基于DDS的数字信号调制器的设计与实现

第26卷　第1期
2010年1月福建师范大学学报(自然科学版)Jo ur nal of F ujian N or mal U niver sity (Nat ur al Science Edition)V ol.26　N o.1Jan.2010文章编号:1000-5277(2010)01-0047-04
基于DDS 的数字信号调制器的设计与实现
林惠君1,吴进营2
(1.福建师范大学数学与计算机科学学院,福建福州　350108;
2.福建师范大学物理与光电信息科技学院,福建福州　350108)
摘要:介绍一种基于DD S 技术的数字调制信号的实现方法.系统采用Alter a 公司EP 2C35系列的FP GA
芯片,基波频率在1kHz 至70M Hz 内可调,实现对输入信号进行FM ,F SK ,A M ,A SK ,P SK 高频调制.
电路具有体积小,稳定性好,可调制信号的步进精度高,输出波形失真小等特点.
关键词:A M ;PSK ;直接数字合成;高频调制;数字调制
中图分类号:T N 911.7 文献标识码:A
　收稿日期:2009-01-05　基金项目:福建省教育厅资助项目(JB06106)
　作者简介:林惠君(1981-　),女,福建福州人,讲师,硕士.
Designation and Implementation of High
Frequency Signal Generator Based on DDS
LIN Hui -jun 1,WU Jin -ying 2
(1.School of M athematics and Comp uter Science ,Fuj ian N or mal U niver sity ,Fuz hou 350108,China ;
2.School of P hy sics and Op toElectronics T echnology ,Fuj ian N or mal Univers ity ,Fuz hou 350108,China )
Abstract :Direct dig ital synthesis (DDS)is w idely used in the field of wireless com muni-
cation.W ith FPGA,the design and implementation of signal m odulator based o n DDS is in-tr oduced.T his system is mainly co ntrolled by EP2C35of Altera,w hich fundam ental frequen-cy is adjustable,betw een 1kHz and 70M Hz.T he system features sm all volume,w ell stabili-ty ,high step precision and o utput w aveform undistorted .
Key words :AM ;PSK ;DDS ;hig h -frequency amplification ;hig h -frequency mo dulation
随着现代电子技术和大规模集成电路的发展,直接数字合成(Direct Digital Synthesis ,DDS )技术得到了飞速发展,已成为最重要的频率合成技术[1].DDS 的概念是1971年由美国人J .Tierney 首先提出来的,DDS 是一种以奈奎斯特时域采样定理理论为基础,从相位概念出发,在时域中直接合成所需波形的一种新的全数字技术的频率合成方法,具有易于程控,相位连续,输出频率稳定度高,转换
速度快,频率分辨率高等优点[2].
DDS 的基本原理是使用高速片上存储器作为查找表,将模拟信号采集量化后存入查找表中,通过寻址查找表输出波形数据,再经高速D/A 转换及滤波后,恢复存储在存储器内的波形.因此,利用DDS 技术不仅能产生各种常见波形,而且还可以利用各种编辑手段产生传统函数发生器不能实现的波形[3].
采用FPGA 来实现DDS 算法,具有控制方式灵活,功能可扩性强,容易实现SOPC 设计.本设计采用Alter a 公司EP 2C 35系列的FPGA 芯片,设计的信号调制器具有控制灵活、输出频率准确稳定、波形质量高和输出频率范围宽等优点[4]
.1　DDS 原理及设计
DDS 的基本原理如图1所示.首先,采用稳定的晶体振荡器作为参考时钟源,在每一个参考时钟
脉冲输入的时候,频率控制字(Frequency Setting Word,FSW )累加一次,相位累加器的输出就增加一个步长的相位增量值,这样累加器把频率控制字的数据变换成相位增量,一旦给定了相位增量,输出合成频率的大小也就确定了.接着将累加器的输出作为访问波形存储器的地址,波形存储器输出相应地址的波形数据,当用这样的数据寻址时,正弦查找表就把存储在相位累加器中的抽样数字值转化成近似正弦波幅度的数字量函数,送到D /A 转换器变成模拟量.然后,低通滤波器进一步平滑近似正弦波的锯齿阶梯,并衰减不需要的抽样分量和其他杂散信号,最后得到所需的波形信号.DDS 系统除了D/A 转换和滤波器之外全都是数字集成电路,因此系统易实现集成化和小型化
.
