基于Nios的DDS高精度信號源實現
互聯(lián)網
摘要： 該設計利用Ahera公司的Cyclone FPGA，借助Nios軟核設計的信號產生器，采用兩級DDS串聯(lián)．提高了信號的精度，另外提出了提高精度的動態(tài)分頻法。針對實際需求，采用雙口ROM方便的實現了多路不同相位信號的輸出 另外介紹了Matlab與Quartus的接口程序的編寫，借助Matlab強大的計算能力和畫圖功能，為我們的設計帶來了極大的方便。實驗結果表明該設計是行之有效的，具有很大的實用性。
Abstract：
Key words :
摘要：直接數字頻率合成器DDS" title="DDS">DDS具有極高的分辨率、頻率轉換速度快、相位噪聲低等優(yōu)點。以ALTERA公司的CPU軟核Nios" title="Nios">Nios為基礎，利用Quartus II軟件和Sopc Builder，采用兩級DDS和動態(tài)分頻法，提高了信號源的精度。采用雙口ROM可以很方便的同時輸出兩路具有一定相位差的信號，而且頻率幅度可調。另外著重介紹了怎樣用Matlab產生波形幅度數據以及最后的仿真驗證。
1 引言
在實際的通信過程中，系統(tǒng)對頻率的精度和穩(wěn)定度都有較高的要求．而且常常需要用到多種不同頻率和相位的信號。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器都是由模擬的電路實現，受到硬件電路的限制，不僅產生的波形少，精度低，而且體積大。靈活性差。DDS(Direct DigitalFrequncy Synthesis，直接數字頻率合成)的出現為我們提供了一種新選擇。DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術。由于其具有頻率轉換快、分辨率高、頻率合成范圍寬、相位噪聲低且相位可控制的優(yōu)點，因此，DDS技術常用于產生頻率快、轉換速度快、分辨率高、相位可控的信號。目前．市場上已出現許多DDS專用芯片．但是專用芯片有很多局限性，比如控制方式固定，同時只能輸出一路信號．而且
價格普遍偏高。利用fpga的高速、高性能和可重構性可實現各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能。
本文介紹設計的DDS信號源應用ALTERA公司的FPGA器件、Quartus II開發(fā)環(huán)境和NIOS軟核等相關的開發(fā)工具，采用VHDL語言及SOPC設計思想。采用兩級DDS技術設計波形發(fā)生器，并且可以同時輸出多路不同相位的信號，滿足我們實際的需求。
2 DDS原理
基本DDS的結構框圖如圖1所示。主要由相位累加器、相位調制器、ROM查找表、D/A以及低通濾波器組成。
圖1 DDS結構圖
頻率字和相位字分別控制輸出信號的頻率和相位。DDS的核心是N位的相位累加器。在時鐘脈沖控制下，相位累加器不斷對頻率控制字K進行累加，將累加器的輸出作為讀波形存儲器ROM的地址，讀出波形數據，然后再進行調幅、數模轉換、濾波從而得到光滑的波形信號。在整個過程中相位累加器進行的是線性累加，當累加滿時便產生溢出，一個周期完成。相位累加器這個產生溢出的頻率就是DDS的輸出頻率。設頻率控制字為K，相位累加器為N位，時鐘頻率為fs。所以合成輸出的信號頻率fout 是：
fout=(K/2N)fs
當K=1時有最小頻率分辨率：Δf=fs/2N
3 設計方案
3.1提高精度實現
在我們的實際應用中往往對頻率較小的信號精度要求較高，而對高頻率信號的精度則沒有那么高的要求。傳統(tǒng)的方法就是增加相位累加器的位數N．但N一旦設計好便不可更改，這樣便導致了產生的信號精度不能隨頻率的降低而升高。根據以上的分析在N不變的情況下要提高精度則只有降低時鐘fs(很顯然這時的輸出頻率較低)。下面介紹兩種降低fs的方法：
第一，動態(tài)分頻法。設計的信號發(fā)生器不但要能產生低頻信號同時也能產生高頻信號，所以用固定的分頻辦法降低fs不能達到要求，這就要求我們采用動態(tài)分頻法。在需要產生較高頻率信號的時候選擇小的分頻比．而在合成低頻率信號的時候選擇大的分頻比。根據預先給定的不同的輸出信號頻率選擇相應的分頻比，保證了產生信號的寬頻帶。
