數(shù)字頻率合成器的FPGA實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了DDFS的原理和Altera公司的FPGA器件ACEX 1K的主要特點(diǎn)，給出了用ACEX 1K系列器件EP1K10TC144－1實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率合成器的工作原理、設(shè)計(jì)思路、電路結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：DDFS；FPGA；快速通道互連；仿真
１ 概述
１９７１年，美國(guó)學(xué)者Ｊ．Ｔｉｅｒｎｃｙ，Ｃ．Ｍ．Ｒａｄｅｒ和Ｂ．Ｇｏｌｄ提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成方法。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平，它的性能指標(biāo)尚不能與已有技術(shù)相比，故未受到重視。近３０年間，隨著集成電路技術(shù)和器件水平的提高，一種新的頻率合成技術(shù)——直接數(shù)字頻率合成（ＤＤＦＳ）得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展?現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列?ＦＰＧＡ?器件得到了飛速發(fā)展。由于該器件具有工作速度快，集成度高和現(xiàn)場(chǎng)可編程等優(yōu)點(diǎn)，因而在數(shù)字信號(hào)處理中得到了廣泛應(yīng)用，越來(lái)越受到硬件電路設(shè)計(jì)工程師們的青睞。直接數(shù)字頻率合成（ＤＤＦＳ）技術(shù)以其具有頻率分辨率高，頻率變換速度快，相位可連續(xù)線性變化等特點(diǎn)，而在數(shù)字通信系統(tǒng)中被廣泛采用。本文基于ＤＤＦＳ的基本原理，給出了利用ＡＬ-ＴＥＲＡ公司的ＦＰＧＡ芯片（ＡＣＥＸ １Ｋ系列ＥＰ１Ｋ１０ＴＣ１４４－１器件）完成ＤＤＦＳ系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體方法。
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ＡＣＥＸ １Ｋ系列器件是Ａｌｔｅｒａ公司著眼于通信（如Ｘｄｓｌ?路由器等）、音頻處理及類似場(chǎng)合的應(yīng)用而推出的新型芯片系列。ＡＣＥＸ １Ｋ系列器件具有以下特性：
（１）采用查找表（ＬＵＴ）和ＥＡＢ相結(jié)合的結(jié)構(gòu)模式，可提供高效低功耗的優(yōu)良性能。因?yàn)椋蹋眨越Y(jié)構(gòu)適用于實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)通道、增強(qiáng)型寄存器、數(shù)學(xué)運(yùn)算及數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)，而ＥＡＢ結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能和存儲(chǔ)器功能。
（２） 密度高，典型門數(shù)為１萬(wàn)到１０萬(wàn)門，有多達(dá)４９１５２位的ＲＡＭ（每個(gè)ＥＡＢ有４０９６個(gè)ＲＡＭ）。
（３）系統(tǒng)內(nèi)核采用２．５Ｖ電壓，Ｉ／Ｏ腳可支持２．５Ｖ／３．５Ｖ／５．０Ｖ多電壓標(biāo)準(zhǔn)；器件功耗低；具有高達(dá)２５０ＭＨｚ的雙向Ｉ／Ｏ功能；完全支持３３ＭＨｚ的ＰＣＩ總線標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)置ＪＴＡＧ邊界掃描電路；不需測(cè)試矢量和掃描鏈即可對(duì)所有器件進(jìn)行１００％的功能測(cè)試。
?４?具有快速連續(xù)式延時(shí)可預(yù)測(cè)的快速通道互連（ＦＡＳＴ ＴＲＡＣＫ）；能實(shí)現(xiàn)快速加法器、計(jì)數(shù)器和比較器等算術(shù)運(yùn)算功能；具有專用鏈和實(shí)現(xiàn)高速多扇入邏輯功能的專用級(jí)鏈；具有能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三態(tài)總線的三態(tài)仿真；具有多達(dá)６個(gè)全局時(shí)鐘信號(hào)和４個(gè)全局清除信號(hào)。
（５）每個(gè)引腳都有獨(dú)特的三態(tài)輸出使能控制；可編程輸出的壓擺率控制可以減少電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的噪聲；引腳與引腳間具有用戶可選的鉗位電路；支持熱插拔操作。
２ ＤＤＦＳ基本原理
