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基于FPGA的直接数字频率合成器的设计与仿真

时间:2011-05-25


全 ! ? !计 算机 网络 与通 信 学 术会 议 论文 集

通 信理 论 与技 术

基于

#? % &

的 直 接数 字频 率 合成 器 的设 计 与仿 真
吴士 云
,

叶建芳

,

刘敏
上海
,

? 东华 大 学 信 息 科 学 与技 术 学 院

,

()

?





+

, , ? 因 其 频率 转换时间 短


,

分辨率高 相 噪低 输 出相 位连 续 等特 点 在 全 数


,

,

,

字化 结构 的雷达 通 信 系统 中得 到广 泛 的应用 本 文从直接 数字 频率合 成器 的基 本
原理 出发
,

介 绍 了一 种基 于 #?% & 的,
,

, ? 设 计 方法

,

在 给 出相 关 参数 的基 础 上 对 系


统进 行 了仿 真分析
关键 词
+

仿 真结果 表 明系 统达 到设 计 指标
.

直接 数 字频 率合 成器 . 现 场 可 编程 门 阵列

/

0 &
6

1

24 ?3

5

,

6 47 9 8

:9

;

4

7<

3

2: =7>

9

>

? ; 7? 6 6 = ; 78 7= : 2 ? ?
> 9

Α3

69 Β

Χ 4 Χ 9 =Δ 6 4 7Ε

6?

Φ : 46;
ΓΗ
Ν 2 6 ? > 268
>

#?% &


? Δ7 Χ Η Ι


9

,

? Κ Λ7: 9 ? :
66

9

8

,

Μ 73 / 79
:

9 6 ? 79 2’ 2 2 : =7> 9 4 6 7 9 ?〕

Β6 :9

; Ο

Δ9

>

> 28Χ ,
,

> 9

8 Δ3

Η

9

7Π 6 ? 4 7 Χ =

,

?Δ : 9 8 Δ : 7

,

()

?

&Φ 4 =
6> 9

? :6

=

+

#>

?

7=4

?:

?7;
,

6

Δ: 9 8 6

?: = 6

>

? ? Α 3 6 9 6 Χ Δ78 Δ ? 6 6 ?
,

4>

23 =7>

9

,

2> Θ ?Δ : 4 6
3 9

9 >

74 6

,

=79

3 > 34 > 3

=?3 = ?Δ : 4 6

; 7? 6 6 = ; 78 7=: 2 ? ?
:9

6

3 Α

69

Χ Β
39

4Χ 9 =Δ 6 4 7Ε

? , 6 ? , ? ? Δ: 4 ? >

; Θ 7; 6
>

:

??276 : =7> 9

9 4 7 =Δ 6 6

3 ? 22 ; 78 7=: 2 ? : ; : ?
>

;

6>

< <

76 : =7>

9

4

Χ4 =

< 6
4

4 =>

; :Χ
:

Ρ

9 Σ

= 6 Φ :46 Δ
9

?
>

=Δ 6 Φ : 476 Τ ? 9 7

7Τ 26

= ?; 7?6 6 = ; 78 7 : 2 4 Χ 9 =Δ 6 4 7Ε 6 ? =Δ 6 Τ : Τ 6 ? 79 =? ; 3 6 6 4 >
,
Ρ

; 6 4 78
> 9

<

6 =Δ >

;
> 3

?

, , ? Φ


: 46

;

> 9

#? % &
?6 4 3

% 7

Π 69

6 =Δ 6 ? 6 2 Π : 9

=

?: ?:

<

6 6=

, ?

4 Χ4 =6 <
4

7 <

3

2: =7
9 4

(Υ 6 : 2 2
Ρ

币6 ;

=

:9

;

4

7<

3 :

2 =7>
+

9

2=4 4Δ > Θ =Δ : = =Δ 6 # ?% &
+

4 Χ 4 =6
4

< ? =4 ; 6 4 7 7 9 8 ((

?6 6 7? 6 : =7> 7

Θ

6

?6 Χ

Θ> ?

;4

, , ?.

