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DDS/FPGA在信号产生系统中的应用
邵正途，高玉良
（空军雷达学院湖南 武汉430010）
摘 要：充分利用现代最新发展的大规模集成电路技术和数字处理技术 ，基于DDS芯片AD9857的自身资源特点，使之与FPGA芯片EP20K100E相结合，设计开发了一种信号产生系统，具有操作简单、可编程、信号指标良好等突出优点。
关键词：DDS；FPGA；信号产生；数字正交调制
1引言
随着当代数字电路和微电子电路的飞速发展，现代通信、电子测量、雷达等技术 领域对频 率范围宽、分辨率高、频率转换时间短、模式多样化的信号源的要求越来越高。近年来发展 很快的直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis,DDS）技术逐渐体现出其具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率很高、输出相位连续、任意波形输出能力、 数字调制功能、可编程及全数字化结构便于集成等优越性能。
本文介绍一种采用DDS与FPGA( Field Programmable Gate Array)相结合的新型信号产生系统的设计方法, 构建了一个通用的完全可编程控制的基本硬件平台, 通过软件加载来实现各种信号，构成灵活可变的多频段 、多模式的信号产生系统。因为波形合成采用了DDS技术,大大简化了系统结构,降低了成本, 提高了系统的性能和可靠性。该系统通过编程产生所需要的信号，可以产生单频信号、线性 调频信号、非线性调频信号、脉内相位编码脉冲信号、QPSK，BPSK，AM，QAM，FSK等信号。
通过编程实现线性调频斜率和带宽的变化，可实现多种非线性调频信号和多种相位编码脉冲 信号。输出信号的幅度、相位、频率经过键盘可灵活改变，且操作方便。
2信号产生系统方案设计
基于DDS芯片AD9857和FPGA的任意信号产生系统的设计结构框图如图1所示。
2.1主要芯片概述
AD9857是美国AD公司新近推出的一种功能强大的高性能通用正交数字上变频器，内部集成半带滤波器、CIC滤波器、反SINC滤波器、高速的数模转换器，其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS。AD9857的主要技术特性包括：最高为200 MHz的内部时钟速度，并且集成了带有锁定指示器的4~20倍的时钟倍频，可以提供高精度的系统时钟；14 b的数据通道；80 dB窄带无杂散信号动态范围；4种可编程的、引脚可选的信号模式；单引脚节电功 能；具有FSK调制功能；反SINC功能，在DAC变换之前恢复出理想的信号包络；32 b的DDS ；8 b的输出增益控制；10 MHz串口，2线或3线SPI兼容；3.3 V电源工作，工作温度为-40 ～+85 ℃。
AD9857有3种工作模式以满足用户的不同需要，正交调制模式（默认）、单频输出模式、插值DAC模式。在正交调制模式下，DDS接受串口输入的频率控制字产生正交的本振信号到正交调制器，与基带I/Q信号相乘之后相加，产生正交调制信号，即完成了上变频的过程，最后通过14位的数模转换器变成模拟信号输出；在单频输出模式下，DDS核心接受输入的频率控制字产生相应的频率信号；在插值DAC模式下，14位基带数据经过插值滤波，但不经过正交调制最后模拟输出。
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device,PLD）及其应用是20世纪70年代 诞生的一门新兴技术，PLD具有集成度高、可靠性强、可重复编程等特点。PLD器件包括PROM、GAL、EPLD、ispLSI和FPGA，其中FPGA编程灵活，他的I/O引脚多达几百条，1片FPGA就可以实现逻辑功能十分复杂的逻辑部件或者一个小型数字系统。本文介绍的系统选用的是ALTERA公司的EP20K100E器件，主要完成地址控制和并串变换2个主要功能。
2.2系统各部分功能及工作原理
图1中虚线框中的部分分别为AD9857的内部结构和FPGA应用于信号产生系统的部分，其中单 片机的功能主要是控制信号的输入，键盘的写入，LED的显示。在每次加电时都要通过单片机初始化，将写好的控制程序加载在信号产生系统上，然后把从键盘上输入的数据送到中央处理芯片，信号通过低通滤波器输出的同时，LED数码管显示信号的种类、 频率值、幅度值等信号参数。
对AD9857编程控制的同时，对EPROM注入不同的基带数据，可实现各种调制形式信号的输出，各种功能均由软件模拟实现。由控制平台选择所需的调制方式、所在载频、脉宽，将指令送给单片机，单片机分析之后将指令传送给FPGA，FPGA的内部完成地址控制和并串变换两大功能，对AD9857进行初始化设置的同时，通过串口将AD9857的频率控制字送入AD9857产生载频，产生调制信号时则同时接受相应的命令对EPROM进行快速寻址，产生串行 的I/Q两路基带数据，经过AD9857内部串并变换之后形成两路并行I/Q两路基带数据流，经过半带滤波器、插值滤波器进行过采样，提高了数据流的速率到与AD9857的系统时钟同步，同时根据软件设置的频率控制字，正交调制到设定的载频上，然后由内置的高速D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，最后通过低通滤波器滤波输出。