图1　DDS 的基本原理
DDS 模块控制块各参数位
数定义如下:频率控制字M =20
位,相位累加器N =21位,波形
数据采样的个数W =10位,波形
数据的精度L =10位,则DDS 输
出频率和参数间的关系便可按如
下进行计算.设系统时钟频率f s ,输出波形频率f o ,频率控制字FSW 其值用K 表示,则输出频率表达式为f o =f s 2N K .通常用频率增量表示频率合成器的分辨率,可得DDS 的分辨率为: f o min =f s
2N ,这个增量即为最低的合成频率.最高的基波合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制,f o min f s 2
(K =2N -1).选择参考时钟频率为212.5M Hz,则频率分辨率为 f o min =f s 2N = 2.125×108221
=101.328Hz,本系统的最高理论输出频率为 f o max =K ×f s 2N =106.250MHz .考虑到D/A 在高频时转换线性度下降,频率越高采样点越少等因素的影响,实际的输出的频率应控制在70M Hz 以内较为理想.
2　系统设计方案
本设计的基本思路是将输入的数字或模拟信号sigal 与DDS 基波信号进行不同方式的运算处理,以实现对输入信号进行FM ,FSK,AM ,ASK ,PSK 高频调制,最后从out 端输出调制波.为了使系统具有更强的适用性,系统中的基波是可选择,用户可以选择正弦波、三角波、方波以及自定义波形.同时,为了简化设计和节约资源,系统采用共享DDS 模块方式设计.信号调制基本原理如图2所示,FM ,FSK 调制方式是根据输入信号的幅度来改变基波的频率,因此这两个模块通过反馈控制基波的频率来实现信号调制;而AM ,ASK,PSK 通过信号的幅度来改变基波的幅度和相位,因此通过对基波输出的信号和输入信号进行相应运算来实现调制.
信号调制模块使用Ver ilog hdl 语言实现,模块的端口定义如表1所示.clk 由PLL 将外部50M Hz 晶振倍频为212.5MHz 后提供给各模块使用;clr 为清零端;freq 用于设置基波频率,各种调制信号是基于该频率进行调制的;sele 是各种不同调制类型的选择;sigal 是输入被调制的数字或模拟信号;o ut 是输出调制完成的信号.
表1　调制模块Verilog hdl 语言端口描述
mo dule Sig alW ave (clk,clr ,freq,sele ,sig al,out);
input clk;∥系统同步时钟
input clr ;
∥清零复位信号input [19:0]freq;
∥基波频率设置input [2:0]sele;
∥调制类型选择input [9:0]sig al;
∥通讯信号输入o utput [9:0]o ut ;∥调制信号输出
48福建师范大学学报(自然科学版) 2010年　
3
　信号调制设计
图2　信号调制框图
本设计实现了对输入的数据或模拟信号进行FM ,
FSK,AM ,ASK,PSK 高频调制.其中AM 幅度调制是正
弦型载波的幅度随调制信号作线性变化的过程.设正弦型
载波为:s (t )=A cos(w c t + 0).其中w c 为载波角频率, 0
为载波初始相位,A 为载波幅度.幅度调制信号(已调信号)
可以表示成S m (t )=Am (t )cos(w c t + 0),其中m (t )为基
带调制信号.
本系统可实现调制信号的调幅深度可调,可将被调制
信号加上一定比例的直流分量,则幅度调制信号表示为
S m (t )=A (m (t )+b )co s(w c t + 0).