ＤＤＦＳ技術(shù)是一種可把一系列數(shù)字量形式信號(hào)通過(guò)ＤＡＣ轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號(hào)的合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種ＤＤＦＳ方式是利用高速存儲(chǔ)器作查尋表，然后通過(guò)高速ＤＡＣ產(chǎn)生已用數(shù)字形式存入的正弦波。圖１是ＤＤＦＳ的基本原理圖。
２．１ 相位累加器
相位累加器由Ｎ位加法器與Ｎ位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。時(shí)鐘脈沖每觸發(fā)一次，加法器便將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，然后把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下將進(jìn)行線性相位累加，相位累加器累加滿量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，以完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是ＤＤＦＳ合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期，累加器的溢出頻率就是ＤＤＦＳ輸出的信號(hào)頻率。
２．２ 相位－幅值轉(zhuǎn)換
用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為取樣地址來(lái)對(duì)正弦波波形存儲(chǔ)器進(jìn)行相位－幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形幅值。
２．３ 數(shù)模轉(zhuǎn)換
通過(guò)ＤＡＣ可將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求的合成頻率模擬量形式信號(hào)，低通濾波器用于衰減和濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。
對(duì)于計(jì)數(shù)容量為２Ｎ的相位累加器和具有Ｍ個(gè)相位取樣的正弦波波形存儲(chǔ)器，若頻率控制字為Ｋ，則ＤＤＳ系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為：ｆｏ＝ｆｃ×Ｋ／２Ｎ，而
頻率分辨率則為：Δｆ＝ｆｏｍｉｎ＝ｆｃ／２Ｎ。３ 基于ＦＰＧＡ的ＤＤＦＳ結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖２是利用ＤＤＦＳ原理設(shè)計(jì)的一個(gè)信號(hào)源發(fā)生器的結(jié)構(gòu)框圖。圖中，ＦＰＧＡ用來(lái)控制輸出波形的頻率、相位和波形的選擇。波形數(shù)據(jù)的存放有兩種形式，一種是將固定波形數(shù)據(jù)存放在ＥＥＰＲＯＭ里，主要有正弦波，三角波，鋸齒波?包括半正弦波，半三角波，半鋸齒波?數(shù)據(jù)。而對(duì)于特殊的波形，則通過(guò)上位機(jī)下載到ＲＡＭ里，然后從ＲＡＭ里讀取數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)在工作時(shí)，首先由上位機(jī)把控制命令和數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)ＵＳＢ接口用ＡＴ９６總線傳給ＦＰＧＡ。如果是固定波形，就從ＥＥＰＲＯＭ中讀取數(shù)據(jù)，否則就從ＲＡＭ中讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送給ＦＰＧＡ后即可等待觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)由時(shí)基卡或軟件給出。觸發(fā)信號(hào)到來(lái)之后，就開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)并輸出波形。同時(shí)由ＦＰＧＡ給上位機(jī)一個(gè)狀態(tài)位，該狀態(tài)位可用于表示發(fā)送波形是正在發(fā)送，還是已經(jīng)發(fā)送結(jié)束了。
