DspBuilder使用讲解

第9章 DDS设计
数据线位宽
相 位 字 输 入同 步 寄存器
N
频 率 字 输 入同 步 N 寄存器
clk 系统时钟
N
M
M
寄存器
相位调制器 相位累加器
正 弦 ROM 查找表
正弦信号输出 D/A
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余 弦 ROM 查找表
余弦信号输出 D/A
图9-2 正交信号发生器
第9章 DDS设计
幅度调制在很多场合是需要的。我们改进基本DDS 结构，在正弦ROM表后、D/A前放置一个幅度控制模 块，一般采用乘法器来实现。如图9-3。
第9章 DDS设计
剩下的模块构成幅度控制部分，模块参数如下： Product模块：(Product) 库：Altera DSP Builder中Arithemtic库 参数“Pipeline”设为“2” 参数“Clock Phase Selection”设为“1” 不选择“Use LPM”
第9章 DDS设计
库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Node Type”设为“Input port” 参数“number of bits”设为“32”
第9章 DDS设计
Phaseword模块：(Altbus) 库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Node Type”设为“Input port” 参数“number of bits”设为“16”
(9-2) (9-3)
第9章 DDS设计
其中fclk指clk的频率，对于，可以理解成“满”相 位。为了对进行数字量化，把切割成2N份，由此，每 个clk周期的相位增量可用量化值来表述为
B


2π
2N
且 为 整 数 。 与 (9-3) 式 联 立 ， 可 得 ：
B f out
2N
f clk
第9章 DDS设计
图9-4 DDS子系统SubDDS
第9章 DDS设计
图中，DDS子系统SubDDS共有三个输入，分别为 Freqword( 频 率 字 输 入 ) 、 Phaseword( 相 位 字 输 入 ) 和 Amp(幅度控制输入)；一个输出，为DDSout。输入/输 出模块的参数设置如下： Freqword模块：(Altbus)
“++” 选择“Pipeline” 参数“Clock Phase Selection”设为“1”
第9章 DDS设计
BusConversion2模块：(BusConversion) 库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Input Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Input [number of bits].[]”设为32 参数“Output Bus Type”设为“Signed Integer” 参数“Output [number of bits].[]”设为“10” 参数“Input Bit Connected to Output MSB”设为“31” 参数“Input Bit Connected to Output LSB”设为“22” 使用“Round”
B
2N

f out f clk
(9-4)
第9章 DDS设计
显然，信号发生器的输出可描述为：
Sout

Asin(k 1 Δ )
A
sin

2π 2N

B k1
BΔ


Afsin
B k1
B
(9-5) 其中，指前一个clk周期的相位值，同样可以得出
B 2 N f out / fclk故相位累加器的输入又可称为频率
字输入，事实上，当系统基准时钟fckj是2N时，就等于 fout。频率字输入在图9-1中还经过了一组同步寄存器， 使得当频率字改变时不会干扰相位累加器的正常工作。
第9章 DDS设计
相位调制器接收相位累加器的相位输出，在这里加 上一个相位偏移值，主要用于信号的相位调制，如 PSK(相移键控)等。在不使用时可以去掉该部分，或者 加一个固定的相位字输入。相位字输入也需要用同步 寄存器保持同步。需要注意的是，相位字输入的数据 宽度M与频率字输入N往往是不相等的，M<N。
第9章 DDS设计
正弦ROM查找表完成的查表转换，也可以理解成相 位到幅度的转换，它的输入是相位调制器的输出，事 实上就是ROM的地址值；输出送往D/A，转化成模拟 信号。由于相位调制器的输出数据位宽M也是ROM的 地址位宽，因此在实际的DDS结构中N往往很大，而M 总为10位左右。M太大会导致ROM容量的成倍上升， 而输出精度受D/A位数的限制未有很大改善。因此，在 实际应用中，对于ROM容量的缩小，人们提出了很多 解决方法。
第9章 DDS设计
下面给出一些关于基本DDS结构的常用参量计算。
1. DDS的输出频率fout 由DDS工作原理推导的公式中很容易得出输出频率 的计算：
f out