3 / & Ω 1 ?2

引言
很 多 现 代 电 子 设 备和 系 统 的功能 都 直接 依 赖 于 所 用 频 率源 的性 能 而 当今 高性 能 的
频 率 源 均 通 过 频 率 合 成 技 术 来 实现


,

传 统 的 频 率合 成 器 有 直 接 频 率 合成 器 和 锁 相环 两
。 ‘



,

直 接 数 字频 率 合成技 术是 一 种 新型 的 频 率 合成 技 术
,

已是 一 种 采用 数 字 化技 术 通


,

过 控 制 相位 的 变 化 速 度

白接 产 生 各种 不 同频 率信 号的 频 率 合 成 方 法
,

随着 直接 数 字频
,

率合成
对 固定
,

?, ,

? 4 技术 的 发 展

很 多 公 司 开 发 出了功 能 各异 的


,, ?

专用 集 成 芯 片
,

同 , Ξ&

转 换 器 和 低通 滤 波 器 ?Μ ? # 一 起 可 以 组成 任 意波 形 信 号的发生器 ?

但 因 其控 制 方 式 相
+

无 法 满 足 各种 需 要
,

6 近 年来现 场 可 编 程 门 阵 列 ?#7 2;

? ?> 8


?:

< <

:

Φ 26 >

: =6

& ? :Χ

简称
&

#? % & ?
,

技 术 得到

了迅 速 发 展 和 广 泛 应 用
#? % &

其 工 作频率

资 源 容 量 以及 集 成 度都 有 了 极 大 提 高 使 得 利用


实现 某 些 专用数 字集 成 电路 引 起 了 大家 的关注
,


丛 于 #? %

实 现 的 氏接 数 字 频 率 系 统 相 比 具 有 以下 优


合成 器 充分 发挥 了 # ? % & 可 编 程 的优 点 点
+

与专用 芯 片 构 成 的 ,


, ?

Λ 灵 活 的接 2 和 控 制 方 式

转 换 时 间短

带 宽大



相 位 连 续 变化 和 频 率 分 辨 率 高 等


这 为 设 计者 实 现 高 性 能 的 , , ? 系 统提供 了 一 种 灵活 且 实 用 的 方 法

全2 计算机 网 络与 通 信学术会 议 论文 集 2 Ψ =

通 信理 论 与技术

, ,?

基 本 原 理 与性 能特 点
,

, , ? 技 术 是从相 位概 念 出发

直接 对 参考 正 弦信 号进 行 抽 样 得 到不 同的 相位
,
?

,

,



后通 过 数 字 计 算 技 术产 生 对 应 的 电压 幅 度 最 后 滤 波 平 滑 输 出所 需 频 率 的

种频 率合 成


方法



图 (给 出 了, , ? 的结 构 原理 图 主 要 由相位 累 加 器 ? &
,




正 弦杳找 表 Ζ Σ /
?[ 3 <

数模 变
Ν> 9 ? 2 7 >


换 器 , & Ν 以 及 低 通 滤 波 器 Μ ?# 组 成
Σ 4 Β 722: => ?

, , ? 在 结 构 上 可 划 分 为[ ΝΣ

7 ? 6



数控 振 荡器 ? 和 9
,

& Ν ?, 78 7=: 2



: > 2
,

8 6> 9

Π 6? =

? 6

数模 转换器 ? 两 个模块


图中

虚 线框 部分 为[ Ν Σ 模块
,

是 , , ? 的数字 部 分

可 以用 # ?% & 实现
,

, & Ν 和 Μ ?#为 模 拟 部

分 其功 能是 将系 统 中的数 字信 号转 换成模 拟信 号 然 后通 过 低 通 滤 波 器 使波 形 更加平



波形
?Η /

, &Ν

Μ ?# #




?
Ρ

(
,

,, ?


的结构 原理 图
,

户 是 输 入 参 考 时钟 关


般 由 高稳 定 度 晶体 振 荡器 产 生
,, ?

用 于 提 供 整 个 合成
?

器 中各个 部 件 的同 步 工 作 器 级联 构 成
,

相位 累加 器 是
,

的核心

,

山 [ 位 加法 器 和 [ 位相 位 寄存
?


