基于FPGA的高精度信號源的設計

摘要：為進行高精度信號源的設計，同時降低設計成本，以CyclONe II系列低端FPGA為核心，利用直接頻率合成技術，對正弦信號等數據進行1/4周期壓縮存儲到ROM中，在外部時鐘頻率為50 MHz，實現了正弦信號源的設計，同時，實現三角波、鋸齒波、矩形脈沖及2-ASK、2-PSK和2-FSK等數字調制信號，系統還具有掃頻、指定波形次數等功能。仿真結果表明，信號源精度高，頻率調整步進可達0.034 92 Hz，頻率范圍為0.034 92 Hz~9.375 MHz，制作成本低，功能豐富。

　　0 引言

　　近年來電子信息技術飛速發展，使得各領域對信號源的要求不斷提高，不但要求其頻率穩定度和準確度高，頻率改變方便，而且還要求可以產生任意波形，輸出不同幅度的信號等。DDFS技術是自上世紀70年代出現的一種新型的直接頻率合成技術。DDFS技術是在信號的采樣定理的基礎上提出來的，從“相位”的概念出發，進行頻率合成，不但可利用晶體振蕩的高頻率穩定度、高準確度，且頻率改變方便，轉換速度快，便于產生任意波形等，因此，DDFS技術是目前高精密度信號源的核心技術。

　　1 DDFS技術原理及相關參數計算

　　DDFS技術的原理：將對正弦信號(或其他信號)的采樣量化數據存入ROM存儲器中，在時鐘的控制下，依次或隔一定步進讀取ROM中的數據，再通過D／A轉換芯片轉換成模擬信號，進一步經后級的低通濾波器、功率放大電路等來實現頻率合成。其主要的組成部分包括相位累加器、數據存儲ROM表、D／A轉換、低通濾波器及功率放大電路等。

　　根據DDFS原理，DDFS主要參數包括正弦信號的采樣點數N，最高輸出頻率fomax，最低輸出頻率fomin及頻率分辨率△fo等。本設計要產生1 Hz～10 MHz范圍內，步進為1 Hz的正弦信號，參數計算如下：

1)輸出頻率通式fo ，N為采樣點個數，S為步進長度。

　　2)輸出最高頻率fomax ；根據奈奎斯特采樣定理，1個周期至少采樣兩個點才能保證原信號的頻率信息。而實現工程應用中一個周期至少采樣16個點或更多點，以保證輸出信號的質量。輸出最高頻率要達10 MHz，所需的系統時鐘信號頻率fc為160 MHz。由于本文使用的外接晶振為50 MHz，則必須使用CycloneII系列FPGA自帶的數字鎖相環(PLL)對輸入時鐘進行倍頻，以達到所需的時鐘頻率160 MHz。可取3倍頻到150 MHz。此時系統輸出的最高頻率為：fomax=150 MHz／16=9．375 MHz。雖然通過提高鎖相環的倍頻數，可進一步提高工作頻率，從而可以產生更高的輸出信號頻率，但由于在進行DDFS模塊設計時，其所能工作的最高頻率將制約著倍頻數。
　　3)輸出最低頻率fomin 要做到fc／N=1 Hz，則N=2n=150M，n=log2(150 M)=[27．16]=28。即ROM中的采樣數據為150M點，對應的尋址ROM的地址位數據長度為28位。

　　4)頻率分辨率△fo △fo=fc/2n，已知ROM的地址位至少為28位，本設計中取32位，這樣所得的fomin及△fo為150M／232=0．03492 Hz。

　　5)ROM數據1／4周期壓縮 ROM的尋址地址位長度為32位，即所需的ROM單元數將為232個。但ROM中并不需要存儲這么多數據點，因為數據重復量非常大，只需存入一定量的點即可。本設計中，根據正弦信號周期內的數據特點，對周期正弦信號的(0，π／2)區間進行1 024點的采樣，進行12位的量化并存入ROM。這相當于對(0，2π)區間進行了4 096個點的采樣，ROM數據量壓縮為1／4。此時，相位累加器輸出地址位相應修改為30位。這樣以來，在進行數據輸出時，對(π，2π)區間的數據要做取補的運算。因為在這個區間上正弦信號數據為負值。

　　6)ROM地址位長度 通過數據壓縮，ROM的地址只需10位，此時，只需要對相位累加器的30位地址位輸出值，取高10位用于ROM尋址即可。

　　7)步進位長度 步進最大應為232／24=228，即為28位的二進制數。