在系统中正弦型载波s (t )=A cos(w c t + 0)是由DDS
产生,m (t )是signal 输入被调制信号,而b 是根据调制百分
比而计算出的值.在AM 模块中,根据以上相关的值进行运
算并输出的调幅信号.A M 的调制实现如下所示.
alw ays @(Sigal )
beg in
Va =Sig al [9:4];
Vb=b-Sigal [9:1];
End
alw ays @(posedge clk )
beg in
out=BaseWave [9:5]*V a-Vb;
End
FM 定义为载波频率按调制信号规律变化(瞬时角频率是调制信号的线性函数)的一种调制方式[5].设载波频率为f c ,调制信号频率为f ,则根据调频原理,得调频信号为:y (t )=sin(w c +sin w t )t .FM 调制是在原有的基频上叠加与信号幅度成线性关系的频偏,然后将该频率值去控制DDS 信号发生图3　调制波形图模块,FM 调制的Verilog hdl 语言实现如下.
alw ays @(po sedg e clk)
Begin
o ut =freq +n *sigal ; ∥FM
输出频率随信号而变化
End
FSK 的调制原理与FM 调制原理相
近,都是根据信号值去改变频率的值;而
PSK 是根据输入数字信号去改变基波的相
位;ASK 是根据输入数字信号去对基波进
行调幅[6].在硬件实现上,选用Altera 公司
的EP2C35系列FPGA,用Quar tus Ⅱ7.1进
行综合和布局布线,并在自行研究的FPGA
实验板上进行下载验证.图3通过示波器展
示观察到的波形图.49　第1期 林惠君等:基于DDS 的数字信号调制器的设计与实现
50福建师范大学学报(自然科学版) 2010年　
4　结论
根据对DDS和AM、FM等的理论和实现方案的研究,采用共享DDS技术,把几种数字及模拟调制原理用FPGA实现,以相位累加器和波形存储器为主要硬件模块,从而设计出了应用于通信等领域载波调制信号发生器,并利用Quartus软件在Altera EP2C35芯片上予以实现.该信号发生器频率、频偏可调,最高输出载波频率达70MHz.
参考文献:
[1]付扬.基于F PG A直接数字频率合成两种控制电路设计[J].微计算机信息,2007,23(4):221-222.
[2]孙超,林占江.基于DDS的雷达任意波形信号源的研究[J].电子测量与仪器学报,2008,22(2):31-36.
[3]田书林,刘科,周鹏.基于双DD S的高速任意波发生器实现技术[J].仪器仪表学报,2004,25(4):557-560.
[4]尹继武.基于DDS技术提高频谱仪的频率分辨率[J].传感器与仪器仪表,2008,24(5):153-154.
[5]戈立军,吴虹,司敏山.基于DDS技术的F M信号发生器的设计及其F PG A实现[J].南开大学学报:自然科学版,
2007(6):95-99.
[6]王炜,赵可萍,郑易.基于F PG A的调制信号电路设计[J].微计算机信息,2007,23(2):206-207.
(责任编辑:黄家瑜)
(上接第46页)
4　结论
在LM I方法的基础上,提出一种降低求解保守性的线性离散系统的H∞PI控制器设计理论.选择PWM型DC-DC模型实物,建立simulink仿真模型.仿真结果表明该控制器在输入受扰和负载扰动时, PI控制器均能保证系统具有满意的输出品质.将来还可以继续完善该方法在不同系统中的应用.
参考文献:
[1]Chou Y S,L eu J L.St able contr oller desig n fo r M IM O systems:an LM I a ppro ach[J].Co ntro l T heo ry&A pplica-
tions,2007,1(3):817-829.
[2]M a S,Zhang C.Delay-dependent r obust H∞contr ol for uncer tain discrete-time sing ular sy stems with time-delays
[J].Jour nal o f Computatio nal and Applied M a thematics,2008,1(15):194-211.
[3]俞立.鲁棒控制——线性矩阵不等式处理方法[M].北京:清华大学出版社,2002.
[4]俞立.不确定离散系统的最优保性能控制[J].控制理论与应用,1999,16(5):639-642.
[5]Y ang F,Wang Z,Hung Y S,et al.H∞co ntr o l for netw o rked systems w ith random co mmunicatio n delay s[J].IEEE
T rans A utomat ic Contr ol,2006,51(3):511-518.
[6]Peaucelle D,A r zelier D,Bachelier O,et al.A new r obust D-stabilit y conditio n fo r rea l convex po lyto pic uncer taint y
[J].Sy stems and Contr ol L etter s,2000,40(1):21-30.
(责任编辑:黄家瑜)。