基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)
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摘要：介紹了利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列FPGA實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成（DDS）的原理、電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方法。重點(diǎn)介紹了DDS技術(shù)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)方法，給出了采用ALTERA公司的ACEX系列FPGA芯片EP1K30TC進(jìn)行直接數(shù)字頻率合成的VHDL源程序。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成（DDS）；現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）；EP1K30TC-144 直接數(shù)字頻率合成（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒａｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎ-ｔｈｅｓｉｓ?即ＤＤＦＳ，一般簡(jiǎn)稱ＤＤＳ）是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。它在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)。當(dāng)累加器的Ｎ很大時(shí)，最低輸出頻率可達(dá)Ｈｚ、ｍＨｚ?甚至μＨｚ。也就是說：ＤＤＳ的最低合成頻率接近于零頻。如果ｆｃ為５０ＭＨｚ, 那么當(dāng)Ｎ為４８位時(shí)，其分辨率可達(dá)１７９ｎＨｚ。轉(zhuǎn)換時(shí)間最快可達(dá)１０ｎｓ的量級(jí)，這都是傳統(tǒng)頻率合成所不能比擬的。但它的不足之處是最高工作頻率會(huì)受限、噪聲和雜波不夠理想。 本設(shè)計(jì)采用ＡＬＴＥＲＡ 公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰ１Ｋ３０ＴＣ－１４４來實(shí)現(xiàn)ＤＤＳ技術(shù)。ＥＰ１Ｋ３０芯片屬ＡＬＴＥＲＡ 公司的ＡＣＥＸ系列，該系列是ＡＬＴＥＲＡ公司著眼于通信、音頻處理及類似場(chǎng)合應(yīng)用而推出的ＦＰＧＡ器件系列芯片，它采用０．２２／０．１８微米混合工藝，密度從１００００門到１０００００門。所有ＡＣＥＸ系列器件均兼容６４ｂｉｔ、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ，并支持鎖相環(huán)電路。ＡＣＥＸ １Ｋ采用查找表（ＬＵＴ）和ＥＡＢ（嵌入式陣列塊）相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可用來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器、專用邏輯功能和通用邏輯功能，每個(gè)ＥＢＡ能提供４０９６比特的存儲(chǔ)空間，每個(gè)ＬＥ包含４個(gè)輸入ＬＵＴ、一個(gè)可編程的觸發(fā)器、進(jìn)位鏈和一個(gè)層疊鏈。合理運(yùn)用進(jìn)位鏈能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。 ＥＰ１Ｋ３０ＴＣ－１４４的最大系統(tǒng)門數(shù)為１１９０００，它有１７２８?jìng)€(gè)邏輯宏單元數(shù)和５個(gè)嵌入式陣列塊，最大可提供２ｋＢ的ＲＯＭ／ＲＡＭ位，因而可完全滿足ＤＤＳ設(shè)計(jì)的要求。 圖１為ＤＤＳ系統(tǒng)的基本原理圖，圖中的相位累加器由Ｎ位全加器和Ｎ位累加寄存器級(jí)聯(lián)而成，可對(duì)頻率控制字的２進(jìn)制碼進(jìn)行累加運(yùn)算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生的累加結(jié)果的高Ｍ位作為ＲＯＭ查找表的取樣地址值，而此查找表中儲(chǔ)存了一個(gè)周期的正弦波幅度值。顯然，此處存儲(chǔ)器ＲＯＭ可以看作一個(gè)從相位到正弦幅值的轉(zhuǎn)換器。這樣，用ＲＯＭ的輸出值來驅(qū)動(dòng)ＤＡＣ，然后經(jīng)濾波即可轉(zhuǎn)換成所需要的模擬正弦波形；同時(shí)Ｎ位累加輸出又可作為全加器的下一輪數(shù)據(jù)與頻率數(shù)據(jù)相加，直到相位累加器加滿產(chǎn)生溢出，從而完成一個(gè)周期，也就是ＤＤＳ信號(hào)的頻率周期。 考慮到本系統(tǒng)的規(guī)模以及以后的擴(kuò)展需要，該系統(tǒng)中的ＤＤＳ電路采用ＶＨＤＬ硬件描述語(yǔ)言來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椋郑龋模陶Z(yǔ)言設(shè)計(jì)的電路模塊可以方便地移植到不同的ＦＰＧＡ芯片中。