基于FPGA的DDS移相變頻正弦信號發(fā)生器設計

楊春紅，李 石

（1.華北光電研究所，北京 100015；2.中國電子科技集團公司信息科學研究院（創(chuàng)新院），北京 100015）

基于FPGA的DDS移相變頻正弦信號發(fā)生器設計

楊春紅1，李 石2

（1.華北光電研究所，北京 100015；2.中國電子科技集團公司信息科學研究院（創(chuàng)新院），北京 100015）

直接數字頻率合成技術（DDS）由于具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低和頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，廣泛應用于通信、航空航天、儀器儀表等領域。本文以FPGA為核心，以硬件設計語言VHDL為系統(tǒng)邏輯描述手段，設計了基于DDS原理的可移相、變頻的正弦信號發(fā)生器。仿真及實驗結果表明：該系統(tǒng)具有輸出頻率穩(wěn)定、頻率精度高，頻率和相位可調等特點。

正弦信號發(fā)生器；直接數字頻率合成；現(xiàn)場可編程門陣列；超高速集成電路硬件描述語言

1 引言

信號發(fā)生器是一類非常重要的電子儀器，在科學實驗、產品研制以及系統(tǒng)測試中都是必不可少的。在現(xiàn)代電子測量技術的研究及應用領域中，常常需要高精度且頻率可調的信號源。而隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA的發(fā)展以及可編程片上系統(tǒng)（SOPC）設計技術的日漸成熟，為這類信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)提供了理論依據與技術支持。

直接數字式頻率合成技術（DDS）是新一代的頻率合成技術，由于具有頻率切換時相位連續(xù)、噪聲低以及全數字化易于集成等優(yōu)點而被廣泛采用。隨著近幾年對DDS的深入研究以及該技術的發(fā)展，目前DDS技術已廣泛應用于通信、導航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領域。

2 DDS工作原理

典型的DDS系統(tǒng)結構如圖1所示，這種結構可以分為四個部分：相位累加器、波形ROM查找表、數模轉換器（DAC）以及低通濾波器（LPF）。頻率控制字K和相位控制字分別控制DDS輸出波形的頻率和相位。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個累加器和一個N位相位寄存器組成，每來一個時鐘脈沖，相位寄存器以步長K增加。

圖1 DDS系統(tǒng)結構

其工作過程為：在時鐘f的作用下，相位累加器對頻率控制字K進行線性累加，當相位累加器累積滿量時，就會產生一次溢出，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。其與相位控制字之和送至波形ROM查找表進行轉換。當取不同的頻率控制字K時，將導致相位累加器的不同相位增量，這樣波形ROM查找表輸出的波形頻率就不同。從波形ROM查找表輸出的幅度碼，經過DAC變換后得到模擬的階梯波電壓，階梯波電壓經LPF平滑后，可得到所需的波形信號。

3 正弦波設計及其仿真

DDS系統(tǒng)可以很方便地獲得頻率分辨率很精細且相位連續(xù)的信號，也可以通過改變相位字改變信號的相位，因此也廣泛用于數字調頻和調相。在系統(tǒng)頻率控制字K不變的情況下，通過改變系統(tǒng)的移相位進而改變尋址地址，從而改變了波形的相位。波形的變頻是通過改變系統(tǒng)的頻率控制字的輸入，在系統(tǒng)抽樣時間間隔不變的情況下，將會直接導致系統(tǒng)的頻率變化。正弦波信號在QUARTUS Ⅱ仿真如圖2，移相π/2仿真如圖3，2倍變頻仿真如圖4。

圖2 正弦波仿真結果

圖3 移相π/2正弦波仿真結果

圖4 2倍變頻的正弦波仿真

4 硬件實現(xiàn)與測試

硬件系統(tǒng)采用核心板與外設板組合的形式，其核心板采用的FPGA主芯片是某公司的Cyclone Ⅱ系列EP2C5Q208C8，兩個外設版分別具有按鍵輸入和DA輸出的功能，如圖5。通過示波器檢測到系統(tǒng)產生的正弦波信號如圖6，其移相變頻后如圖7。

圖5 FPGA硬件系統(tǒng)

圖6 示波器檢測到的正弦波

圖7 移相變頻后的正弦波

5 結束語

本文分析了DDS的結構組成及工作原理，選擇了以FPGA為核心的設計方案，該方案不用外接專用DDS芯片，具有高性價比、電路結構簡單等特點。選擇某公司的EP2C5Q208C8為核心芯片，以VHDL為描述手段，設計出了一種結構簡單、性能優(yōu)良的移相變頻正弦信號發(fā)生器。實驗結果表明，該信號發(fā)生器具有輸出頻率準確、頻率穩(wěn)定度和分辨率高、轉換速度快等特點。

[1] M. Kumm, H. Klingbeil and P. Zipf: Circuit and System I Vol. 57 (2010), p.2487-2497.

