基于FPGA的多路相干DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)

摘要：傳統(tǒng)的多路同步信號(hào)源常采用單片機(jī)搭載多片專(zhuān)用DDS芯片配合實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且在要求各路同步相干可控時(shí)難以實(shí)現(xiàn)。本文在介紹了DDS原理的基礎(chǔ)上，給出了用Verilog_HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)相干多路DDS的工作原理、設(shè)計(jì)思路、電路結(jié)構(gòu)。利用Modelsim仿真驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性，本設(shè)計(jì)具有調(diào)相方便，相位連續(xù)，頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：DDS;現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA);相位累加器;Verilog_HDL

實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的多路同步輸出且各路間擁有固定的相位關(guān)系，在雷達(dá)、通信等多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)此功能，大多數(shù)設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)控制多個(gè)專(zhuān)用DDS芯片，實(shí)現(xiàn)多信號(hào)同步輸出，如圖1所示。但腱由于采用分立的專(zhuān)用DDS芯片，各芯片參數(shù)很難做到完全相同，參數(shù)的差異會(huì)造成輸出信號(hào)頻率和相位不同。因此，盡管各DDS芯片采用同一頻率字，各個(gè)輸出信號(hào)頻率也難以完全相同。同樣，由于參數(shù)的不一致，波形之間的相位也難以做到同步準(zhǔn)確可調(diào)，更重要的是各個(gè)信號(hào)通道間頻率差異的累積效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致同步失敗。由于這些原因，要實(shí)現(xiàn)多路同步輸出且各路信號(hào)間成相干關(guān)系必須采用另外的系統(tǒng)。本文給出了一種基于FPGA的3路相干信號(hào)源設(shè)計(jì)方案。

1 DDS基本原理

DDS(Direct Digital Synthesizer)的實(shí)質(zhì)足對(duì)相位進(jìn)行可控等問(wèn)隔的采樣。一個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器是由：相位累加器、正弦查找表(波形Rom表)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及模擬低通濾波器(LPF)組成，原理框圖如圖2所示。

DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器。相位累加器在參考時(shí)鐘信號(hào)的控制下產(chǎn)生讀取Rom表數(shù)據(jù)的地址值，隨后通過(guò)查表變換，讀出相應(yīng)地址的信號(hào)波形的數(shù)字幅度值序列，再由數(shù)模變換器將代表波形幅度的數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為模擬電平，最后經(jīng)由低通濾波器濾除高頻分量使波形平滑。

2 基于FPGA的3路同步輸出DDS工作原理

3路同步相干DDS信號(hào)源工作原理如圖3所示。

所有的部分都在統(tǒng)一時(shí)鐘的控制下保證了各路信號(hào)的同步輸出;各頻率輸入為同一控制字，使得各信號(hào)間有很好的同頻性;不同的相位輸入決定了各路間固定的相位差，滿足了相干性要求。在FPGA里面做到的是D/A轉(zhuǎn)換器之前的部分。3路信號(hào)結(jié)構(gòu)相同，每一路的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 電路總體接口

本系統(tǒng)采用Verilog語(yǔ)言編程，綜合工具為Quartusii，仿真工具為Modelsim。

電路接口有clk，rst_n，K1，K2，K<3，phase1，phase2，phase3，d_out1，d_out2，d_out3，其中clk為系統(tǒng)時(shí)鐘，rst_n為復(fù)位信號(hào)低電平異步復(fù)位，K1，K2，K3為頻率控制字輸入(本系統(tǒng)為同一輸入)，phase1，phase2，phase3為3路相位輸入，d_out1，d_out2，d_out3為3路輸出。

3.2 源程序代碼代碼

頂層模塊代碼如下所示，

頂層模塊的RTL Viewer如圖5所示。

相位累加器模塊代碼如下所示。

波形ROM表利用Quartus ii軟件的插件管理程序Megawizard plug-in manager獲得，對(duì)于波形數(shù)據(jù)mif文件的獲得這里使用了專(zhuān)用軟件Guagle_Wave。

4 仿真與分析

仿真測(cè)試文件代碼如下。

3路相干輸出DDS的仿真結(jié)果如圖6所示。途中豎線為相位跳變處，從此之后各路信號(hào)保持了良好的相干性，由此可見(jiàn)滿足了設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)只需改變各路的相位控制字就可實(shí)現(xiàn)各路之間的相位調(diào)整。本設(shè)計(jì)運(yùn)用Vefilog語(yǔ)言結(jié)合DDS原理和FPGA器件，實(shí)現(xiàn)了多路相干信號(hào)源設(shè)計(jì)，相位連續(xù)可調(diào)，且易于調(diào)節(jié)。