陳亮名，楊 昆

(西南交通大學(xué) 四川 成都 611756)

基于正交信號(hào)產(chǎn)生的方法比較

陳亮名，楊 昆

(西南交通大學(xué) 四川 成都 611756)

文中針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域需要不同特性正交信號(hào)的問題，采用羅列比較的方法，通過具體電路的設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、分析、對(duì)比，得出了4種典型的正交信號(hào)產(chǎn)生方法及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。正交信號(hào)產(chǎn)生有4種典型的設(shè)計(jì)方案：單片機(jī)數(shù)字合成法，F(xiàn)PGA直接數(shù)字式頻率合成器法，DDS集成芯片AD9851合成法,RC-CR相移網(wǎng)絡(luò)法。文中介紹了這4種正交信號(hào)產(chǎn)生方法的具體原理并對(duì)各方法在幅值調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)范圍，正交性等方面做了詳細(xì)的對(duì)比，以便在不同設(shè)計(jì)要求下選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

正交信號(hào)；單片機(jī)；FPGA；相位；幅度

隨著科技的發(fā)展，正交技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于航天導(dǎo)航，電子對(duì)抗，頻率特性測(cè)試等領(lǐng)域。而在正交調(diào)制解調(diào)，傳感器頻率測(cè)試等不同場(chǎng)合對(duì)正交信號(hào)的要求是不同的，如雷達(dá)，導(dǎo)航等軍事研究中的正交調(diào)制技術(shù)，其需要一對(duì)相位嚴(yán)格正交、幅度嚴(yán)格相等的載波；又如傳感器頻率特性測(cè)試，其需要低頻范圍精準(zhǔn)可調(diào)正交信號(hào)來作為測(cè)試信號(hào)。因此有必要對(duì)正交信號(hào)的產(chǎn)生方法進(jìn)行總體上的把握，能對(duì)不同的工程背景選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

1 對(duì)正交信號(hào)產(chǎn)生的4種方案介紹

1.1 單片機(jī)數(shù)字合成波形

1 .1 .1 合成正交波形的基本原理

單片機(jī)是一種微型的處理器，具有非常高的靈活性。將離散的正弦波表保存到單片機(jī)的數(shù)據(jù)RAM中，利用單片機(jī)的定時(shí)器以相同的時(shí)間間隔依次輸出波表中的數(shù)據(jù)到DAC,就可以產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字正弦波，經(jīng)低通濾波器就可以得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。若建立2個(gè)互相正交的波表到單片機(jī)RAM中，再同步DAC輸出經(jīng)低通濾波器后就得到正交信號(hào)了。單片機(jī)與DAC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率就直接的決定了合成波形的最大頻率，因此，我們選擇了：外接16 MHz晶振的MSP430F169單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部DAC12進(jìn)行轉(zhuǎn)換[1]。

在單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸中，一般采用定時(shí)器中斷，CPU不斷從RAM中獲取下一個(gè)值再寫入DAC，遞增數(shù)據(jù)表指針，并且檢查表格邊界，以便確定何時(shí)復(fù)位數(shù)據(jù)表指針。但CPU負(fù)載較大，甚至在所需的中斷服務(wù)時(shí)間內(nèi)不能更新兩個(gè)DAC。 MSP430F15x/16x這些器件集成了兩個(gè) DAC與 1個(gè)DMA控制器。DMA控制器的用途是在無需CPU干預(yù)情況下將數(shù)據(jù)從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。在本方案中，DMA能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)移到2個(gè)DAC。一個(gè)數(shù)據(jù)表可以同時(shí)用于正弦波與余弦波，兩條DMA通道存取數(shù)據(jù)表的不同部分，以便形成正弦與余弦輸出。在每條DMA通道傳輸完已編程數(shù)據(jù)值數(shù)量之后，從最初編程的源地址開始進(jìn)行下一次傳輸，從而使每條DMA通道都構(gòu)成一個(gè)帶數(shù)據(jù)表的環(huán)形緩沖區(qū)并生成周期波形。在需要下一個(gè)DAC數(shù)據(jù)值之前就可以將其加載到 DAC數(shù)據(jù)寄存器中，定時(shí)器觸發(fā)DAC以輸出新的值。由于2個(gè)DAC采用相同的觸發(fā)信號(hào)，因此每個(gè)DAC的輸出波形相互同步，以便保持相應(yīng)正弦／余弦關(guān)系的正交信號(hào)

1 .1 .2 產(chǎn)生波形特性的基本計(jì)算

而幅值的控制有2種方法，可以在RAM中放入幅值不同的正弦波波表，單片機(jī)檢測(cè)外部鍵盤，選擇對(duì)應(yīng)的波表進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以達(dá)到改變輸出幅度；還可以在外加可控的放大電路[3]。

1 .1 .3 方案的具體實(shí)現(xiàn)

MSP430單片機(jī)部分:內(nèi)部按照DMA設(shè)置流程進(jìn)行軟件配置；外部通過單片機(jī)響應(yīng)按鍵改變頻率控制字 與定時(shí)器計(jì)數(shù)值X。從而改變輸出正交波形的頻率。程序框圖如圖1所示。

