摘　要： 提出了一種以DDS器件為核心的HF通用信號產(chǎn)生" title="信號產(chǎn)生">信號產(chǎn)生平臺的硬件結(jié)構(gòu)；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，詳細(xì)描述了平臺的硬件結(jié)構(gòu)及工作流程；介紹了DDS原理，并對采用的AD9854芯片進行了簡單介紹。
　　關(guān)鍵詞： DDS 信號產(chǎn)生 頻率綜合

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1 硬件平臺概述
　　HF通用信號產(chǎn)生平臺在綜合控制器的控制下產(chǎn)生1.5M~30MHz的HF標(biāo)準(zhǔn)通信信號(包括AM、FM、FSK、SSB、DSB、CW等)，輸出電平-40~0dBm，步進值1dB。平臺主要由綜合控制器、HF信號產(chǎn)生器" title="產(chǎn)生器">產(chǎn)生器、HF頻率綜合器、功放和天線五個模塊單元組成，如圖1所示。綜合控制器實現(xiàn)平臺的整體控制，主要包括FPGA配置、信號參數(shù)控制等。HF信號產(chǎn)生器主要由FPGA控制單元、DDS信號產(chǎn)生單元等部分組成。為濾除信號產(chǎn)生器中的雜散頻率分量，保證輸出信號的質(zhì)量，采用截止頻率為30MHz的低通濾波器。HF頻率綜合器產(chǎn)生300MHz時鐘信號，提供給DDS使用。信號產(chǎn)生器生成的通信信號經(jīng)功放、天線輸出。
2 綜合控制器
　　綜合控制器主要由工控計算機、控制器接口卡等組成。系統(tǒng)采用分層控制方式，控制參數(shù)" title="控制參數(shù)">控制參數(shù)由控制人員通過綜合控制器的控制界面輸入或接收外部的控制指令來獲取。這些控制參數(shù)通過工控機中的控制接口卡，經(jīng)分系統(tǒng)中相應(yīng)的控制參數(shù)接口輸入到相應(yīng)的分系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對平臺各個單元的工作模式及具體通信參數(shù)的控制。綜合控制器在工作時，負(fù)責(zé)向其控制的設(shè)備注入運行參數(shù)，工作時對可控設(shè)備的工作狀態(tài)(基帶信號類型、碼速率、信號樣式、工作頻率、功率輸出、跳頻參數(shù)等)進行調(diào)控，根據(jù)指令刷新運行參數(shù)。其工作過程如圖2所示。根據(jù)所采用的控制方案可以將控制系統(tǒng)分為兩部分，一是綜合控制器中的控制接口卡，另一部分是各個模塊單元(即信號產(chǎn)生器、頻率綜合器)的控制參數(shù)接口。
　　控制接口卡采用微機PCI插卡的模式，實現(xiàn)微機與模擬器之間的連接?？刂平涌诳ㄕ加?個I/O" title="I/O">I/O口地址，讀寫(基地址+0)端口代表地址數(shù)據(jù)總線上傳輸8位數(shù)據(jù)信息，寫(基地址+2)端口代表地址數(shù)據(jù)總線上傳輸高8位地址信息，寫(基地址+7)端口代表地址數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)?位地址信息，(基地址+3)、(基地址+4)、(基地址+5)、(基地址+6)端口則控制GPS秒信號的輸出，以產(chǎn)生模擬器所需的啟動、結(jié)束脈沖。控制接口卡功能示意圖如圖3所示。
3 HF信號產(chǎn)生器
　　HF信號產(chǎn)生器采用了軟件無線電的思想：首先在硬件上搭建一個通用的通信信號平臺，每一種特殊的調(diào)制方式和工作體制都有一套專門的軟件來完成，實際使用過程中只需要在通用的通信平臺上加載一定的軟件即可完成特定的功能。HF信號產(chǎn)生器包括控制參數(shù)接口和信號產(chǎn)生單元。
3.1 控制參數(shù)接口
