基于DSP Builder的DDS设计及其FPGA实现

只看该作者 · 2018-1-12 11:06

基于DSP Builder的DDS设计及其FPGA实现

直接数字合成器，是采用数字技术的一种新型频率合成技术，他通过控制频率、相位增量的步长，产生各种不同频率的信号。他具有一系列的优点；较高的频率分辨率；可以实现快速的频率切换；在频率改变时能够保持相位的连续；很容易实现频率、相位和幅度的数控调制等。目前可采用专用芯片或可编程逻辑芯片实现DDS[1]，专用的DDS芯片产生的信号波形、功能和控制方式固定，常不能满足具体需要[2]。可编程逻辑器件具有器件规模大、工作速度快及可编程的硬件特点，并且开发周期短，易于升级，因为非常适合用于实现DDS。

　　1 DDS的工作原理

　　DDS的结构原理图如图1所示，DDS以数控振荡器的方式，产生频率、相位和幅度可控的正弦波[3]。电路包括了相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表、基准时钟源、D/A转换器等组成。其中前三者是DDS结构中的数字部分，具有数控频率合成的功能。

　　DDS系统的核心是相位累加器，完成相位累加过程。在基准时钟的控制下，频率控制字由累加器累加，以得到相应的相位数据，相位调制器接收相位累加器的相位输出，主要用于信号的相位调制，其输出的数据作为取样地址来寻址正弦ROM查

找表，完成相位-幅度变换，输出不同的幅度编码；再经过D/A转换器得到相应的阶梯波；最后经低通滤波器对阶梯进行平滑处理，即可得到由频率控制字决定的连续变换输出的正弦波。

　　2 基于DSP Builder和DDS设计

　　2.1 DSP Builder简介

　　DSP Builder是美国Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具，他作为Matlab的一个Simulink工具箱，使得用FPGA设计DSP系统完全通过Simulink的图形化界面进行建模、系统级仿真，设计模型可直接向VHDL硬件描述语言转换，并自动调用QuartusⅡ等EDA设计软件，完成综合、网表生成以及器件适配乃至FPGA的配置下载，使得系统描述与硬件实现有机的融合为一体，充分体现了现代电子技术自动化开发的特点与优势。

　　2.2 DSP Builder设计原理及参数设置

　　基于DSP Builder的DDS系统如图2和图3所示，DDS子系统Subsystem有3个输入，分别为Freqword（32位频率控制字）、Phaseword（32位相位控制字）、Amp（10位幅度控制字）；一个输出，即10位DDSOut输出。2个Parallel Adder Subtractor分别为相位累加器和相位调制器，LUT为正弦ROM查找表。设置Simulink的仿真停止时间stop time为5，仿真步进Fixed Step Size为le-3。图（4）对应频率、相位和幅度控制字分别为4000000，0和10（参数1）时DDS系统的输出波形，图5对应频率、相位和幅度控制字分别为9000000，500000000和15（参数2）时DDS系统的输出波形。

　　3 基于FPGA的DDS设计

　　3.1 DDS的FPGA实现

　　Matlab/Simulink对已经设计好的DDS系统进行编译，通过调用DSP Builder的SignalCompiler工具可直接生成QuartusⅡ 工程文件，再调用QuartusⅡ完成综合，网表生成和适配，直至完成FPGA的配置下载过程。

　　本设计方案采用的FPGA芯片是Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C6Q240C8，，其容量6000个逻辑宏单元，等效于标准15万逻辑门电路，速度为-8，完成可通过单片芯片电路实现DDS，相位累加和相位调制器均为32位，正弦ROM查找表存储1024×10b波形数据，系统时钟为55.6MHz，利用FPGA可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频，调相和调幅功能，具有浪费的实时性。