信號(hào)源的輸出頻率范圍分為如下幾檔：０．００１Ｈｚ～１Ｈｚ? １Ｈｚ～１０Ｈｚ? １０Ｈｚ～１００Ｈｚ；１００Ｈｚ～２００Ｈｚ，步進(jìn)為１／１０００。之所以分檔控制，是為了保證輸出波形頻率具有更高的精度，在輸出波形頻率較低時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)不抽點(diǎn)，頻率較高時(shí)應(yīng)進(jìn)行抽點(diǎn)。要達(dá)到較高的頻率精度，必須利用數(shù)字頻率合成器（ＤＤＦＳ）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形頻率的控制?并按頻率要求對(duì)相位增量進(jìn)行累加，然后以累加相位值作為地址碼來(lái)讀取存放在存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)。通過(guò)改變相位增量寄存器的增量值（即步長(zhǎng)），使相位累加器能夠輸出依據(jù)相位增量寄存器所給出的步長(zhǎng)來(lái)改變波形存儲(chǔ)器的地址，從而改變波形每周期的點(diǎn)數(shù)，從而達(dá)到改變輸出波形頻率的目的。該電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于用硬件構(gòu)造一個(gè)多位累加器來(lái)實(shí)現(xiàn)相位的累加。
根據(jù)ＤＤＦＳ的原理，輸出信號(hào)頻率ｆｏ與累加器時(shí)鐘ｆｃｌｋ、累加器位數(shù)Ｍ、相位增量Ｎ的關(guān)系如下：
ｆｏ＝（ｆｃｌｋ×Ｎ）／２Ｍ
根據(jù)以上原理，結(jié)合實(shí)際情況可得到的各項(xiàng)參數(shù)（這里采用３２．７６８ＭＨｚ＝１０００×２１５的晶振頻率）。為了保證所需的精度以及輸出波形頻率的步進(jìn)。這里選Ｍ＝２７。由于Ｄ／Ａ的最大轉(zhuǎn)換速度為１ＭＨｚ，波形每個(gè)周期的樣點(diǎn)數(shù)是１２８ｋ，因此當(dāng)輸出波形的頻率大于８Ｈｚ時(shí)，一般就需要進(jìn)行抽樣。
圖3
對(duì)于ＲＡＭ和ＥＥＰＲＯＭ的尋址可通過(guò)以下兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：
（１）基于ＥＥＰＲＯＭ的尋址方式
這種方式首先用累加器實(shí)現(xiàn)地址的尋址，然后通過(guò)改變累加器的第２４位和第２５位（Ａ１５和Ａ１６）的所賦初值來(lái)改變發(fā)送波形的初始相位。
由于發(fā)送波形的結(jié)束時(shí)刻可通過(guò)一個(gè)減法計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且波形周期寄存器里寄存的是Ｔ／４的個(gè)數(shù)。因此，可根據(jù)所需發(fā)送的波形周期的個(gè)數(shù)來(lái)給計(jì)數(shù)器賦初值，并在減到０時(shí)使累加器復(fù)位，從而停止尋址。此時(shí)時(shí)鐘應(yīng)接Ａ１４。
ＥＥＰＲＯＭ里面可以存放４種波形，每一種波形的數(shù)據(jù)是６４ｋＢ。波形的選擇可通過(guò)給Ａ１７和Ａ１８賦初值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（２）對(duì)ＲＡＭ的尋址方式
ＲＡＭ共有１ＭＢ的容量，因此，可尋址２０位的地址。對(duì)于ＲＡＭ里面的波形，只需要控制樣點(diǎn)頻率和發(fā)送波形的結(jié)束時(shí)刻即可。
結(jié)束時(shí)刻的實(shí)現(xiàn)主要是將結(jié)束時(shí)刻值存放到寄存器中，然后把計(jì)數(shù)器的輸出和寄存器的值進(jìn)行比較，若兩者相等就給計(jì)數(shù)器發(fā)送復(fù)位信號(hào)以停止計(jì)數(shù)，以結(jié)束發(fā)送波形。
這里的計(jì)數(shù)器是加１計(jì)數(shù)，因而可通過(guò)改變分頻器的值來(lái)改變計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，從而引起讀取樣點(diǎn)頻率的改變。
圖4
４ 電路仿真
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得到頂層電路結(jié)構(gòu)。整個(gè)電路設(shè)計(jì)可采用Ｖｅｒｉｌｏｇ語(yǔ)言和原理圖輸入相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)。圖３和圖４分別給出了對(duì)ＲＡＭ和ＥＥＰＲＯＭ進(jìn)行尋址的仿真結(jié)果。５ 結(jié)論
ＤＤＦＳ是現(xiàn)今一種重要的頻率合成手段，高速集成電路的發(fā)展進(jìn)一步改善了ＤＤＦＳ的性能，它與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合組成的各種混合設(shè)計(jì)方案將頻率源的性能提高到了一個(gè)新的水平，因此，未來(lái)的ＤＤＦＳ不僅可應(yīng)用于需要使用信號(hào)源的傳統(tǒng)領(lǐng)域，而且也必將開(kāi)拓出許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。
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