　　控制參數(shù)接口主要實現(xiàn)各模塊單元控制參數(shù)的獲取。其功能示意圖如圖4所示，主要由一片可編程CPLD芯片(isp1032E-70LJI)編程實現(xiàn)。
3.2 信號產(chǎn)生單元
　　本單元所采用的硬件平臺方案為DDS+FPGA方案，DDS實現(xiàn)信號調(diào)制，F(xiàn)PGA實現(xiàn)信號處理。DDS本身具備信號的頻率調(diào)制、相位調(diào)制及幅度調(diào)制功能，因此信號處理部分需要完成相應(yīng)的基帶數(shù)據(jù)處理并能夠同步控制DDS。FPGA是一種現(xiàn)場可編程邏輯陣列，它內(nèi)部含有大量的實現(xiàn)組合邏輯的資源，借助于EDA工具，設(shè)計者可以很方便地將這些邏輯門連接起來組成乘法器、地址發(fā)生器等各種邏輯塊，利用這些邏輯模塊又可以組成FIR、FFT等更高級別的邏輯結(jié)構(gòu)^[1]。像微處理器一樣，基于RAM的FPGA可以無限制地重復(fù)編程，本系統(tǒng)中加載一個新的設(shè)計只需要幾百毫秒，這樣利用實時現(xiàn)場重構(gòu)可以大大減少硬件的開銷。
　　信號產(chǎn)生單元采用軟件無線電技術(shù)，即采用通用的硬件平臺，依據(jù)加載不同的軟件來實現(xiàn)不同的功能。標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生器的工作流圖如圖5所示。
　　顯然，系統(tǒng)在工作中將各種調(diào)制方式體現(xiàn)為不同的調(diào)制文件(*.o)，新的調(diào)制方式對于系統(tǒng)而言只是增加調(diào)制文件，這是典型的軟件無線電思想。在信號產(chǎn)生單元中，這些調(diào)制文件的載體是FPGA，這里需要考慮的是如何靈活地實現(xiàn)調(diào)制文件的加載，或者說如何根據(jù)上層需要，對FPGA進行任意構(gòu)造。根據(jù)任務(wù)改變的需要，在不同的任務(wù)階段，利用其現(xiàn)有的硬件資源，按需要形成不同的功能，完成不同的用途。這種轉(zhuǎn)換是完全的，包括功能、算法、芯片管腳定義等。
　　本文中筆者采用的系統(tǒng)重構(gòu)方法是：軟件平臺可對功能電路進行編程、編譯、仿真和控制等，形成構(gòu)造代碼(比特流文件)，即調(diào)制文件不通過外部ROM，而是借助系統(tǒng)總線，送入FPGA配置存儲器，實現(xiàn)相應(yīng)功能。FPGA這種動態(tài)數(shù)據(jù)配置流程如圖6所示。
　　控制參數(shù)由控制人員通過微機或工作站的控制界面輸入，這些控制參數(shù)通過控制接口卡，送到控制總線與數(shù)據(jù)總線上，平臺中的各部分通過自身的分系統(tǒng)控制接口獲取相應(yīng)的參數(shù)。這樣，控制人員就可以實現(xiàn)對各個部分的控制，完成具體通信參數(shù)的通信方式的生成。
　　分系統(tǒng)控制接口是軟件無線電硬件平臺中參數(shù)獲取接口，在這里添加FPGA配置邏輯，以完成配置流程。依靠這一控制流程，只需要在軟件中對特定的I/O端口進行讀/寫操作，即可實現(xiàn)FPGA這些配置信號的生成。圖7所示為HF標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生器實現(xiàn)框圖。
4 DDS
4.1 DDS原理
　　DDS技術(shù)從相位概念出發(fā)，直接對參考正弦信號進行抽樣，得到不同的相位，然后通過數(shù)字計算技術(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的電壓幅度，最后濾波平滑輸出所需頻率。下面以正弦函數(shù)的產(chǎn)生為例建立DDS的概念。假定一個頻率為f_c的載波，其時域表達(dá)式為C(t)=Acos(2πf_ct+θ0)。由上式可以看出：C(t)是關(guān)于相位的一個周期函數(shù)，如果存儲整個周期內(nèi)每個相位對應(yīng)的幅度值，那么對于任意一個頻率的載波，在任意一個時刻，只要知道載波的相位，就可以通過查表得到C(t)的值。這就是DDS的基本原理。