3信号产生方法
本系统主要应用AD9857的单频模式和正交调制模式完成最终信号的产生，不同的模式产生不同的信号形式，即单频信号的产生运用单频模式，线性调频、非线性调频 信号、脉内相位编码脉冲信号、QPSK， BPSK，AM，QAM，FSK等信号运用正交调制模式产生。
3.1单频信号的实现
要产生不同频率的单频信号，利用AD9857的Singletone（单频）模式是很容易实现的，而且能产生精确的频率。首先，根据用户要求输出的频率计算出相应的频率控制字，其中频率控制字（FTWORD）由fC=(FTWORD*SYSCLK)/232计算得到。例如，当系统时钟SYSCLK为150 MHz，需要输出载频为50 MHz时，根据上式计算得FTWORD=55555555H ，这样将频率控制字55555555H通过单片机的串行口送入AD9857内部寄存器02H~05H（组1），当AD9857管脚PDCLK/CLK有上跳沿的脉冲时就可以送入AD9857内部的DDS核心进行频率合成 ，在单片机与AD9857进行串行通讯时，采用的是串行口同步模式，时序如图2所示，便可以得到输出频率为50 MHz的单频信号了。
3.2线性调频和非线性调频等调制形式信号的实现
线性调频和非线性调频等调制形式信号的产生，可以通过AD9857的Quadrature Modul a tor(正交调制)模式来实现。AD9857内部有4组FTW寄存器，可以根据需要，将常用的4 种频率控制字放入寄存器，可以通过PS1和PS0信号引脚来进行频率字寄存器的选择，然后通过对并行数据口数据的更新，来进行具体的频率字的调节。并行数据传输接口，提供IQ两路的数据输入通道，2路数据的更新时钟，由系统时钟SYSCLK/N得到，并且应该是2倍的IQ数据组合时钟，而需要的数据根据应用由EPROM产生。IQ两序列的14位并行数据D<13∶0 >与AD9857管脚PDCLK，TxENABLE控制信号的时序关系如图3所示。
I/Q两路基带数据按地址存放于EPROM中，FPGA接受单片机的指令对其进行相应的地址寻址 ，使EPROM输出相应输出信号方式下的基带数据给AD9857，从低通滤波器出来的便是相应的调制模拟信号。下面简单介绍一下基带数据产生及处理方法。
当调制信号的带宽远小于调制、载波频率时，对任意已调信号都可以用：
来表示。其中幅度R(t)和相位θ(t)包含了基带信号的全部特征。展开上式得：
Q分量，ωc为相应的载频，也就是由AD9857串口产生的本振信号。
举例来说，要实现调频（FM）信号，调频是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的一种调制方式，单音调频信号的数学表达为：
从式（4）可以看出，实现FM信号时要对调制信号进行积分，然后分别取正余弦即可，这样实现FM信号时，只需令：
又如，我们要实现调幅（AM）信号，根据调幅信号表达式：
其中，vΩ为调制信号，mα为调制指数，范围为（0，1），实现正交调制时，只要令：
其余各种调制信号如相位编码脉冲信号、QPSK、BPSK等调制方式的I/Q基带数据分量都可根据相应表达式通过计算得到。
4结语
本文介绍了一种基于DDS芯片AD9857正交数字上变频器为核心，结合可编程逻辑器件FPGA 构 成的任意信号产生系统的硬件以及几种信号的具体产生方法。本系统采用外接20 MHz恒温晶振，通过系统内10倍频得到200 MHz的系统时钟，图4和图5分别为系统输出的中心频率30 MHz、带宽4 MHz的线性调频信号与中心频率10 MHz、带宽4 MHz的13位Barker码相位调制信号频谱，输出信号指标良好。本系统能得到中心频率在0~80 MHz的各种信号，通过测试：中心频率在50 MHz以下的信号杂散抑制能达到70 dB以上，中心频率在50~60 MHz的信号 杂散能达到65 dB，而中心频率在60 MHz以上的信号杂散抑制则小于50dB。
系统结合FPGA的 高速运算能力和DDS芯片丰富的内部资源及输出频率精度高，频率范围大等突出特点，有效地实现了各种信号的产生，由于他们都是软件可编程器件，所以便于系统二次开发。随着人们对频率源要求的不断提高，由于DDS功能全面，操作简单，FPGA速度高，I/O引脚多，他们 的结合使用在信号产生中的前景将十分广阔。
参考文献
［1］AD9857 Data Sheet, Analog Devices Inc 2000.
［2］褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2002.
［3］杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.
来源:现代电子技术 |
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