完 成 相 位 的累 加




[

位 输入 称 为频 率控 制 字
,

相 位 累 加 器 每 接收
?

个 关脉 冲
△ △

,

累 加 器 的 值 就增 加 ?
△沪 一

由于 相位 累 加 器 是 [ 位 的

累加 器 的 值 增加


就相

当 于 输 出相 位增 加


,

?

Ξ
]



,

输入 / 个 参考 脉冲 ? 后 ?
]

,

输 出 ? 的相 位 增 加 量 为
/ 不 一 /Ξ ? ?
,

介胁 贮/ Ρ



?





输入 /


, 个参 考脉 冲所 需要 的 时间 为 △

从 而可

以求 出 对 应 的 输 出 频 率

+

牛塑
Ρ

? ?

?

?

Ξ





直接 数 字频率 合成 的木 质 是为全弦波 形 进 行采样 保 持 时钟 频 率不 变
可 以改 变 取 样 点 的间 隔
,

,

,

改 变频 率字
(

从而 改变

, ,?

频 率合 成器 输 出 的频率
,



其 工 作过 程 服 从 奈奎
]

斯特 采样 定 理
无⊥
Ρ _Ξ
?


,



?

个 正 弦 周 期 内至 少要 采样 两 点

最 高输 出频 率 ?

? ? Ξ,

般要求

由 于 , , ? 采 用 了不 同于 传 统 频率 合成 方法 的 全 数 字 结构 所 以 , , ? 技 术拥 有 白接


,

频 率合 成和 间 接 频 率合 成方 法 所 不 具 备的 许多优 点 如频 率 分 辨 率极 高 频 率转 换 时 间
短 形
,

,

,

输 出相 对 带 宽 大 频 率捷 变 时相 位连 续

,

,

易 于 实现 数字 调 制 功 能

,

可 以 合 成 任意 波



?

基于
模大


#?% &



, , ?

设计


, , ? 技 术 的 实现 依赖 于 高速

高性能 的 数 字器 件
,




可 编 程逻 辑 器 件 以 其速 度 高






可编 程
,

,

以及 强 大 Κ , &

软件支 持等 特性


十 分 适 合 实 现 , , ? 技术
, ,


2 &

6: = ?

是著 名

的?Μ , 生 产 商

其 ?Μ , 具 有 高性 能
,

高集 成 度 和 高性价 比等 优 点 此 外
宏功 能 库 等
, ,

它还 提 供 了 功


? 能全 面 的 开 发 工 具 和丰 富 的 ∴ 核

/: 0

1

Τ 23 5 4

是 & =6 公 司 提 供 给 客 户 的 2 ?
:

一 个 完整 的 Κ , & 开 发 软 件

具有 开 放 的界面

可 与 其 它 工 业 标 准 的 Κ , & 设 计输 入





合 及 校 验 工 具 连接 设计 仿 真


,

支 持 多平 台 工 作 可 完 成 从 设计 输 入


编 译 逻辑 综 合





器 件 适配

定时 分 析

器 件 编 程 等所 有 过程



全 (行 卜 机 网 络 与通 信学术会 议 论 文集 算

通 信理 论 与技术


用/ : 0 路 全局
,

基 于 #?% & 设计 的整 体 电路原理 图
,

1

24 ?3

5

设计 ,

, 4 系统 数字 部 分 最 简 单的 方 法是 采 用 原 理 图输 入 法
,

即 在Κ ,

&

软 件 的图 形 编 辑 界面 上 绘 制 能完 成 特定 功能 的 电路 原理 图 该 输入 法 易于 设 计 者 把握 电

控 制 逻 辑 资源 的耗用
,

,

节 省 面积
&, ,
,



图 所 示 是基 于 #?% & 设 计 的整 体 电路 原 理 加减 法 器 模块 来 进 行 操作
β
Ρ





其中

相 位 累 加器 可 调 用 Μ ?/

?Η α

,

相 位 累加 器


的 性能 将 直接 影响 整 个, , ? 系 统 的速 度 采用 流 水 线技术 能 大幅提 升 系统 速 度 波 形 存 储 器 ? Σ / ? 可 通 过 调 用 Μ ?/一 Σ / 儿 件 实现 Ζ