B 2N

f clk
(9-7)
是频率输入字，fclk是系统基准时钟的频率值，N是
相位累加器的数据位宽，也是频率输入字的数据位宽。
BusConversion3模块：(BusConversion) 库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Input Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Input [number of bits].[]”设为“20” 参数“Output Bus Type”设为“Signed Integer” 参数“Output [number of bits].[]”设为“10” 参数“Input Bit Connected to Output MSB”设为“18” 参数“Input Bit Connected to Output LSB”设为“9” 使用“Round” 使用“Saturate” 最后，建立子系统。至此，基本DDS模型就建立完成。
第9章 DDS设计
相 位 调 整 部 分 由 Parallel Adder Subtractor1 模 块 和 BusConversion2模块构成，参数如下：
Parallel Adder Subtractor1模块：(Parallel Adder Subtractor) 库：Altera DSP Builder中Arithmetic库 参数“Number of Inputs”设为“2”，“Add(+)Sub(-)”设为
“++” 选择“Pipeline” 参数“Clock Phase Selection”设为“1”
第9章 DDS设计
Delay模块：(Delay) 库：Altera DSP Builder中Storage库 参数“Depth”设为“1” 参数“Clock Phase Selection”设为“1”
Phaseword1模块：(Altbus) 库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Node Type”设为“Internal Node” 参数“number of bits”设为“32”
第9章 DDS设计
9.2.2 DDS模型的使用 在此调用上面设计的DDS子系统SubDDS，构建一个
简单的DDS应用模型，见图9-5。
第9章 DDS设计
图9-5 DDS的使用
第9章 DDS设计
输入相位字为0，频率字为2000000，幅度控制值为 124，设置Simulink的仿真停止时间Stop Time为5，仿 真步进Fixed Step Size设为1e-3。
Bk 1
k1
2π
2N
(9-6)
第9章 DDS设计
由上面的推导可以看出，只要对相位的量化值进 行简单的累加运算，就可以得到正弦信号的当前相位 值；而用于累加的相位增量量化值决定了信号的输出 频率fout，并呈现简单的线性关系。直接数字合成器 DDS就是根据上述原理而设计的数字控制频率合成器。
图9-1所示是一个基本的DDS结构，主要由相位累加 器、相位调制器、正弦ROM查找表和D/A构成。图中 的相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表是DDS 结构中的数字部分，由于具有数控频率合成的功能， 又合称为NCO(Numerically Controlled Oscillators)。
第9章 DDS设计
下面开始仿真。图9-6显示了仿真结果。
第9章 DDS设计
图9-6 仿真结果
第9章 DDS设计
9.3 FSK调制器设计
其中Sout是指该信号发生器的输出信号波形，fout指 输出信号对应的频率。上式的表述对于时间t是连续的， 为了用数字逻辑实现该表达式，必须进行离散化处理。 用基准时钟clk进行抽样，令正弦信号的相位：
2πfoutt
在一个clk周期Tclk内，相位的变化量为：
Δ

2πf outTclk

2πf out f clk
第9章 DDS设计
第9章 DDS设计
9.1 DDS的基本原理 9.2 DDS的模块设计 9.3 FSK调制器设计
第9章 DDS设计
9.1 DDS的基本原理
我们知道，对于正弦信号发生器，它的输出可以 用下式来描述：
Sout Asint Asin(2πfoutt).
(9-1)
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第9章 DDS设计
相位字输入
幅度调制
频率字输入 相位累加器 clk
相位调制器
正 弦 ROM 查找表
送 D/A
图9-3 幅度调制
第9章 DDS设计
9.2 DDS的模块设计
9.2.1 建立DDS模型 首先在Simulink中新建一个模型，调用DSP Builder模
块构成图9-4所示的基本DDS子系统SubDDS。
第9章 DDS设计
由 Delay 模 块 和 Parallel Adder Subtractor 模 块 以 及 Phaseword1模块构成相位累加器，其参数如下：
Parallel Adder Subtractor模块：(Parallel Adder Subtractor) 库：Altera DSP Builder中Arithmetic库 参数“Number of Inputs”设为“2”，“Add(+)Sub(-)”设为
Amp模块：(Altbus) 库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Node Type”设为“Input port”
第9章 DDS设计
参数“number of bits”设为“10”
DDSout模块：(Altbus) 库：Altera DSP Builder中Bus Manipulation库 参数“Bus Type”设为“signed Integer” 参数“Node Type”设为“Output port” 参数“number of bits”设为“10”
第9章 DDS设计
2. DDS的频率分辨率 或称频率最小步进值，可用频率输入值步进一个
最小间隔对应的频率输出变化量来衡量。由(9-7)易得
f out

f clk 2N
(9-8)
3. DDS的频率输入字的计算
的计算公式如下：
B
2N

f out f clk
第9章 DDS设计
对于通信上的应用，往往需要得到一对正交的正弦信 号，以便进行正交调制和正交解调。在用模拟的压控振 荡器VCO时，输出一组完全正交的信号较为困难，而对 于DDS而言，只要在基本DDS结构中增加一块ROM查 找表，在两块ROM中分别放置一对正交信号即可(如一 个放置sin表、另一个放置cos表)，如图9-2所示。
数据线位宽
相 位 字 输 入同 步 寄存器
N
频 率 字 输 入同 步 N 寄存器
clk 系统时钟
N
M
M
寄存器
相位调制器
相位累加器
正 弦 ROM 查找表
正弦信号输出 D/A
图9-1 基本DDS结构
第9章 DDS设计
相位累加器是整个DDS的核心，在这里完成上文原 理推导中的相位累加功能。相位累加器的输入是相位 增量，又由于与输出频率fout是简单的线性关系：，