摘要： 介紹了利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成（DDS）的原理、電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方法。重點介紹了DDS技術(shù)在FPGA中的實現(xiàn)方法，給出了采用ALTERA公司的ACEX系列FPGA芯片EP1K30TC進行直接數(shù)字頻率合成的VHDL源程序。

關(guān)鍵詞： 直接數(shù)字頻率合成（DDS）；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA ）；EP1K30TC-144

直接數(shù)字頻率合成（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒａｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎ-ｔｈｅｓｉｓ?即ＤＤＦＳ，一般簡稱ＤＤＳ）是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。它在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面已遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)。當(dāng)累加器的Ｎ很大時，最低輸出頻率可達Ｈｚ、ｍＨｚ?甚至μＨｚ。也就是說：ＤＤＳ的最低合成頻率接近于零頻。如果ｆｃ為５０ＭＨｚ, 那么當(dāng)Ｎ為４８位時，其分辨率可達１７９ｎＨｚ。轉(zhuǎn)換時間最快可達１０ｎｓ的量級，這都是傳統(tǒng)頻率合成所不能比擬的。但它的不足之處是最高工作頻率會受限、噪聲和雜波不夠理想。

本設(shè)計采用ＡＬＴＥＲＡ 公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰ１Ｋ３０ＴＣ－１４４來實現(xiàn)ＤＤＳ技術(shù)。ＥＰ１Ｋ３０芯片屬ＡＬＴＥＲＡ 公司的ＡＣＥＸ系列，該系列是ＡＬＴＥＲＡ公司著眼于通信、音頻處理及類似場合應(yīng)用而推出的ＦＰＧＡ器件系列芯片，它采用０．２２／０．１８微米混合工藝，密度從１００００門到１０００００門。所有ＡＣＥＸ系列器件均兼容６４ｂｉｔ、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ，并支持鎖相環(huán)電路。ＡＣＥＸ １Ｋ采用查找表（ＬＵＴ）和ＥＡＢ（嵌入式陣列塊）相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可用來實現(xiàn)存儲器、專用邏輯功能和通用邏輯功能，每個ＥＢＡ能提供４０９６比特的存儲空間，每個ＬＥ包含４個輸入ＬＵＴ、一個可編程的觸發(fā)器、進位鏈和一個層疊鏈。合理運用進位鏈能夠提高系統(tǒng)運行速度。

ＥＰ１Ｋ３０ＴＣ－１４４的最大系統(tǒng)門數(shù)為１１９０００，它有１７２８個邏輯宏單元數(shù)和５個嵌入式陣列塊，最大可提供２ｋＢ的ＲＯＭ／ＲＡＭ位，因而可完全滿足ＤＤＳ設(shè)計的要求。

１?。模模拥膶崿F(xiàn)過程

圖１為ＤＤＳ系統(tǒng)的基本原理圖，圖中的相位累加器由Ｎ位全加器和Ｎ位累加寄存器級聯(lián)而成，可對頻率控制字的２進制碼進行累加運算，是典型的反饋電路，產(chǎn)生的累加結(jié)果的高Ｍ位作為ＲＯＭ查找表的取樣地址值，而此查找表中儲存了一個周期的正弦波幅度值。顯然，此處存儲器ＲＯＭ可以看作一個從相位到正弦幅值的轉(zhuǎn)換器。這樣，用ＲＯＭ的輸出值來驅(qū)動ＤＡＣ，然后經(jīng)濾波即可轉(zhuǎn)換成所需要的模擬正弦波形；同時Ｎ位累加輸出又可作為全加器的下一輪數(shù)據(jù)與頻率數(shù)據(jù)相加，直到相位累加器加滿產(chǎn)生溢出，從而完成一個周期，也就是ＤＤＳ信號的頻率周期。

２　ＤＤＳ在ＦＰＧＡ中的實現(xiàn)

考慮到本系統(tǒng)的規(guī)模以及以后的擴展需要，該系統(tǒng)中的ＤＤＳ電路采用ＶＨＤＬ硬件描述語言來實現(xiàn)，因為ＶＨＤＬ語言設(shè)計的電路模塊可以方便地移植到不同的ＦＰＧＡ芯片中。由于硬件原因，本系統(tǒng)的最高頻率為１００ｋＨｚ，因此，采用常規(guī)設(shè)計即可滿足要求，但若要應(yīng)用于高速系統(tǒng)，還要采用一些提高系統(tǒng)運行速度的措施，如采用流水線技術(shù)，即在設(shè)計中把延時較大的組合邏輯塊切割成兩塊大致相等的組合邏輯塊，并在這兩個邏輯塊中插入觸發(fā)器，也可通過多個觸發(fā)器時鐘來提高系統(tǒng)速度，還可以采用ＡＬＴＲＥＡ 公司的ＦＰＧＡ器件所特有的進位鏈來設(shè)計高速電路。

圖２所示為一個具有頻率、相位與幅度調(diào)制的ＤＤＳ系統(tǒng)的ＦＰＧＡ組成框圖。它的頻率調(diào)制可以在調(diào)諧寄存器與相位累加器之間插入一加法器來實現(xiàn)，頻率調(diào)制與相位調(diào)制有相同的分辨率，因此，頻率可以覆蓋整個調(diào)諧頻段。相位調(diào)制器可通過在相位累加器后插入一個加法器來實現(xiàn)。幅度調(diào)制則是在正弦查找表后插入一個乘法器來實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性等特點。

