楊東霞，巨永鋒

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

信號(hào)發(fā)生器種類很多，按是否利用頻率合成技術(shù)來分，可分為非頻率合成式信號(hào)發(fā)生器與頻率合成式信號(hào)發(fā)生器。其中頻率合成式信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度都很高，且頻率連續(xù)可調(diào)，是信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展方向。頻率合成技術(shù)發(fā)展很快，先后經(jīng)歷了：直接模擬頻率合成技術(shù)、鎖相頻率合成技術(shù)（PLL）、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)（DDS）和混合式頻率合成技術(shù)。模擬頻率合成的信號(hào)發(fā)生器電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格昂貴，不便于集成化；PLL易于集成化，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，價(jià)格低，而且具有極寬的頻率范圍和十分良好的寄生信號(hào)抑制特性，但頻率切換時(shí)間相對(duì)較長，相位噪聲較大；DDS是基于取樣技術(shù)和數(shù)字計(jì)算技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字合成，產(chǎn)生所需頻率的正弦信號(hào)，極易實(shí)現(xiàn)頻率和相位控制，且切換時(shí)間快，尤其適于合成任意波形，集成度高，體積小，其因頻率分辨率高、頻率切換速度快、相位噪聲低和頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)而成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者[1]。直接模擬式、鎖相環(huán)式和直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)使用任何一種方法，有時(shí)也很難滿足要求。此時(shí)可將這幾種方法綜合應(yīng)用，即為混合式頻率合成技術(shù)。而隨著微電子技術(shù)和EDA技術(shù)的深入研究及發(fā)展，DDS技術(shù)更是得到了飛速的發(fā)展，同時(shí)，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）的設(shè)計(jì)具有靈活、速度快等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文將基于DDS技術(shù)，應(yīng)用Altera公司推出的DSP Builder和QuartusⅡ軟件進(jìn)行基本DDS建模，然后在DDS模塊的基礎(chǔ)上，通過單片機(jī)等電路組成的控制單元的邏輯控制作用，完成一個(gè)基于FPGA硬件平臺(tái)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。使其具有頻率分辨率高、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)、相關(guān)技術(shù)參數(shù)靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

1 DDS及數(shù)字調(diào)制方式的基本原理

1.1 DDS的基本原理

直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer-DDS）是一種基于全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。DDS頻率合成器具有以下優(yōu)良的性能：工作頻率范圍很寬；極高的頻率分辨力；極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間；任意波形輸出能力；數(shù)字調(diào)制性能好等[1]。

以合成正弦信號(hào)為例說明DDS的基本原理。對(duì)于一個(gè)正弦信號(hào)可表示如下：

其中：Sout為正弦信號(hào)，fout為正弦信號(hào)的頻率。上式正弦信號(hào)表示對(duì)于時(shí)間t是連續(xù)的，為了用數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)該表達(dá)式，需要進(jìn)行離散化處理。用基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行fclk采樣，令正弦信號(hào)的相位為：θ=2πfoutt，在一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期Tclk內(nèi)，相位的變化量為：

為了對(duì)Δθ進(jìn)行數(shù)字量化，并用N位二進(jìn)制數(shù)表示，首先把“滿”相位2π分成2N個(gè)間隔點(diǎn)，則每個(gè)時(shí)鐘周期Tclk內(nèi)的相位增量Δθ可用量化值BΔθ來表示：

其中BΔθ為整數(shù)。于是，上述正弦信號(hào)可用下式表示：

其中，θk-1為前一個(gè)時(shí)鐘周期的相位值，對(duì)應(yīng)的量化值為：。

由上所述，只要將相位的量化值進(jìn)行累加運(yùn)算，就可以得到正弦信號(hào)的當(dāng)前相位值θk。其中用于累加的相位增量量化值BΔθ決定了信號(hào)的輸出頻率fout，而且為簡單的線性關(guān)系。這就是直接數(shù)字合成器DDS的設(shè)計(jì)原理。

圖1所示為一個(gè)基本的DDS結(jié)構(gòu)，主要由相位累加器（PD）、相位調(diào)制器、正弦查找表（波形存儲(chǔ)器 ROM）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）等構(gòu)成。相位累加器是DDS的核心部件，其輸入是相位增量BΔθ，由于與輸出頻率fout成線性關(guān)系，故相位累加器的輸入又可以稱為頻率字輸入，事實(shí)上，當(dāng)系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率fclk為2N時(shí)，BΔθ就等于fout。相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下進(jìn)行相位累加，當(dāng)累加滿時(shí)產(chǎn)生一次溢出，就完成一個(gè)周期的信號(hào)合成。