圖1 改變頻率的程序框圖Fig.1 Block diagram of changing the frequency

硬件部分：采用2階Butterworth低通濾波器實(shí)現(xiàn)。如圖2所示。

圖2 低通濾波器硬件原理圖Fig.2 Low-pass filter hardware schematics

在示波器上的觀測(cè)圖如圖3所示。

圖3 示波器觀測(cè)圖Fig.3 Observing figure on oscilloscope

1 .1 .4 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

據(jù)實(shí)際測(cè)試效果看，該方案能準(zhǔn)確產(chǎn)生5 Hz～20 kHz的正交信號(hào)，有非常好的正交性與頻率穩(wěn)定性。但當(dāng)頻率控制字較大，失真度較大；當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)值較小，定時(shí)時(shí)間不精準(zhǔn)，產(chǎn)生波形大于10 kHz時(shí)，波形頻率隨頻率控制字呈非線性增長，最大正弦波頻率為28 kHz。改變幅值的2種方案中均有較好的效果，無明顯失真。

1.2 FPGA直接數(shù)字式頻率合成器

1 .2 .1 合成正交波形的基本原理

直接數(shù)字式頻率合成器的基本原理是從相位的概念合成波形，方便控制產(chǎn)生波形的頻率，相位。采用ROM存儲(chǔ)量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率求出頻率控制字K為步進(jìn)對(duì)相位累加器進(jìn)行累加，ROM根據(jù)不同的地址取出不同的數(shù)據(jù)送DAC轉(zhuǎn)換,再經(jīng)濾波即可得到所要的波形。該方案由4個(gè)部分組成：相位累加器，波形存儲(chǔ)器，DA轉(zhuǎn)換器，低通濾波器，如圖4

圖4 直接數(shù)字式頻率合成器原理圖Fig.4 Direct digital frequency synthesizer schematics

相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加，用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址，可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。將波形存儲(chǔ)器輸出到DAC，再經(jīng)低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)頻譜純凈的正弦波信號(hào)[4]。

1 .2 .2 產(chǎn)生波形特性的基本計(jì)算

1 .2 .3 方案的具體實(shí)現(xiàn)

數(shù)字合成受限于時(shí)鐘頻率及DAC速度，F(xiàn)PGA選擇EP2T144C8,DAC選擇高速率的DAC900。波形存儲(chǔ)器分別存放相位正交的正弦波數(shù)據(jù)，系統(tǒng)用同一個(gè)時(shí)鐘。硬件實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 FPGA硬件設(shè)計(jì)圖Fig.5 FPGA hardware design figure

1 .2 .4 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

FPGA的直接數(shù)字頻率合成器技術(shù)具有較高的頻率分辨率，可實(shí)現(xiàn)快速的頻率切換，并在頻率改變時(shí)能夠保持相位的連續(xù)，易實(shí)現(xiàn)頻率，相位的數(shù)控調(diào)制。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，其產(chǎn)生頻率范圍為0～20 MHz,高頻正交性較好，低頻波形較穩(wěn)定，但幅度控制較麻煩。利用FPGA的高速優(yōu)勢(shì)（進(jìn)行PLL鎖相環(huán)倍頻）設(shè)計(jì)出超高頻率的正交信號(hào)，且FPGA內(nèi)部門邏輯實(shí)現(xiàn)是同時(shí)執(zhí)行的，固在隨頻率的改變?nèi)阅鼙３?路波形嚴(yán)格正交，頻率范圍較單片機(jī)要高。

1.3 DDS集成芯片AD9851合成

1 .3 .1 合成正交波形的基本原理

DDS集成芯片AD9851產(chǎn)生正弦波的原理即是直接數(shù)字頻率合成器技術(shù)，在此不在累述。但AD9851只能輸出2路反向的正弦波，因而，我們必須采用同步合成技術(shù)。參照其數(shù)據(jù)手冊(cè)，在2塊AD9851的參考時(shí)鐘中間的相位差達(dá)到最低限度時(shí)，利用軟件控制加硬件電路就可以實(shí)現(xiàn)其輸出波形正交。由于參考時(shí)鐘之間的任何相位差都會(huì)在AD9851輸出端產(chǎn)生與之成比例的相位差，所以在PCB布局時(shí)要合理分配參考時(shí)鐘以保證參考時(shí)鐘沿的一致性。

1 .3 .2 產(chǎn)生波形特性的基本計(jì)算

在一個(gè)reset命令發(fā)出后，W_CLK允許獨(dú)立的編程每個(gè)AD9851 40位輸入寄存器，通過8位數(shù)據(jù)總線或串行輸入引腳。FQ_UD脈沖發(fā)出后結(jié)果是完成這兩個(gè)振蕩器輸出程序指定的頻率和相位。AD9851系統(tǒng)時(shí)鐘和調(diào)諧字輸出頻率之間的關(guān)系表示：

ΔPhase=十進(jìn)制值的32位頻率調(diào)諧字。

系統(tǒng)時(shí)鐘=直接輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘或6倍頻的輸入時(shí)鐘（如果6×REFCLK乘法器啟動(dòng)）。