　　DDS的基本組成如圖8所示。它由相位累加器、只讀存儲器(ROM)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)及低通濾波器(LPF)組成。f_c為時鐘頻率，K為頻率控制字" title="控制字">控制字，N為相位累加器的字長，m為ROM地址線位數(shù)，n為ROM數(shù)據(jù)線位數(shù)(為DAC的位數(shù))。
　　DDS在結(jié)構(gòu)上可劃分為數(shù)控振蕩器NCO(Numeric Control Oscillator)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(Digital Analog Converter)兩個模塊。模塊NCO實現(xiàn)由數(shù)字頻率值輸入生成相應(yīng)頻率的數(shù)字波形，其工作過程為：
　　模塊DAC將NCO產(chǎn)生的數(shù)字幅度值線性地轉(zhuǎn)為模擬幅度值，DDS產(chǎn)生的混疊干擾由DAC之后的低通濾波器濾除。DDS的頻率分辨率為最低輸出頻率△f_min=f_c/2^N，只要N足夠大，即累加器有足夠的長度，總能得到所需的頻率分辨率。輸出頻率f_O由頻率控制字K決定，即f_O=K·f_c/2^N。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，DDS的最高輸出頻率f_Omax應(yīng)小于f_c/2，在實際中， f_Omax一般只能等于f_c的40%。DDS的頻譜中相位噪聲小，但離散寄生信號明顯。其雜散噪聲來源于相位截斷誤差、幅度量化誤差和由DAC產(chǎn)生的誤差。
4.2 AD9854
　　AD9854是由AD公司生產(chǎn)的單片DDS芯片，它集成了48-Bit頻率累加器、48-Bit相位累加器、正余弦波形表、12位正交數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制和控制電路，能在單片上完成頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制以及IQ正交調(diào)制等多種功能，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻^[2]列出了AD9854輸出信號的窄帶、寬帶雜散的例子,如圖9、10。
　　AD9854通過內(nèi)部的一個長39B的寄存器標(biāo)存儲相關(guān)的各種控制字和狀態(tài)字。用戶通過I/O與該寄存器表通信。I/O緩沖區(qū)的內(nèi)容必須在更新脈沖的作用下才能刷新到寄存器表中，這樣可以很好地達(dá)到同步。I/O與外部有并行和串行兩種通信方式，工作在并行通信模式時，端口的更新速率最高為100MHz。
　　AD9854的頻率控制字長為48位，則平臺輸出信號的可編程控制頻率精度為：△f=300×10⁶/248=1.066×10^-6。AD9854的相位控制字長14位，則平臺輸出信號的可編程控制相位精度為：P_min=π/2¹⁴=1.917×10^-4。
　　各種通信調(diào)制信號的生成過程是平臺工作的另一重要內(nèi)容，因篇幅所限未做論述。FPGA的發(fā)展趨勢是在內(nèi)部軟嵌入或硬嵌入DSP芯核，如QuickLogic公司的QuickDSP系列，它提供了嵌入式DSP構(gòu)件并能很容易地實現(xiàn)DSP模塊與可編程邏輯的同步。這些產(chǎn)品的出現(xiàn)將會打破軟件無線電的技術(shù)瓶頸，進一步推動軟件無線電的發(fā)展。
參考文獻
1 Xilinx公司. Virtex 2.5V field programmable gate array.2000
2 AD公司. AD9854.2000
3 曹志剛，錢亞生. 現(xiàn)代通信原理. 北京：清華大學(xué)出版社，1998
4 http://www.xinlinx.com