度集成与逻辑设计,利用软件中的Compiler 、Simulator/Waveformer 工具对设计的逻辑电路进行编译、仿真。

图2　调制信号发生器的FP GA 设计

2.1　函数功能实现

本设计中包括两个相位累加器。每来一个时钟脉冲,

加法器将频率控制数据与累加器1输出的累加相位数据

相加,把相加后的结果送至累加器2的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样,相位累加器在参考时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作,这个周期就是DDS 合成信号的一个频率周期,累加器的溢出频率就是DDS 输出的信号频率。

用相位累加器输出的数据作为取样地址,对波形存储器进行相位2幅值转换,即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。2.2　扫频正弦实现

DDS 输出信号的频率与时钟频率以及频率控制字之间的关系如式(1)所示。

f 0=

M ×f c

2

N

(1)

式中:f 0为DDS 输出信号频率,M 为频率控制字,f c 为时钟频率,N 为累加器字长。

若扫频时输出频率从f 1扫到f 2,频率步进为△f ,则f 2=f 1+n △f ,对应的向累加器预置的控制字分别为M 1、M 2、△M ,M 2=M 1+n △M 。

扫频时

,DDS 输出信号的频率从f 1,f 1+△f ,f 1+2△f ,f 1+3△f ,……,一直到f 1+n △f =f 2,即对应加法器的输出为M 1,M 1+△M ,M 1+2△M ,M 1+3△M ,……,一直递增到M 1+n △M =M 2;加法器输出的数值与M 2相比较,当大于等于M 2时,产生溢出信号O E 去控制DDS1,使其累加停止并清零,然后重新从△M 开始进行累加。2.3　通道设计

相位2幅值转换部分:用相位累加器输出的数据作为取样地址,对波形存储器进行相位2幅值转换,即可在给定的时间上确定输出信号的波形幅值,如图3所示。

图3　通道部分原理框图

　　数模转换部分:DAC 将数字量形式的波形幅值转换

成所要求合成频率的模拟量形式信号,通过开关选择,DDS 产生的正弦波信号经滤波后输出,其余波形直接输出。低通滤波器用于衰减和滤除杂散和噪声以便输出频谱纯净的正弦波信号。

增益控制部分:通过由DAC 和运放组成的增益控制

电路,可以精确地调节输出调制信号的幅度。通过加直流偏移,可将输出信号由单边平移为双边。

3　参数选择

需要注意的是[4],当相位累加器及D/A 转换器在时钟的驱动下,在执行相位累加和幅度样值存储的过程中,不断地对相位及幅度进行量化,而相位累加器及D/A 转换器一般都存在某种非理想特性及性能的局限,主要是非线性、非理想瞬态响应(尤其是在高速转换时)及相位累加器字长的有限性。由于以上这些非理想特性和性能的局限,DDS 会产生附加的相位量化误差和幅度量化误差,最终主要表现为幅度量化噪声的出现。理论与实践均表明:在正弦阶梯波的边带抑制比较完善的情况下,当D/A 转换器的位数一定时,相位累加器的字长N 每增加一位,

DDS 的振幅量化噪声改善6dB ;另外,同样在正弦阶梯波的边带抑制比较完善的情况下,当相位累加器的位数一定时,D/A 转换器的位数每增加一位,DDS 的信噪比也将有6～8dB 的改善。

由此可见,为了减小相位累加器及D/A 转换器的非

理想特性带来的附加噪声,有效的方法是增加相位累加器的字长N 及D/A 转换器的位数D 。当然由N 、D 的增加所能导致的DDS 信噪比的改善并不是无止境的,当N 、D 达到一定值时,继续增加N 、D 的值,DDS 的信噪比将不再改善。因此,即使在DDS 中采用了各种必要的抑制杂散、噪声的措施后,信噪比的改善仍有一定的限度。本方案中选用的是14位的D/A ,相位累加器选取32位,累加器输出字长截取高15位,既满足了指标要求,同时又兼顾了性价比。

4　实验结果

本设计中参考时钟为25M Hz ,截取累加器2输出数据的高15位作为RAM 读数据时的地址,低位省去。根

据公式,DDS 输出信号的频率f 0=M ×f c

2

N

,因此,可实现最小频率:f min =

1

232

×f c =

25M Hz

429467296

≈0.0058Hz 。

用MAX +PL US Ⅱ仿真,如图4所示。

图5　用Tektronix 示波器TD K1012测试的波形

测试结果:

输出波形:正弦、方波、

锯齿波、三角波、白噪声、扫频正弦、双正弦;

频率:正弦0.5Hz ～1M Hz ;方波、锯齿波、三角波0.5Hz ～100k Hz ;

分辨率:0.0058Hz ;幅度:范围0～1V p 。

　　实验结果表明,设计开发的调制信号发生器,达到了

预期的目的,具有较高的性价比。

5　结束语

用FP GA 实现的调制信号发生器电路较采用专用DDS 芯片更为灵活,只要改变RAM 中的数据和控制参数,DDS 就可以产生任意调制波形,而且产生的信号分辨率高,具有程控灵活、一致性好的优点。所以采用FP GA 来设计调制信号发生器具有很高的性价比。

参考文献

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[2]张宝玲.DDS 通信信号源的设计与实现[J ].指挥技术学

院学报.

[3]白居宪.直接数字频率合成[M ].西安:西安交大出版

社,2007.

(上接第15页)

图4　以太网数据通信总体流程图

3　结束语

本文详细介绍了基于ARM 的嵌入式以太网设计过

程,并提供了完整的以太网数据发送/接收方案。此方案

已经成功应用到了作者课题高速公路电子不停车收费

(ETC )的项目中,经实践证明此方案是一种简单灵活,实时性安全性好的以太网接入方案。通过作者测试,此方案同样适用于其他嵌入式系统接入以太网。嵌入式设备与网络相结合有着广阔的发展应用前景,相信在远程监控、数据采集等领域会发挥越来越重要的作用。

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[1]徐鸣生.基于R TL8019AS 网卡芯片的嵌入式Internet 研

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