,

其Μ ?/ 一 ∴ Κ 的值 而 提 一 个 存放 波 形 Μ
,


幅 值 的文 件 波 形 存储 器 设计 主 要应 考 虑 其 容量 的 大小 利用 波形 幅值 的奇 偶 对称 特
_ 性 可 以 节 省? Ξ 的 资 源
& 4 4 7,
,

这 是非常可 观 的
9



为 了进 一 步 优 化 速 度
7Ε 6 2>
,

,

设 计时 选 择 菜 单 事实 上


% χ 2

>

Φ 2Τ? δ >

:

6 6=

Μ > 8 76 4Χ
,

=Δ 6 4 74

选 项Σ =7< ?
,

? 66 > 6 ? 度? 并 设 定> 2> Φ : 2 ? > = 2 8 7 速 δ


4 Χ9 =Δ 6 4 74 4 =Χ26

为队 4Ο

从 而 使寄存 器 的最 高频 率达 到 2> / 5 Ε 以上

,

用 ? ?%

&

实现 的 , , ? 能 工 作在 如 此 高 的频 率 上
? (
,

卞 要 依 赖 于 #?% & 先 进 的 结构 特 点

累 加 器 和 寄 存 器 的设 计
运 用 #?% & 设 计 , , ? 电路
累加 器 可 利 用 # Μ Κ Ω 于 临近 的Μ & α 和ΜΚ
,

相 位 累 加器 是 决 定, , ? 电路 性 能的 关 键 模 块之 一


,

小的

器 件 的进位 链 得 到 快 速

高效 的 电路 结 构



然 而 山于 进 位链 必 须位
,



,

长 的进 位 链势 必 会 减 少 其它 逻 辑 使 川 的 布 线 资 源


同 时过 长 的

进 位链 也 会 制 约 整 个 系统速 度 的 提 高

流 水线 技 术 是一 种提 高系 统 工 作 速 度 的 方 法 这 种 技术 把 在 一 个 时钟 内 要 完 成 的逻

,

辑操 作分成 儿 步 较小 的操 作 并插 入 儿 个 时 钟 周 期 来 提 高系 统 的数据 吞 吐 率 但 是流水 线技 术 比较 适 合 开 环 结构 的 电路 的准确 无误
?
Ρ

,



,

要 用 在 累 加 器这 样 的 闭 环 反 馈 电路 中必 须 谨 慎考 虑


,

且流水 线技 术 需 占用 更 多 的 #?% & 资 源
,

为 了 大 幅 度提 高系 统 的 工 作速 度


,

并确 保 设 计
,

本 设计 中的 相 位 累加 器 采 用 进 位链 和 流 水线技 术 相 结 合 的方 法 来 实现
,



样 既 能保 证 较 高 的资 源 利 用 率

又 能 大 幅 提 高系 统 的 性 能 和 速 度

数 据 存储 器 ?Ζ >
用 #? % & 设 计,

/
,?
,

查 找 表 ? 的设 计
电 路 的另 一 个 关键 模块 是 波 形 存 储 器 Ζ Σ /
,
, ,

相位 累 加 器 的输 出 作


为Ζ

>/

的地 址输 入

Μ ? 经 查 表 ? 3 Ο 和 运 算后

山Ζ > / 输 出 所 需波 形 的量 化 数 据
/ 的大 小


设计

中 面 临的 主 要 问题 是 资源 的 开 销 杂散性 能有 着 直 接 影 响
,

也就 是 波 形 存 储 器 Ζ Σ


Ζ Σ/

的 大 小对 , , ?