圖1 基本DDS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the DDS

相位調(diào)制器接收相位累加器的相位輸出，在這里加上一個(gè)相位偏移值，主要用于信號(hào)的相位調(diào)制，如PSK（相移鍵控），不使用時(shí)可以去掉該部分，或者加一個(gè)固定的相位字輸入。

正弦查找表進(jìn)行波形的相位到幅度的轉(zhuǎn)換，它的輸入是相位調(diào)制器的輸出，也就是波形存儲(chǔ)器的地址值，其輸出送往數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器濾除其中的高頻成分，將其變成光滑的正弦波輸出。

由于相位調(diào)制器的輸出數(shù)據(jù)位寬M也是波形存儲(chǔ)器的地址位寬，由于受數(shù)模轉(zhuǎn)換器位數(shù)的限制，因此在實(shí)際的DDS結(jié)構(gòu)中N雖然很大，而M總為10位左右[1-3]。

1.2 數(shù)字調(diào)制方式的基本原理

用數(shù)字基帶信號(hào)將載波信號(hào)變換為數(shù)字帶通信號(hào)（已調(diào)信號(hào)），以使數(shù)字信號(hào)在帶通信道中傳輸，其過程叫做數(shù)字調(diào)制（digital modulation）。一般數(shù)字調(diào)制跟模擬調(diào)制的基本原理相同，但是數(shù)字信號(hào)具有離散取值的特點(diǎn)。因此數(shù)字調(diào)制技術(shù)有兩種方法：一是利用模擬調(diào)制方式去實(shí)現(xiàn)數(shù)字式調(diào)制；二是利用數(shù)字信號(hào)的離散取值特點(diǎn)通過開關(guān)鍵控載波，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制。這種方法通常稱為鍵控法，比如對(duì)載波的幅度、頻率和相位進(jìn)行鍵控，即可得到幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）3種基本的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。而數(shù)字信息有二進(jìn)制和多進(jìn)制之分，因此數(shù)字調(diào)制可分為二進(jìn)制調(diào)制和多進(jìn)制調(diào)制。在二進(jìn)制調(diào)制中，信號(hào)參量只有兩種可能的取值。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)時(shí)，這種調(diào)制稱為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制。在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化狀態(tài)，相應(yīng)的調(diào)制方式有二進(jìn)制幅移鍵控 （2ASK）、二進(jìn)制頻移鍵控 （2FSK）和二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）[4]。

根據(jù)以上數(shù)字調(diào)制方式的基本原理，基于FPGA和DDS技術(shù)，利用DSP Builder工具軟件，即可設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。

2 數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 DDS合成數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the digital modulation signal generator system on DDS

2.1.1 控制單元

控制單元部分主要完成數(shù)據(jù)的輸入及控制等功能。為了使所設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器具有抗干擾能力強(qiáng)、相關(guān)技術(shù)參數(shù)靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，此單元以單片機(jī)為中心，配以其他輔助電路，其控制作用通過匯編語言編程后下載到單片機(jī)來完成，即分別實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS的3個(gè)輸入頻率字、相位字及幅度字進(jìn)行鍵控選擇，從而實(shí)現(xiàn)頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）和幅移鍵控（ASK）3種基本的數(shù)字調(diào)制，反映載波信號(hào)的頻率、相位及幅度變化特征，最終得到FSK、PSK、ASK的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。

2.1.2 DDS模塊

DDS模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，圖2中DDS模塊里的DDS基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，采用FPGA實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于DDS的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

首先，利用Matlab和DSP Builder設(shè)計(jì)出基本DDS模型，再基于DDS子系統(tǒng)，利用其產(chǎn)生的正弦信號(hào)作為載波信號(hào)，以二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而在控制單元的作用下實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）、二進(jìn)制相移鍵控（2PSK）和二進(jìn)制幅移鍵控（2ASK）3種基本的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，最后完成基于FPGA的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。

圖3為數(shù)字調(diào)制信號(hào)系統(tǒng)模型。其中控制單元實(shí)現(xiàn)頻率字、相位字及幅度字等數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)字調(diào)制信號(hào)系統(tǒng)模型Fig.3 Model of the digital modulation signal generator system on DDS

輸入及數(shù)字調(diào)制方式的選擇等功能。

此模型的核心是DDS子系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。DDS子系統(tǒng)共有3個(gè)輸入，分別是32位頻率字輸入、10位相位字輸入、10位幅度字輸入；一個(gè)10位DDSout輸出。通過改變相位字輸入、頻率字輸入及幅度字輸入，即可獲得所需輸出波形。