２．１ ＲＯＭ查找表的設(shè)計

ＲＯＭ查找表在整個設(shè)計中是一個比較重要的部分。為了保證波形的平滑，設(shè)計時可將一個周期分為１０２４個點。但是，點數(shù)太多時，用文本方式輸入可能有很多困難。因此，應(yīng)當(dāng)用Ｃ語言描述正弦方程式，最后再將其轉(zhuǎn)化為所需的ｍｉｆ文件。以下是其Ｃ語言的源程序：

ｍａｉｎ()

{ｉｎｔ ｉ;ｆｌｏａｔ ｓ;

ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜１０２４;ｉ＋＋)

{ ｓ ＝ ｓｉｎ(ａｔａｎ(１)＊８＊ｉ／１０２４);

．．．．．．

２．２ ＤＤＳ主模塊設(shè)計

ＤＤＳ主模塊部分可根據(jù)上述原理，采用ＶＨＤＬ來描述，以下是部分源程序：

ＢＥＧＩＮ

ＰＲＯＣＥＳＳ (ｃｌｋ)

ＢＥＧＩＮ

ＩＦ(ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ＡＮＤ ｃｌｋ＝＇１＇) ＴＨＥＮ

＼＼時鐘上升沿觸發(fā)

ｆｒｅｑｗ＜＝ｆｒｅｑｉｎ;

ａｃｃ＜＝ａｃｃ＋ｆｒｅｑｗ; ＼＼開始累加

ＥＮＤ ＩＦ;

ＥＮＤ ＰＲＯＣＥＳＳ;

ｒｏｍａｄｄｒ＜＝ａｃｃ(ａｄｄｅｒ ｗｉｄｔｈ－１ ｄｏｗｎｔｏ ａｄｄｅｒ ｗｉｄｔｈ－１０);? ＼＼累加結(jié)果的高１１位作為

查找表的地址位

ｉ_ｒｏｍ:ｌｐｍ_ｒｏｍ ＼＼調(diào)用ＲＯＭ查找表

．．．．．．

２．３ ＤＤＳ控制模塊設(shè)計

ＤＤＳ部分的系統(tǒng)控制是根據(jù)所需要的功能（如相位調(diào)制、幅度調(diào)制等）要求而設(shè)計的，這一點也是利用了ＦＰＧＡ的靈活性。其部分程序如下：

ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ｄｄｓｃ ＩＳ ＼調(diào)用ＤＤＳ主模塊

．．．．．．

ＥＮＤ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ;

ＳＩＧＮＡＬ ｃｌｋｃｎｔ :ｉｎｔｅｇｅｒ ＲＡＮＧＥ ４ ＤＯＷＮＴＯ ０;

＼＼內(nèi)部信號定義

ＳＩＧＮＡＬ ｃｌｋ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ＳＩＧＮＡＬ ｆｒｅｑｉｎｄ:ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１５ ＤＯＷＮＴＯ ０);?

ＢＥＧＩＮ

ｉ_ｄｄｓｃ:ｄｄｓｃ ＼＼調(diào)用ＤＤＳ主模塊

ＰＯＲＴ ＭＡＰ(ｃｌｋ＝＞ｃｌｋ,ｄｄｓｏｕｔ ＝＞ｄｄｓｏｕｔ,ｆｒｅｑｉｎ＝＞ｆｒｅｑｉｎｄ);

ｃｌｋ＜＝ｓｃｌｋ; ＼＼連接內(nèi)部端口

ＰＲＯＣＥＳＳ (ｓｃｌｋ)

ＢＥＧＩＮ

ＩＦ?ｓｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ＡＮＤ ｓｃｌｋ＝＇１＇? ＴＨＥＮ

＼＼系統(tǒng)時鐘的上升沿觸發(fā)

ｆｒｅｑｉｎｄ＜＝ｆｐｉｎ;

ＥＮＤ ＩＦ;

３　結(jié)論

本系統(tǒng)在頻率不高于１００ｋＨｚ時能產(chǎn)生精確的正弦波形，而且十分穩(wěn)定。由于基準(zhǔn)時鐘為５０ＭＨｚ，且分辨率為１６位，因此，該系統(tǒng)能產(chǎn)生的最低頻率為５００Ｈｚ，若要產(chǎn)生更低頻率及更精確的波形，可以提高分辨率并相應(yīng)減小基準(zhǔn)時鐘，這在ＦＰＧＡ中實現(xiàn)起來相當(dāng)容易。

實踐證明：用ＦＰＧＡ設(shè)計ＤＤＳ電路較采用專用ＤＤＳ芯片更為靈活。因為，只要改變ＦＰＧＡ中的ＲＯＭ數(shù)據(jù)，ＤＤＳ就可以產(chǎn)生任意波形，因而具有相當(dāng)大的靈活性。相比之下：ＦＰＧＡ的功能完全取決于設(shè)計需求，可以復(fù)雜也可以簡單，而且ＦＰＧＡ芯片還支持在系統(tǒng)現(xiàn)場升級，雖然在精度和速度上略有不足，但也能基本滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)的使用要求。另外，將ＤＤＳ設(shè)計嵌入到ＦＰＧＡ芯片所構(gòu)成的系統(tǒng)中，其系統(tǒng)成本并不會增加多少，而購買專用芯片的價格則是前者的很多倍。因此，采用ＦＰＧＡ來設(shè)計ＤＤＳ系統(tǒng)具有很高的性價比。