基于FPGA的掃頻信號源的研究與設(shè)計(jì)

2.2 相位累加器的設(shè)計(jì)

相位累加器由加法器和寄存器構(gòu)成。加法器完成加法，寄存器將加法器的結(jié)果加以保存作為下一次相加用，周而復(fù)始直到加法器出現(xiàn)溢出。

在研究過程中，取相位累加器的輸出位數(shù)是32位，而對于“一次多位”的加法器來講，最長的延遲來自進(jìn)位的脈沖通過所有階段的時(shí)候。目前已經(jīng)采取了許多技術(shù)來縮短這一進(jìn)位延遲，由于在老一代FPGA中沒有提供內(nèi)部快速進(jìn)位邏輯，可以通過跳躍進(jìn)位、先行進(jìn)位和進(jìn)位選擇加法器來提高加法運(yùn)算的速度，但是在現(xiàn)代FPGA系列中都具有特別快的“脈沖進(jìn)位邏輯”，所以本設(shè)計(jì)采用進(jìn)位流水線技術(shù)，這樣不但提高了累加器的運(yùn)算速度，而且降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。流水線技術(shù)是將一個(gè)算術(shù)操作分解成一些基本操作以達(dá)到提高工作速度的一種技術(shù)，因此流水線加法器可以作為提高加法器速度的首選。本設(shè)計(jì)將32位累加器分成4條流水線，每條流水線完成8位的加法運(yùn)算，流水線的進(jìn)位進(jìn)行級聯(lián)。采用流水線結(jié)構(gòu)可以提高器件的運(yùn)算速度。

由于頻率控制字只在頻率控制字更新后的前4個(gè)周期變化，以后各個(gè)周期不再變化?；谶@種情況，可以對累加器進(jìn)行改進(jìn)，從而節(jié)省部分存儲(chǔ)器。改進(jìn)的流水線的結(jié)構(gòu)圖及在FPGA中綜合結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)頻率控制字開始變化時(shí)，DDS控制器發(fā)送控制信號Start，開始輸出控制信號，第一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來，將clk1置高，頻率控制字FSW的低8位寫入第一級流水線的寄存器，第二個(gè)時(shí)鐘上升沿到來，寫入FSW的次低8位，以此類推，第四個(gè)時(shí)鐘周期上升沿到來，完成數(shù)據(jù)輸入。在以后的周期內(nèi)，這些數(shù)據(jù)將保持不變，直至下一次數(shù)據(jù)刷新。所以，此流水線設(shè)計(jì)不僅提高了速度，而且相對減少了寄存器的數(shù)量。在EP2C20中實(shí)現(xiàn)累加器，采用流水線累加器與傳統(tǒng)的累加器速度和資源比較如表1所示。

仿真結(jié)果表明，采用進(jìn)位級聯(lián)的流水線技術(shù)，既能保證較高的資源利用率，又大幅度提高了系統(tǒng)性能和速度。

2.3 ROM壓縮算法

在設(shè)計(jì)中為節(jié)省ROM的空間，盡量節(jié)省芯片資源，通常累加器的寄存器輸出只有其高K位被用于頻率合成，其余的較低的N-K位則舍棄不用，這就是所謂的相位截?cái)?。在?shí)際應(yīng)用中，還希望進(jìn)一步節(jié)約ROM的占用，而ROM壓縮最簡單的方法是利用正弦信號的對稱性，利用一個(gè)象限的信號通過地址變換來表示全部的正弦信號。