第二，采用兩級DDS。第一級合成DDS1產生一定頻率的方波并將此方波送給第二次合成DDS2作為時鐘輸入。其中DDS1的K1可調，保證輸出不同的頻率，DDS2的K2=1，保證了輸出的精度。本次設計采用此方法。
3.2多路輸出設計
無論是用專用芯片還是其他設計的DDS產品，同時都只能輸出一路信號，而在我們的實際應用中往往同時需要多路相位不同的信號，借助ALTERA公司的Cyclone" title="Cyclone">Cyclone系列器件．可以很方便的生成雙口的ROM，這樣使得我們可以同時對ROM的不同單元尋址，從而產生不同相位的信號，調節(jié)相位控制器，可以很方便的改變兩路信號的相位差。這樣設計的DDS框圖如圖2:
圖2多路輸出DDS框圖
3.3基于Nios的DDS實現
系統(tǒng)的開發(fā)包括硬件和軟件兩部分，硬件部分采用ALTERA公司性價比較高的Cyclone系列FPGA，使用SoPC Builder生成Nios嵌入式處理器。由于本設計中要求信號幅度、相位和頻率都可調節(jié)，并且能通過LCD實時的顯示，利用SoPC Builder生成可裁剪的Nios CPU軟核，并添加一些外圍設備接口，如作為控制輸入的鍵盤接口：實時顯示用的LCD接口;DDS控制接口等。系統(tǒng)硬件框圖如圖3。
圖3 系統(tǒng)總框圖
在Cyclone的FPGA中帶了一個PLL．這樣我們便能很好的控制系統(tǒng)時鐘和DDS的時鐘．靈活地選擇晶振信號源。另外幅度調制采用一個乘法器，運用硬件電路搭建，充分使用內部的LE資源，而且方便、靈活，能達到速度要求。
系統(tǒng)的軟件設計主要是鍵盤掃描程序的編寫、LCD顯示的控制接口和對DDS的控制．采用C語言編寫。而DDS單元則用VHDL硬件描述語言。PLL模塊直接使用MegaWizard Plug-in Manager功能同時產生兩路不同的時鐘輸出．一路給DDS，另一路給Nios軟核。
由于DDS的結構，產生的波形由ROM查找表的數據決定，所以改變查找表中的數據便得到不同的信號輸出，這樣可以很方便的產生正弦、余弦、方波，三角波、鋸齒波等。在這次設計中，要產生正弦和余弦信號沒必要改變查找表的數據，只需要調整相位即可，這就是多路輸出不同相位信號最大的優(yōu)點。
4 Matlab與Quartus接口設計
設計中需要大量的計算，特別是ROM查找表初始化數據的產生，可以借助matlab強大的計算能力。最后的仿真數據也可以用matlab畫圖直觀的觀察。
4.1相位幅度變換
由于Cyclone系列的FPGA具有豐富的memory資源，本方案中選用4K的RAM Block構成查找表。在實際的設計中．當我們產生方波的時候則可以直接采用數學計算，沒必要構建查找表，從而節(jié)約了資源。而產生正弦或余弦信號時，考慮到正弦信號1/4波形對稱的性質．只需要存儲π/2的正弦采樣點，利用數學計算便可以產生2π弧度的正弦波形。這樣大大的縮小了ROM．節(jié)約了資源。ROM的初始化數據文件為.mif
文件。生成該文件可以借助matlab數學工具，先在matlab里生成正弦信號的采樣點數據表格，還需要自己添加程序，下面舉例說明。
先編寫一段m文件程序，這里以產生216X12正弦波π/2幅度值為例。即在π/2的幅度范圍內采樣65536個點．每個點的值用12位二進制數表示。在matlab里編寫的m文件， 保存的文件名為sin_data.mif。
x=0:1:65535;
y=round(2047*sin(pi*x/131072)) +2048; %pi*x/131072的范圍為0～/2
%改變131072即可改變正弦信號的長度。2048則決定了數據寬度。
fid=fopen('sin_data.mif','W' );
fprinf(fid,'%d:%d;＼n' ,x,y);
fclose(fid);
plot(x，y);
grid on
在sin_data.mif中數據的存放格式為：
相位：幅度值;
但是這樣的數據表格在Qualtus 4．2里還不能直接調用，需要我們自己編程，加上數據類型申明，其格式如下：
DEPTH =65536;% Memory depth and width are required%
WIDTH = 12; % Enter a decimal number %
ADDRESS_RADIX=DEC; % Address and value radixes are required%