为 了 使 生 成 信 号的频 谱纯 度 高

杂散 小

,

需 要 有 尽 可 能 大 的波

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通信 理 论与 技术

形 存储 表

,

才 能有 效 的降低,

, ? 的杂 散




但大 的波 形 存储 表就 意味着 更 高 的功耗




更低

的 可 靠性



更 慢 的速 度和 更 高 的成木


在 实际 设 训 中 硬 件 的 资 源 是 有 限 的 所 以 很有
,

,

,

必 要 对 Ζ Σ / 的 容 量进 行 压 缩
,

( 前有 很 多种 Ζ Σ / 存储 压 缩 的 方法

其 中最 丛 本 的方 法是 利川 正 弦函 数 四 分 之 一
, ,

将所 有 的角度都 映射到 ε 司 然 后 , 第 四 象 限 的角度 映射 到 第二 和第 一 象 限
波 形对 称


首先

为 了 计 算 正 弦 幅度

,

将 第 三和



? 29 口 ]



χ7

4 9

φ


三夕丛 二
二夕二



一 夕 Μ 4 29 气 一 汀 ?

最后
4 ? 79

,

将第 二 象 限 的角度 映射 到第 象 限

。‘ 夕‘ 二




4 汀 Μ 29 、 一 Η ?

一 丛 夕丛 汀

这 样 相 位 累 加 器 输 出 的最 高位就 可 用 来代表 波 形 的 符 号 次高位 和最 高位 组 合 就
可 代 表 不 同象 限
,

,

,

ΖΣ
,

/ 表 中 只 需存 储 ε 习γ 的 波 形
,



在 电路 中
,

,

利 用相位 的 最 高位 控

制 输 出 波形 的 符号 到 整周 期波 形


次 高位 控制对 Ζ Σ / 表 的寻 址

,

对 相 位和 幅度 进 行适 当翻 转便 可 得
Ζ Σ / 所 需 的存 储 的 幅 度 值
,

利 用 这 种 方法 存储 空 间 得到 了 明显 的压 缩
,

_ 的个 数 是 以 前 的(Ξ

而 且 因 为 山最 高位 来确 定 波 形 的 正 负值


在Ζ Σ / χ 只 需 存储 波 形
,

,

的 正 幅 度值

,

7 因此 又 可 以 节约 2Δ = 的存储 容 量

系统仿真
? 选取 仿真 器上 的 时钟频 率 ?


长刀

]

4

,

ι 频 率控制 字? 即 #既 η【 」( > (


Ε 5 / Σ

]

,

根据 前文 中 的 输 出频 率 公 式 石
5]

, 一

从Ξ
]



,

设字
,

!? (,

,

相 位控制 字Τ 5 & 4 Κ ! ι > γ ε

,

γ5


ι


时 得 到频 率 几 ? Ξ ? ?






( Υ

波形 和 余弦Σ Η
频 率 为 (Υ

Ο 一Ν

ι 【 γ


波形 的 一 个 周 期 时 间为 φ 脚


Ε 5 ?

,

Ο

]

φ脚



仿 真 结 果 如 图 ? 该 图 中输 出 的 正 弦 Σ Η Ο ? Ι ε
,
,

γ

与理 论值 几 完全 一 致 即 实 际 输 出
1

后 , , 4 输 出 正?余 ?弦波 的 情 况

5 ?
Ρ

Ε

与理 论推 算值 完全 一 致
,

山于 很 难 从 / : 0
1


Τ2 9 4 3

仿真 波 形 看 出 经 , & 转换
,

设 计 中通过 读取 / : 0



Τ2 9 4 3

的 表格 文 件

利 川 计 算机 高
,

级 语 言将/ : ? 3 0 24
1

5 仿 真 结 果 转换 为 波 形 曲线
,

可 用 一 段 / : : 语 言编 写 的程 序 2 = Φ


它首
,

先读取



;; = 2 4 Δ



文 件 将 输入 引脚 Ν Μ 卜
,

时的 输 出 数据 抽取 出来 并转 换 为 χ 进 制

然后 绘 出,

, ? 的仿 真 波 形 曲线


如 图_ 所 示
9 4



从实 验 结 果 可 以 看 出 本 文 提供 的设 计理 论

及 设 计 电 路正 确 可 行



∴ ?Η Ο [ ! [ ?Η Ο ! [? Η Ο

峪 ‘



5



飞 匕 加 夕 ‘ 甲匕厂 日
取 飞
φ



日丁( 厂二 ‘ Μ日一几 几 了

日刀

ΝΣ /α
Ν Σ /α α

日> 5



#



丽沂虱 丽不司厉币司侄下可 厄 几 下 丽 可 百行 汉 丽 飞 压币司压下司伍可丽 腼汀甲 +丽 下 飞 百 甲

图?

