基于FGA的直接数字频率合成器的优化设计论文

2021-04-21 论文

　　摘要：介绍了DDS的基本工作原理，针对传统DDS存在的主要问题，提出了基于流水线结构的累加器和基于波形对称的ROM优化设计，并在开发软件Quartus II上仿真，验证了优化设计的正确性。不仅提高了系统的运算速度，而且也节省了硬件资源。

　　关键词:FPGA；DDS；流水线结构；仿真

　　1.引言

　　随着科技的飞速发展，对信号发生器的要求越来越高，传统分立式模拟电路来难满足。直接数字频率合成法（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDFS或DDS）具有频率稳定度高、分辨率高、切换时间短、相位变化连续、易于实现各种数字调制、集成度高等特点，能很好的满足各种需求。

　　因此，DDS技术在通信、雷达、电子对抗、仪器测试等领域都有广泛的应用。专用DDS芯片在控制方式、频率控制等方面不灵活，很多时候不能满足系统的要求，利用FPGA来设计符合自己需要的DDS系统就是一个很好的解决方法。

　　2.DDS的工作原理

　　DDS是利用数字相位累加产生线性变化的数字相位输出信号，通过波形数据查找表，获得对应于相位信号的数字化幅度信号，再通过数模转换器（DAC）获得模拟信号输出。一个基本的DDS系统由基准时钟fclk、相位累加器、相位/幅值查找表（ROM）、数模转换器（DAC）及低通滤波器（LPF）组成，如图1所示。

　　工作原理：预先在ROM中存入所需波形的幅度编码，每来一个时钟信号，N位的相位累加器将频率控制字K累加，同时累加器输出序列的高M位去寻址相位/幅值查找表，得到一系列离散的幅度编码（Y位）。该幅码经数模转换后得到模拟的阶梯电压，再经低通滤波器平滑后，就可得到所需要的波形信号。

　　DDS的输出信号频率fout=K·fclk/2N，频率分辨率为Δfout=foutmin/2N，实际最高输出频率取foutmax=fclk×40%，相对带宽为foutmax/foutmin=2N×40%。

　　3.DDS的优化设计

　　传统DDS结构的运算速度受相位累加器运算速率的限制，输出频率分辨率受相位/幅值查找表（ROM）存储容量的限制。大多数情况下频率控制字的位数都为20位以上，而传统DDS结构的相位累加器是采用一级式全加器和寄存器实现的。多位数的加法计算是由低到高串行进行的，这样会因为位数多而影响计算速度。传统DDS结构的相位/幅值查找表（ROM）是没有经过优化设计，而是直接将波形的采样数据放入ROM，这样会占用很大的空间，而硬件资源是有限的。

　　3.1 基于流水线结构的累加器设计

　　相位累加器是DDS的关键部件之一，它的运算速度直接影响DDS的运算速度。为了改进传统DDS结构因频率控制字位数多而带来的计算速度问题，采用DSP芯片设计中的流水线结构，并在每级流水线中设计了反馈电路，形成了累加流水线工作状态。将32位频率控制字的相位累加器采用4级流水线结构实现，每级8位，原理如图2所示。

　　32位流水线累加器共4级锁存，4级加法。第1级锁存用于存储并稳定32位输入数据，中间每一级8位加法器均搭配一级寄存器，这样可以减少毛刺。由流水线的原理可知，该累加器的'整体速度取决于8位加法器。这样整体计算速度比传统的速度就提高了3倍。

　　由于QUARTUSⅡ软件中提供了参数化的宏功能模块库（LPM），通过改变LPM中模块的某些参数，可以达到设计的要求，所以LPM是提高电路设计的一种有效方法。本设计中，相位累加器的各级加法器均调用参数化模块库中的LPM_ADD_SUB模块，形成四级流水线工作状态，并在每一级流水线中插入几个寄存器来提高系统的数据吞吐率。

　　3.2 ROM查找表的优化设计

　　根据波形的对称性，可以对采样波形数据的存储进行优化，以便节省ROM空间。以正弦波为例，在区间内其波形是关于π/2对称的，因此其区间内的波形可以通过对的波形关于π/2进行翻转得到；同理区间内的波形可以通过对的波形关于横轴翻转得到。所以实际上ROM只需要存储内的正弦函数值，通（下转第133页）（上接第108页）过适当控制即可实现输出一个完整周期的正弦函数值，从而大大减小存储器的大小。优化的ROM结构框图如图3所示。

　　首先将相位寄存器输出的高M位总地址分为3部分：最高位作为数据的符号位，实现对数据正负的转换，次高位作为地址的标志位，实现对ROM地址的转换。而剩下的低M—2位通过地址转换器后作为ROM地址位。如果将最高位和次高位合并起来看，它们实质上是构成一个象限选择器，其值从00至11分别代表第1、2、3、4象限。这样只需传统的DDS结构的1/4的存储空间。

　　用QUARTUSⅡ软件中提供了参数化的宏功能模块库（LPM）来设计，lpm_rom的波形存储表只需要产生数据文件*.mif，然后直接在定制lpm_rom时，添加数据文件即可，但这种方法在FPGA支持内部嵌入式阵列块（EAB）时才可以使用。mif文件是在编译和仿真过程中作为存储器（ROM）初始化输入的文件，有多种方式可以创建mif文件。

　　4.仿真验证

　　通过FPGA的开发软件Quartus II，将编译综合后的DDS设计文件用软件自带的仿真器进行仿真，仿真波形如图4所示，通过仿真波形验证了设计是正确的。利用Quartus II自带嵌入式逻辑分析仪Signal Tap II采集ROM输出的数据所形成的波形，如图5所示。从输出波形可以验证设计的正确性。

　　5.结束语

　　本文通过构建流水线结构的相位累加器和波形存储表ROM的优化设计，改善了DDS传统机构的所存在的两个主要问题。设计调用QUARTUSⅡ软件中提供了参数化的宏功能模块库（LPM），对设计过程进行了详细的描述，并仿真验证了优化设计的正确性。经实验测试，在QUARTUS II环境下选取同一种器件，采用优化后的DDS设计方法，不仅提高了工作频，而且大大节省了资源。

　　参考文献

　　刘凌，胡永生译.数字信号处理的FPGA实现.北京：清华大学出版社，2003，5.

　　陈风波，冒燕，李海鸿.基于FPGA的世界数字频率合成器设计.微计算机信息，2006，22（5）：197—199.

　　邹彦，庄严等.EDA技术与数字系统设计.北京：电子工业出版社，2007，4.

　　潘松，王国栋.VHDL实用教程.成都：电子科技大学出版社，2001，3.

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