DATA_RADIX =DEC;% Enter BIN，DEC，HEX，OCT，or UNS;unless%
% otherwise specified,radixes=HEX %
--Specify values for addresses, which can be single address
or range
CONTENT
BEGIN
0:2048;
1:2048：
2:2048;
64613:4094;
64614:4095;
END;
4.2 幅度數據的matlab仿真
經過Quartus的綜合、波形仿真后，可以得到.vwf波形文件。然后選擇File菜單下的Save Current Report Section As，保存類型選擇為.tbl。這樣便可以得到輸出波形的數字幅度序列數據。就可以借助Matlab工具方便的觀察波形。.tbl文件的數據存儲格式如下：
時間>邊沿標志 相位=幅度值;
其中時間單位默認為ns，邊沿標志只有一位，其中1表示上升沿，0表示下降沿，地址和幅度值君采用十六進制數表示。用Matlab進行畫圖時需要我們自己編寫m文件程序。我們需要從表格中提取數據，而識別幅度數據的標志就是“=”，所以判斷“=”的位置便可將數據提取出來。但在文件前面的說明中有兩個“=”，這是我們不需要的，所以編程的時候應該濾除。在這里假設.tbl文件保存路徑為：C:\altera\benben\sin.sim.tbl。m文件如下：
fid=fopen('C:\altera\henben\sin.sim.tbl,'r');
yy=fscanf(fid,'%s')
fclose(fid);
aa=fid(yy=='='); %找出“=”的下標
i=0：
for j=1:length(aa)
if yy(aa(j)-1)<='F' %濾除說明中的“=”
i=i+l;
data_hex(i,1)=yy(aa(j)+1);data_hex(i,2)=yy(aa(i)+2);data_hex(i,
3)=yy(aa(j))+3);
%取出幅度數據值．數據為十六進制數
end
end
data_dec=hex2dec(data_hex);%將十六進制數轉為十進制數
plot(data_dec);
grid on
5 結論
該設計利用Ahera公司的Cyclone FPGA，借助Nios軟核設計的信號產生器" title="信號產生器">信號產生器，采用兩級DDS串聯(lián)．提高了信號的精度，另外提出了提高精度的動態(tài)分頻法。針對實際需求，采用雙口ROM方便的實現了多路不同相位信號的輸出 另外介紹了Matlab與Quartus的接口程序的編寫，借助Matlab強大的計算能力和畫圖功能，為我們的設計帶來了極大的方便。實驗結果表明該設計是行之有效的，具有很大的實用性。
1 引言
在實際的通信過程中，系統(tǒng)對頻率的精度和穩(wěn)定度都有較高的要求．而且常常需要用到多種不同頻率和相位的信號。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器都是由模擬的電路實現，受到硬件電路的限制，不僅產生的波形少，精度低，而且體積大。靈活性差。DDS(Direct DigitalFrequncy Synthesis，直接數字頻率合成)的出現為我們提供了一種新選擇。DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術。由于其具有頻率轉換快、分辨率高、頻率合成范圍寬、相位噪聲低且相位可控制的優(yōu)點，因此，DDS技術常用于產生頻率快、轉換速度快、分辨率高、相位可控的信號。目前．市場上已出現許多DDS專用芯片．但是專用芯片有很多局限性，比如控制方式固定，同時只能輸出一路信號．而且
價格普遍偏高。利用fpga的高速、高性能和可重構性可實現各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能。
本文介紹設計的DDS信號源應用ALTERA公司的FPGA器件、Quartus II開發(fā)環(huán)境和NIOS軟核等相關的開發(fā)工具，采用VHDL語言及SOPC設計思想。采用兩級DDS技術設計波形發(fā)生器，并且可以同時輸出多路不同相位的信號，滿足我們實際的需求。
2 DDS原理
基本DDS的結構框圖如圖1所示。主要由相位累加器、相位調制器、ROM查找表、D/A以及低通濾波器組成。
