探究關于FPGA的DDS設計方案

基于FPGA的DDS設計方案1 DDS技術(shù)簡介隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)逐漸不能滿足人們對于頻率轉(zhuǎn)換速度、頻率分辨率等方面的追求，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)應運而生。

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS） 是把一系列數(shù)據(jù)量形式的信號通過D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。DDS具有很多優(yōu)點，比如：頻率轉(zhuǎn)換快、頻率分辨率高、相位連續(xù)、低功耗、低成本與控制方便。

DDS技術(shù)滿足了人們對于速度穩(wěn)定性的需求，但是在一些控制較為復雜的系統(tǒng)中，DDS專用芯片不能很好的貼合要求。利用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)DDS具有很大的靈活性，基本能滿足現(xiàn)在通信系統(tǒng)的使用要求。

2 DDS結(jié)構(gòu)原理2.1 基本結(jié)構(gòu) DDS基本結(jié)構(gòu)框圖主要由參考頻率源、相位累加器、ROM查找表、DAC轉(zhuǎn)換器、低通濾波器等構(gòu)成。

相位累加器以一定的步長做累加， 而波形函數(shù)存儲在ROM查找表中， 將相位累加器輸出的相位值作為地址，尋找存儲在ROM查找表中的波形函數(shù)的幅度值，從而完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。其中，參考頻率源一般是一個晶體振蕩器，要求具有高穩(wěn)定性，用于DDS中各部件之間的同步。

2.2 基本原理

DDS Core結(jié)構(gòu)圖

上圖為DDS Core結(jié)構(gòu)圖，?θ是相位增量（對應圖1中的頻率控制字K），B?θ 為相位累加器的位數(shù)，clk是參考時鐘（對應圖1中的參考頻率源），A1、D1構(gòu)成積分器（相位累加器），θ（n）是相位累加器輸出的相位，Q1為量化器，用于將相位累加器位數(shù)與查找表地址之間的匹配，?（n）為查找表輸入地址，B?（n） 為查找表輸入地址位數(shù)，T1為查找表。

下面介紹DDS設計過程中常用到的公式，主要是輸出頻率公式及其變形。

輸出頻率

相位增量

頻率分辨率

相位累加器位數(shù)

3 基于FPGA的 DDS實現(xiàn)For example：

設計一個參考時鐘為100MHz，頻率分辨率要求能夠達到0.03Hz，輸出sin信號頻率為5.00000005MHz、查找表地址12位；

理論分析：

已知頻率分辨率?f與參考時鐘f_clk，帶入相位累加器位數(shù)公式計算

B?θ = 31.634318

由于位數(shù)為整數(shù)，取整數(shù)32，所以實際的頻率分辨率為

?f = 0.023283064365386962890625Hz

將其帶入相位增量公式計算，取整數(shù)

?θ = 21474836694.7483648≈21474836

相位累加器輸出32位，而查找表輸入地址為12位，取相位累加器高12位作為查找表輸入地址

3.1 利用RTL實現(xiàn)DDS使用matlab產(chǎn)生sin?（θ）數(shù)據(jù)，θ?［0，π］，點數(shù)為2^12=4096，并保存在FPGA的memory中。

wid = 12;

len = 2^wid;

amp = 10000;

t=0:2*pi/len:2*pi - 2*pi/len;

y = round（sin（t）*amp）;

plot（y）;

相位累加器就是一個積分器，很容易用FPGA實現(xiàn)。最終FPGA仿真結(jié)果如下，clk為參考時鐘，phase為相位累加器輸出，addr為查找表地址，cos_i、sin_q為信號輸出。

3.2 利用Xlinx DDS IP實現(xiàn)上述已經(jīng)對DDS理論進行了詳細概述，利用Xlinx DDS IP實現(xiàn)上述例子相對容易的多，只需要填入對應的參數(shù)信息。

需要注意的是，輸入相位端口S_AXIS_PHASE與輸出信號端口M_AXIS_DATA的格式，通過設計界面的Information查看，CHAN_0_POFF為初始相位，沒有特殊要求一般設置為0，CHAN_0_PINC為相位增量?θ。

4 DDS用途DDS用途非常廣泛，后續(xù)會利用Xlinx DDS IP設計一些有趣的信號，例如線性調(diào)頻信號、非重復掃描系統(tǒng)等。

編輯：jq