[2] F.F. Sha and X.K. Zhang: Journal of Test and Measurement TechnologyVol. 27 (2013), p. 340-348 (in Chinese).

[3] D.X. Yang and Y.F. Ju: Electronic Design Engineering Vol. 21 (2013), p.90-93 (in Chinese).

[4] X. Liang and W.M. Wang: Review of Scientifc Instruments Vol. 80 (2009),p. 124703.

[5] Y.H. Deng, L.M. Wu, L.K. Zhang and Y.H. LI: Chinese Journal ofScientifc Instrument Vol. 30 (2009), p. 2255-2261 (in Chinese).

[6] K.J. Jia, Y.G. Zhao, Y. Lv and H.Q. Wang: Pac.-Asia Conf. Circuits,Commun. Syst., PACCS Vol. 2 (2010), p. 121-123.

[7] Q.L. Tan, X.D. Pei, J.J. Xiong and W.Y. Liu: J. Theor. Appl. Inf. Technol.Vol. 45 (2012), p. 634-639.

鼎橋推出應急部署解決方案

近日，鼎橋通信技術有限公司（鼎橋）在2014年中國國際信息通信展覽會上首次推出應急部署解決方案。此方案是鼎橋經過在TD-LTE領域多年的技術積累，以及對行業(yè)需求的深入挖掘后，推出的定制化成熟解決方案。該解決方案主要應用于各類應急場景，如重大活動保障、公安應急、突發(fā)事件救援、城市安保等?？蓪崿F(xiàn)迅速為應急沿路及任務現(xiàn)場提供基于4G的專業(yè)集群服務，真正做到“快速部署，全面掌控”。

鼎橋應急部署解決方案由快速部署系統(tǒng)和車載通信系統(tǒng)兩部分組成，可根據客戶的實際需求及應急現(xiàn)場情況靈活選擇、搭配。

（1）快速部署系統(tǒng)。應急場景下，現(xiàn)場沿路及事發(fā)現(xiàn)場的道路及網絡環(huán)境會遭到嚴重破壞。鼎橋靈活便捷的快速部署系統(tǒng)，可在任何惡劣環(huán)境下順利運抵現(xiàn)場。無需任何配置，直接加電即可完成系統(tǒng)開通并提供專業(yè)集群服務。此系統(tǒng)集成基站、核心網、調度系統(tǒng)等功能為一體。可根據應急現(xiàn)場實際情況，選擇將快速部署系統(tǒng)安裝在何種運輸工具上；同時，在車輛無法到達的情況下，可通過人力背負或腳輪拖動等方式將系統(tǒng)運達現(xiàn)場并快速完成網絡的搭建及開通。

（2）車載通信系統(tǒng)。應急場景下，經常需要在任務現(xiàn)場快速搭建臨時指揮中心，以確保前后方的有效聯(lián)動。鼎橋車載通信系統(tǒng)可作為任務現(xiàn)場的一線指揮平臺，為現(xiàn)場工作人員的協(xié)同工作提供指揮，并與后方指揮中心進行實時信息交互，進一步提升關鍵任務或突發(fā)事件的處理能力。此系統(tǒng)集成了基站、核心網、調度系統(tǒng)、網管系統(tǒng)等功能，通過微波、衛(wèi)星、光纖、公網等多種傳輸方式實現(xiàn)與后方指揮中心的互聯(lián)互通。鼎橋車載通信系統(tǒng)采用先進的抗震措施、防雷設計，適合各類正常或極端環(huán)境。可根據客戶實際情況進行不同車型改裝及頻段定制。

Design of DDS Phase Shift and Frequency VariableSine Signal Generator Based on FPGA

Yang Chunhong1, Li Shi2
(1. North China Research Institute of Electro-optics, Beijing,100015;2. CETC Information Science Academy, Beijing,100015)

The direct digital frequency synthesis (DDS) technology has high frequency resolution, fastfrequency switching, low phase noise and higher frequency stability, so it is widely used in communications,aerospace, instrumentation and other fields. In this paper, phase shift frequency variable sine signal generatorwith DDS as its core was designed based on Field Programmable Gate Array (FPGA) and hardware descriptionlanguage (VHDL). The experimental and simulation results show that the system has stable output frequency, highfrequency accuracy, adjustable frequency and phase.

Sine Signal Generator; Direct Digital Frequency Synthesis (DDS); Field Programmable GateArray; Very High Speed Hardware Description Language

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.006

TN77

A

1672-7274（2014）10-0019-03

楊春紅，女，1978年生，北京人，碩士，研究方向為測試技術。

李 石，男，1981年生，江蘇徐州人，碩士，工程師，研究方向為測試技術。