頻率字和相位字分別控制輸出信號的頻率和相位。DDS的核心是N位的相位累加器。在時鐘脈沖控制下，相位累加器不斷對頻率控制字K進行累加，將累加器的輸出作為讀波形存儲器ROM的地址，讀出波形數據，然后再進行調幅、數模轉換、濾波從而得到光滑的波形信號。在整個過程中相位累加器進行的是線性累加，當累加滿時便產生溢出，一個周期完成。相位累加器這個產生溢出的頻率就是DDS的輸出頻率。設頻率控制字為K，相位累加器為N位，時鐘頻率為fs。所以合成輸出的信號頻率fout 是：
fout=(K/2N)fs
當K=1時有最小頻率分辨率：Δf=fs/2N
3 設計方案
3.1提高精度實現
在我們的實際應用中往往對頻率較小的信號精度要求較高，而對高頻率信號的精度則沒有那么高的要求。傳統(tǒng)的方法就是增加相位累加器的位數N．但N一旦設計好便不可更改，這樣便導致了產生的信號精度不能隨頻率的降低而升高。根據以上的分析在N不變的情況下要提高精度則只有降低時鐘fs(很顯然這時的輸出頻率較低)。下面介紹兩種降低fs的方法：
第一，動態(tài)分頻法。設計的信號發(fā)生器不但要能產生低頻信號同時也能產生高頻信號，所以用固定的分頻辦法降低fs不能達到要求，這就要求我們采用動態(tài)分頻法。在需要產生較高頻率信號的時候選擇小的分頻比．而在合成低頻率信號的時候選擇大的分頻比。根據預先給定的不同的輸出信號頻率選擇相應的分頻比，保證了產生信號的寬頻帶。
第二，采用兩級DDS。第一級合成DDS1產生一定頻率的方波并將此方波送給第二次合成DDS2作為時鐘輸入。其中DDS1的K1可調，保證輸出不同的頻率，DDS2的K2=1，保證了輸出的精度。本次設計采用此方法。
3.2多路輸出設計
無論是用專用芯片還是其他設計的DDS產品，同時都只能輸出一路信號，而在我們的實際應用中往往同時需要多路相位不同的信號，借助ALTERA公司的Cyclone" title="Cyclone">Cyclone系列器件．可以很方便的生成雙口的ROM，這樣使得我們可以同時對ROM的不同單元尋址，從而產生不同相位的信號，調節(jié)相位控制器，可以很方便的改變兩路信號的相位差。這樣設計的DDS框圖如圖2:
3.3基于Nios的DDS實現
系統(tǒng)的開發(fā)包括硬件和軟件兩部分，硬件部分采用ALTERA公司性價比較高的Cyclone系列FPGA，使用SoPC Builder生成Nios嵌入式處理器。由于本設計中要求信號幅度、相位和頻率都可調節(jié)，并且能通過LCD實時的顯示，利用SoPC Builder生成可裁剪的Nios CPU軟核，并添加一些外圍設備接口，如作為控制輸入的鍵盤接口：實時顯示用的LCD接口;DDS控制接口等。系統(tǒng)硬件框圖如圖3。
在Cyclone的FPGA中帶了一個PLL．這樣我們便能很好的控制系統(tǒng)時鐘和DDS的時鐘．靈活地選擇晶振信號源。另外幅度調制采用一個乘法器，運用硬件電路搭建，充分使用內部的LE資源，而且方便、靈活，能達到速度要求。
系統(tǒng)的軟件設計主要是鍵盤掃描程序的編寫、LCD顯示的控制接口和對DDS的控制．采用C語言編寫。而DDS單元則用VHDL硬件描述語言。PLL模塊直接使用MegaWizard Plug-in Manager功能同時產生兩路不同的時鐘輸出．一路給DDS，另一路給Nios軟核。
由于DDS的結構，產生的波形由ROM查找表的數據決定，所以改變查找表中的數據便得到不同的信號輸出，這樣可以很方便的產生正弦、余弦、方波，三角波、鋸齒波等。在這次設計中，要產生正弦和余弦信號沒必要改變查找表的數據，只需要調整相位即可，這就是多路輸出不同相位信號最大的優(yōu)點。
4 Matlab與Quartus接口設計
設計中需要大量的計算，特別是ROM查找表初始化數據的產生，可以借助matlab強大的計算能力。最后的仿真數據也可以用matlab畫圖直觀的觀察。
4.1相位幅度變換
由于Cyclone系列的FPGA具有豐富的memory資源，本方案中選用4K的RAM Block構成查找表。在實際的設計中．當我們產生方波的時候則可以直接采用數學計算，沒必要構建查找表，從而節(jié)約了資源。而產生正弦或余弦信號時，考慮到正弦信號1/4波形對稱的性質．只需要存儲π/2的正弦采樣點，利用數學計算便可以產生2π弧度的正弦波形。這樣大大的縮小了ROM．節(jié)約了資源。ROM的初始化數據文件為.mif