由于硬件原因，本系統(tǒng)的最高頻率為１００ｋＨｚ，因此，采用常規(guī)設(shè)計(jì)即可滿足要求，但若要應(yīng)用于高速系統(tǒng)，還要采用一些提高系統(tǒng)運(yùn)行速度的措施，如采用流水線技術(shù)，即在設(shè)計(jì)中把延時(shí)較大的組合邏輯塊切割成兩塊大致相等的組合邏輯塊，并在這兩個(gè)邏輯塊中插入觸發(fā)器，也可通過多個(gè)觸發(fā)器時(shí)鐘來提高系統(tǒng)速度，還可以采用ＡＬＴＲＥＡ 公司的ＦＰＧＡ器件所特有的進(jìn)位鏈來設(shè)計(jì)高速電路。 ２．１ ＲＯＭ查找表的設(shè)計(jì) ＲＯＭ查找表在整個(gè)設(shè)計(jì)中是一個(gè)比較重要的部分。為了保證波形的平滑，設(shè)計(jì)時(shí)可將一個(gè)周期分為１０２４個(gè)點(diǎn)。但是，點(diǎn)數(shù)太多時(shí)，用文本方式輸入可能有很多困難。因此，應(yīng)當(dāng)用Ｃ語(yǔ)言描述正弦方程式，最后再將其轉(zhuǎn)化為所需的ｍｉｆ文件。以下是其Ｃ語(yǔ)言的源程序： ｍａｉｎ() {ｉｎｔ ｉ;ｆｌｏａｔ ｓ; ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜１０２４;ｉ＋＋) { ｓ ＝ ｓｉｎ(ａｔａｎ(１)＊８＊ｉ／１０２４); ．．．．．． ２．２ ＤＤＳ主模塊設(shè)計(jì) ＤＤＳ主模塊部分可根據(jù)上述原理，采用ＶＨＤＬ來描述，以下是部分源程序： ＢＥＧＩＮ ＰＲＯＣＥＳＳ (ｃｌｋ) ＢＥＧＩＮ ＩＦ(ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ＡＮＤ ｃｌｋ＝＇１＇) ＴＨＥＮ ＼＼時(shí)鐘上升沿觸發(fā) ｆｒｅｑｗ＜＝ｆｒｅｑｉｎ; ａｃｃ＜＝ａｃｃ＋ｆｒｅｑｗ; ＼＼開始累加 ＥＮＤ ＩＦ; ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ; ｒｏｍａｄｄｒ＜＝ａｃｃ(ａｄｄｅｒ ｗｉｄｔｈ－１ ｄｏｗｎｔｏ ａｄｄｅｒ ｗｉｄｔｈ－１０);? ＼＼累加結(jié)果的高１１位作為 查找表的地址位 ｉ_ｒｏｍ:ｌｐｍ_ｒｏｍ ＼＼調(diào)用ＲＯＭ查找表 ．．．．．． ２．３ ＤＤＳ控制模塊設(shè)計(jì) ＤＤＳ部分的系統(tǒng)控制是根據(jù)所需要的功能（如相位調(diào)制、幅度調(diào)制等）要求而設(shè)計(jì)的，這一點(diǎn)也是利用了ＦＰＧＡ的靈活性。其部分程序如下： ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ｄｄｓｃ ＩＳ ＼調(diào)用ＤＤＳ主模塊 ．．．．．． ＥＮＤ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ; ＳＩＧＮＡＬ ｃｌｋｃｎｔ :ｉｎｔｅｇｅｒ ＲＡＮＧＥ ４ ＤＯＷＮＴＯ ０; ＼＼內(nèi)部信號(hào)定義 ＳＩＧＮＡＬ ｃｌｋ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ; ＳＩＧＮＡＬ ｆｒｅｑｉｎｄ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１５ ＤＯＷＮＴＯ ０);? ＢＥＧＩＮ ｉ_ｄｄｓｃ:ｄｄｓｃ ＼＼調(diào)用ＤＤＳ主模塊 ＰＯＲＴ ＭＡＰ(ｃｌｋ＝＞ｃｌｋ,ｄｄｓｏｕｔ ＝＞ｄｄｓｏｕｔ,ｆｒｅｑｉｎ＝＞ｆｒｅｑｉｎｄ); ｃｌｋ＜＝ｓｃｌｋ; ＼＼連接內(nèi)部端口 ＰＲＯＣＥＳＳ (ｓｃｌｋ) ＢＥＧＩＮ ＩＦ?ｓｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ＡＮＤ ｓｃｌｋ＝＇１＇? ＴＨＥＮ ＼＼系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿觸發(fā) ｆｒｅｑｉｎｄ＜＝ｆｐｉｎ; ＥＮＤ ＩＦ; 本系統(tǒng)在頻率不高于１００ｋＨｚ時(shí)能產(chǎn)生精確的正弦波形，而且十分穩(wěn)定。由于基準(zhǔn)時(shí)鐘為５０ＭＨｚ，且分辨率為１６位，因此，該系統(tǒng)能產(chǎn)生的最低頻率為５００Ｈｚ，若要產(chǎn)生更低頻率及更精確的波形，可以提高分辨率并相應(yīng)減小基準(zhǔn)時(shí)鐘，這在ＦＰＧＡ中實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)容易。 實(shí)踐證明：用ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)ＤＤＳ電路較采用專用ＤＤＳ芯片更為靈活。因?yàn)?，只要改變ＦＰＧＡ中的ＲＯＭ?shù)據(jù)，ＤＤＳ就可以產(chǎn)生任意波形，因而具有相當(dāng)大的靈活性。相比之下：ＦＰＧＡ的功能完全取決于設(shè)計(jì)需求，可以復(fù)雜也可以簡(jiǎn)單，而且ＦＰＧＡ芯片還支持在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，雖然在精度和速度上略有不足，但也能基本滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)的使用要求。另外，將ＤＤＳ設(shè)計(jì)嵌入到ＦＰＧＡ芯片所構(gòu)成的系統(tǒng)中，其系統(tǒng)成本并不會(huì)增加多少，而購(gòu)買專用芯片的價(jià)格則是前者的很多倍。因此，采用ＦＰＧＡ來設(shè)計(jì)ＤＤＳ系統(tǒng)具有很高的性價(jià)比。 |
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