圖4 DDS子系統(tǒng)Fig.4 DDS subsystem

通過控制單元可依次實(shí)現(xiàn)2ASK、2PSK、2FSK調(diào)制。若圖3中譯碼器輸入為00，可實(shí)現(xiàn)2PSK的數(shù)字調(diào)制，圖5為2PSK模型設(shè)計(jì)圖。

圖5 2PSK調(diào)制模型Fig.5 2PSK modulation model

由圖可知，利用二選一多路數(shù)字選擇器（n-to-1Multiplexer）模塊對(duì)基本DDS模型的相位字進(jìn)行鍵控，即在控制單元的作用下對(duì)所輸入的兩個(gè)相位字進(jìn)行選擇就可以實(shí)現(xiàn)2PSK調(diào)制。如圖6所示2PSK調(diào)制的仿真波形。

圖6 2PSK調(diào)制的仿真波形Fig.6 Simulation waveform of 2PSK modulation

同理，若圖3中譯碼器輸入為01，可實(shí)現(xiàn)2FSK的數(shù)字調(diào)制，圖7為2FSK模型設(shè)計(jì)圖。利用二選一多路選擇器模塊對(duì)基本DDS模型的頻率字進(jìn)行鍵控，即對(duì)兩個(gè)頻率字（相位增量）進(jìn)行選擇就可以實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制。如圖8所示為2FSK調(diào)制的仿真波形。

進(jìn)而，將圖3中譯碼器輸入設(shè)為10，可實(shí)現(xiàn)2ASK的數(shù)字調(diào)制，圖9為2ASK模型設(shè)計(jì)圖，即利用二選一多路選擇器對(duì)基本DDS模型的幅度字進(jìn)行鍵控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)幅度字的選擇，并采用乘法器（Product）來完成2ASK調(diào)制，如圖10所示為2ASK調(diào)制的仿真波形。

圖7 2FSK調(diào)制模型Fig.7 2FSK modulation model

圖8 2FSK調(diào)制的仿真波形Fig.8 Simulation waveform of 2FSK modulation

3 數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器硬件實(shí)現(xiàn)

建模算法仿真完成后，選擇讓DSP Builder自動(dòng)調(diào)用QuartusII軟件， 完成綜合 （Synthesis）、 網(wǎng)表生成（ATOM Netlist）、QuartusII適配，最后通過QuartusII在 FPGA上完成硬件實(shí)現(xiàn)后，經(jīng)DAC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)低通濾波器后，可以在示波器上看到一致的波形輸出[5-6]。

4 結(jié)束語

圖9 2ASK調(diào)制模型Fig.9 2ASK modulation model

圖10 2ASK調(diào)制的仿真波形Fig.10 Simulation waveform of 2ASK modulation

文中基于FPGA和DDS技術(shù)，利用Matlab/Simulink、DSP Builder、QuartusⅡ3個(gè)工具軟件進(jìn)行基本DDS建模，在DDS模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)字調(diào)制方式的基本原理，通過單片機(jī)等電路組成的控制單元的邏輯控制作用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，其具有頻率分辨率高、穩(wěn)定度高、抗干擾能力強(qiáng)、相關(guān)參數(shù)靈活可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)方法方便實(shí)用。

[1]蔣煥文，孫續(xù).電子測(cè)量[M].北京：中國計(jì)量出版社，2009.

[2]趙麗娜，郭寶增，劉少鵬，等.基于FPGA的DDS基本信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（12）：190-192.ZHAO Li-na，GUO Bao-zeng，LIU Shao-peng，et a1.Design of DDS basic signal generator based on FPGA[J].Electronic Design Engineering，2012，20（12）：190-192.

[3]楊建華，于小寧，朗寶華.DDS技術(shù)和FPGA在多功能信號(hào)源中的應(yīng)用[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：334-339.YANG Jian-hua，YU Xiao-ning，LANG Bao-hua.A multifunction signal generator based on DDS and its implementation on FPGA[J].Journal of Xi’an Technological University，2012，32（4）：334-339.

[4]樊昌信，曹麗娜.通信原理 [M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[5]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[6]郝小江，繆志農(nóng)，黃昆.基于FPGA的數(shù)字調(diào)制信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，27（06）：44-46.HAO Xiao-jiang，MIAO Zhi-nong，HUANG Kun.The design of digital modulation signal generator based on FPGA[J].Journal of Panzhihua University，2010，27（6）：44-46.