文件。生成該文件可以借助matlab數學工具，先在matlab里生成正弦信號的采樣點數據表格，還需要自己添加程序，下面舉例說明。
先編寫一段m文件程序，這里以產生216X12正弦波π/2幅度值為例。即在π/2的幅度范圍內采樣65536個點．每個點的值用12位二進制數表示。在matlab里編寫的m文件， 保存的文件名為sin_data.mif。
x=0:1:65535;
y=round(2047*sin(pi*x/131072)) +2048; %pi*x/131072的范圍為0～/2
%改變131072即可改變正弦信號的長度。2048則決定了數據寬度。
fid=fopen('sin_data.mif','W' );
fprinf(fid,'%d:%d;＼n' ,x,y);
fclose(fid);
plot(x，y);
grid on
在sin_data.mif中數據的存放格式為：
相位：幅度值;
但是這樣的數據表格在Qualtus 4．2里還不能直接調用，需要我們自己編程，加上數據類型申明，其格式如下：
DEPTH =65536;% Memory depth and width are required%
WIDTH = 12; % Enter a decimal number %
ADDRESS_RADIX=DEC; % Address and value radixes are required%
DATA_RADIX =DEC;% Enter BIN，DEC，HEX，OCT，or UNS;unless%
% otherwise specified,radixes=HEX %
--Specify values for addresses, which can be single address
or range
CONTENT
BEGIN
0:2048;
1:2048：
2:2048;
64613:4094;
64614:4095;
END;
4.2 幅度數據的matlab仿真
經過Quartus的綜合、波形仿真后，可以得到.vwf波形文件。然后選擇File菜單下的Save Current Report Section As，保存類型選擇為.tbl。這樣便可以得到輸出波形的數字幅度序列數據。就可以借助Matlab工具方便的觀察波形。.tbl文件的數據存儲格式如下：
時間>邊沿標志 相位=幅度值;
其中時間單位默認為ns，邊沿標志只有一位，其中1表示上升沿，0表示下降沿，地址和幅度值君采用十六進制數表示。用Matlab進行畫圖時需要我們自己編寫m文件程序。我們需要從表格中提取數據，而識別幅度數據的標志就是“=”，所以判斷“=”的位置便可將數據提取出來。但在文件前面的說明中有兩個“=”，這是我們不需要的，所以編程的時候應該濾除。在這里假設.tbl文件保存路徑為：C:\altera\benben\sin.sim.tbl。m文件如下：
fid=fopen('C:\altera\henben\sin.sim.tbl,'r');
yy=fscanf(fid,'%s')
fclose(fid);
aa=fid(yy=='='); %找出“=”的下標
i=0：
for j=1:length(aa)
if yy(aa(j)-1)<='F' %濾除說明中的“=”
i=i+l;
data_hex(i,1)=yy(aa(j)+1);data_hex(i,2)=yy(aa(i)+2);data_hex(i,
3)=yy(aa(j))+3);
%取出幅度數據值．數據為十六進制數
end
end
data_dec=hex2dec(data_hex);%將十六進制數轉為十進制數
plot(data_dec);
grid on
5 結論
該設計利用Ahera公司的Cyclone FPGA，借助Nios軟核設計的信號產生器" title="信號產生器">信號產生器，采用兩級DDS串聯(lián)．提高了信號的精度，另外提出了提高精度的動態(tài)分頻法。針對實際需求，采用雙口ROM方便的實現了多路不同相位信號的輸出 另外介紹了Matlab與Quartus的接口程序的編寫，借助Matlab強大的計算能力和畫圖功能，為我們的設計帶來了極大的方便。實驗結果表明該設計是行之有效的，具有很大的實用性。
此內容為AET網站原創(chuàng)，未經授權禁止轉載。