3 / : 0 1 Τ 2 4 22仿 真 结 果

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通信 理 论与技术

心 助 翔?!



叭 卜‘ 阮二
卜 。 2 Ρ、 已 。

Λ, 二 ? ? 。

奋 片 犷

,



于,

) ?卜

) 人 八


抽 劝 翔 栩
心 ?



切 价 入 上 ?

%一 。

门 月 剑 川 日

#

人口 .




岌 一 ( ?
& #






,

+

,

三2

/
0

1


图3 8

6 7 4 5 5 仿真波 形

结束 语
本 文 结合
99 :

的 基本 原理 和 正 弦 函数 的对称 性 利 用 ; = <
, 。

> 器 件实现 了 除

+ 9

>


,

换器和 低 通滤波 器外 的 9 9 : 数 字逻辑 电路 设计

根据 具体 设计要 求通 过软件改 变 ;<= >
,

中的
并且

??4 ;<= >

数据


,

99 :

就可 以产 生 所 需波 形数据


充 分发挥 了

;<= > 9 :

可 编程 的优 点



的功 能完全 取 决于 设计 需求 功耗低


采用 这种 方法 设计 的 9

具 有集成 度 高



路 设 计简单

分辨率高等特 点 具有相 当大 的灵 活性和 很 高的 实用价 值
,

参考 文献
【 Χ Δ (Ε Β Α 5
45 5 Φ Γ
,

Γ

!
#

( 6Γ Η Ι

#

频 率合 成原 理 与 设计 ?4 』 何松柏
#

,

宋亚 梅等
#

,

译 北 京 0 电 子工业 出版 社
#

,

ΚΛ Μ
#

Κ Α Α 周 峻峰

陈涛 基 于 ; <

= >

的直 接数 字频率 合成器 的 设计和 实 现 ? 电子 技术应 用 Β Ν
,
#

,

ΚΛ Κ Α Κ
, ,

0

3 Λ Ο Π


Α Θ ?

Ρ

!

4 即! Τ Σ
,

5 Υ
#

Γ !

# !
,

4# 数字 信号 处 理 的 ;<= > 实 现【 Β 刘 凌
#

译 北 京0 清华 大学 出版 社
,

Κ

? Λ
,
#

0ΑΩ一 0

Θ Κ
ΑΩ Α

#

’ ? 江志 浩 孙 明珠 蔡德荣 高精度
Β 8 王辉 殷颖
,
#

99Γ

的 ;<=

>

资 源 优化 设计 【 微 计 算机 信息 # Β Ξ
北 京 0 机械 工 业 出版 社
,

Κ Λ Ω ΑΨ Κ Ζ Κ ΛΛ Ο



ΑΩ Θ

#

4

0 Β Ν Β ? 潘志 浪 基 于 ;<= > 的 9 9 Γ 信 号源 的设 计? 武汉 武汉 理 工 大学
#

∴ [ 5

]

Γ Ρ Φ 和

4 Ρ Σ ⊥ 5 Γ 应用与 开发 技巧【 Ρ 6

,

ΚΛ Λ Ο

#

作 者简介
叶建芳 Ψ
通 信技 术
.

0

Ω 吴士 云 Ψ Α Π Κ Ζ

_

,



,

山东苍 山人
,

,

硕 士 研 究生

,

主 要研 究 方向 为射 频 电路




无 线通 信 技 术

.

Ω? 3

Ζ

,



,

浙 江 金 华人


理 学 硕士
,

,

副 教授

,

主 要研 究 方 向电磁 场与 电磁波
,

射 频 电路




无线

刘敏

Ψ ΑΩ Π 8

Ζ

,



,

四川 南 充人

硕 士 研 究生

主要研 究方 向 为无 线通 信 技 术

Α ΑΘ


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基于FPGA来完成直接数字频率合成器(DDS)的设计

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