通過單片機(jī)檢測(cè)外部按鍵的狀態(tài)，再改變其頻率調(diào)諧字來控制頻率改變，但幅度的控制只能通過外部的可變?cè)鲆娣糯罅?，但由于波形的頻率較大，所需的運(yùn)放也要求是高速的，其正交性易受影響，固幅度控制在此方案中較難實(shí)現(xiàn)。

1 .3 .3 方案的具體實(shí)現(xiàn)

同步2塊AD9851程序框圖如圖6所示。

圖6 同步2塊AD9851程序框圖Fig.6 Sync two AD9851 Block Diagram

1 .3 .4 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

本方案實(shí)現(xiàn)相對(duì)較簡單，其在0～20 MHz就有較好的輸出波形，在20～40 MHz頻率穩(wěn)定性不高，雜波成分較多。在100 Hz～10 MHz具有非常好的正交性，但大于30 MHz的2路波形的相位差為（75°～100°），且頻率穩(wěn)定度不高，波形出現(xiàn)晃動(dòng)。幅度調(diào)節(jié)難以控制。

1.4 RC-CR相移網(wǎng)絡(luò)法

1 .4 .1 合成正交波形的基本原理

RC-CR相移網(wǎng)絡(luò)法是一種傳統(tǒng)的合成正交信號(hào)的方法。其基本的電路結(jié)構(gòu)如圖所示，其基本原理是通過一個(gè)最基本的高通濾波器與低通濾波器及RC-CR來實(shí)現(xiàn)其2路輸出相位差為90度，雖然電路非常簡單，但濾波器的通頻帶非常窄[6]。

1 .4 .2 產(chǎn)生波形特性的基本計(jì)算

1 .4 .3 方案的具體實(shí)現(xiàn)

該方案采用單端信號(hào)輸入，分別經(jīng)過RC與CR相移網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)2路正交信號(hào)輸出。RC-CR相移電路圖如圖7所示。

圖7 RC-CR相移電路圖Fig.7 RC-CR phase shift circuit

1 .4 .4 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

在低頻點(diǎn)具有較好的正交性，高頻時(shí)易受發(fā)布參數(shù)的影響，正交性不好，且整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍非常窄，由于波形來自于同一個(gè)輸入，固幅度控制較簡單。波形的好壞還受輸入的單端信號(hào)的質(zhì)量影響。

2 各方案的對(duì)比

各方案的對(duì)比如表1所示。

表1 各方案的對(duì)比Tab.1 Comparison of various programs

3 結(jié)論

通過正交信號(hào)產(chǎn)生方法及特性比較的研究與比較，可以得出：正交調(diào)制技術(shù)中，我們的最佳方案是FPGA直接數(shù)字式頻率合成器，因?yàn)樵摲桨府a(chǎn)生波形穩(wěn)定，且相位可調(diào)的，符合調(diào)制技術(shù)的要求；而在傳感器頻率特性測(cè)試中，我們應(yīng)該選擇RC-CR相移網(wǎng)絡(luò)法，因?yàn)樵摲椒墚a(chǎn)生低頻精準(zhǔn)信號(hào)，且方法簡單。在其他的場(chǎng)合，可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的要求，選擇最符合設(shè)計(jì)要求的方案，從而達(dá)到方案最優(yōu)，花費(fèi)最少，效果最好的工程設(shè)計(jì)目的。

[1]張俊謨.單片機(jī)中級(jí)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]Texas Instruments.Mike Mitchell.微控制器無需CPU即可生成同步正弦波與余弦波 [EB/OL].[2004].http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=35657

[3]全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)組委會(huì).全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品精選[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

[4]江國強(qiáng).EDA技術(shù)與應(yīng)用.[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5]郝小紅.基于FPGA的正交信號(hào)發(fā)生器[J].自動(dòng)測(cè)量與控制,2008,27(5):77-78.

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[6]劉國越，梅一珉.一種壓控型正交信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].浙江工業(yè)大學(xué)報(bào),2011,39(1):102-103.

LIU Guo-yue.MEI Yi-min.A voltage controlled quadrature signal generator design[J].Zhejiang University of Technology,2011，39(1):102-103.

[7]康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

Quadrature signal generation method based on comparison

CHEN Liang-ming,YANG Kun
(Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

To the problem that different applications require different characteristic orthogonal signal problem,this article,using comparative and listed methods and passing through the specific circuit design,production,testing,analysis,comparison,obtained four typical methods that produce orthogonal signal and their respective advantages and shortcomings.Producing orthogonal signal has four kinds of typical designs:Single-chip digital synthesis,FPGA direct digital frequency synthesizer method,DDS chip AD9851 synthesis,RC-CR phase shift network method.This article introduces the specific principles of these methods and makes a detailed comparison in the amplitude adjustment,the range of adjusting frequency,orthogonality and so on to select the appropriate design fitting different designs.

quadrature signal;SCM;FPGA;phase;amplitude

TN98

A

1674-6236（2014）13-0171-04

2013-10-17 稿件編號(hào)：201310108

陳亮名（1993—），男，湖南邵陽人。研究方向：自動(dòng)化。