基于DDS技术的多路同步信号源的设计

摘 要：多路同步数字调相信号源一般采用单片机和多片专用DDS芯片配合实现。该技术同步实现复杂，成本高。给出了一种基于FPGA的多路同步信号源的设计方法，通过VHDL语言硬件编程实现了基于单片FPGA的多路同步信号，数字调相快速准确。利用QuartusⅡ进行综合和仿真验证了该设计的正确性，该设计具有调相方便、速度快、成本低等优点。
关键词：DDS；多路同步；VHDL；FPGA

引 言
实现信号源的多路同步输出，在雷达、通信等多领域有着重要的应用。为了实现此功能，大多数设计是利用多个专用DDS芯片外围借助单片机帮助，实现多信号同步输出，如图1所示。

系统工作时，根据键盘输入，单片机输出频率控制字和相位控制字以及波形选择字，控制专用DDS芯片AD9854产生特定频率和相位的波形，经滤波放大后输出要求的模拟波形。为输出频率相同，相位相关的多路同步信号，控制数据由键盘输入，单片机向各专用DDS芯片输出相同的频率控制字和不同的相位控制字指令，控制各专用DDS芯片输出指定的频率和相位的波形。这样就从整体上实现了频率和相位的连续可调及同步。
AD9854是美国AD公司的DDS系列产品，性能良好，频率可调范围宽。在这样的设计中，利用AD公司的AD9854芯片，尽管有频率可调范围宽，波形丰富，实现调副、调频容易等特点，但是由于是采用分立的专用DDS芯片，各芯片参数很难做到完全相同，参数的差异会造成输出信号频率和相位不同。因此，尽管各DDS芯片采用同一频率字，各个输出信号频率也难以完全相同。同样，由于参数的不一致，波形之间的相位也难以准确调整到位，更重要的是各个信号频率差异的累积效应可能会导致同步失败。另外，专用DDS芯片价格昂贵，设计成本也较高。
基于以上原因，这里给出一种基于单片FPGA的多路同步信号源的设计方案，这种方案具有实现简单、同步性好等优点，且成本较低。

1 基于FPGA技术的多路同步信号源的设计模型
基于FPGA技术的多路同步信号源的整体框图如图2所示。

在本框图中，以三路输出为例，在一个FPGA芯片中，实现了三路基于DDs的信号通道，完成传统上三个专用DDS芯片AD9854完成的功能，实现三路波形的数字输出，在数字信号输出后进行D/A转换，实现三路信号的模拟输出。三个DDS信道频率取自同一个累加器输出的地址值，进行查表，同时相位的加法实现也是针对同一个累加器输出的地址，消除了分立专用DDS芯片计算的误差。由于在一块芯片中实现，所以各DDS信道的参数一致性好，分立专用DDS芯片的外部连线带来的延时误差也被降到最低。因此，通过以上措施，可以大大改善信号的一致性，可实现精准的相位连续调节。

单片机及总线配置电路通过键盘实现人机接口。通过4×4矩阵式键盘可以将频率选择、初始相位选择等数据输入单片机并经单片机处理后送FPGA，实现DDS的调整。
FPGA是完成DDS多信号产生的核心部件，完成DDS多路同步信号的产生。

2 基于DDS技术的多路同步信号输出的FPGA核心设计

2.1 一般DDS的工作原理
DDS(Direct Digital Synthesizer)是从相位概念出发直接合成所需的波形的一种频率合成技术。一个DDS信号发生器是由：相位累加器、波形数ROM表、D/A转换器以及模拟低通滤波器LPF组成，原理框图如图3所示。DDS技术的核心是相位累加器，相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值，随后通过查表变换，地址值被转化为信号波形的数字幅度序列，再由数/模变换器(D/A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压，最后经由低通滤波器将D/A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形。相位累加器在时钟Fc的控制下以步长F作累加，输出的值与相位控制字P相加后形成查表的地址值，对波形ROM进行寻址。波形ROM的输出值即是幅度值，经过D/A变换后形成阶梯状的波形，最后通过低通滤波平滑成所需的波形。合成信号的波形取决于ROM表中的幅度序列，通过修改数据可以产生任意波形，如果要产生多种波形，只需把所需的多种波形数据存放到波形ROM表中。一般DDS的原理示意图如图3所示。

2.2 同步多路输出DDS的工作原理
同步多路输出DDS工作原理示意图如图4所示。

由方框图可以看出，从同一个相位累加器输出的地址值在进行查表之前，根据需要有不同的相位字进行加法运算，再根据新的地址进行查表，从而形成波形之间需要的相位值。由于各个输出信号是在DDS内对同一个累加器输出的地址进行相位的加法，参数一致，相位的可调性非常好。频率取自同一频率字，各个信号存在固定的同步同频特性，因此输出的信号源同步性能优越，完全满足设计要求