基于FPGA的DDS移相变频正弦信号发生器设计

杨春红，李 石

（1.华北光电研究所，北京 100015；2.中国电子科技集团公司信息科学研究院（创新院），北京 100015）

基于FPGA的DDS移相变频正弦信号发生器设计

杨春红1，李 石2

（1.华北光电研究所，北京 100015；2.中国电子科技集团公司信息科学研究院（创新院），北京 100015）

直接数字频率合成技术（DDS）由于具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位噪声低和频率稳定度高等优点，广泛应用于通信、航空航天、仪器仪表等领域。本文以FPGA为核心，以硬件设计语言VHDL为系统逻辑描述手段，设计了基于DDS原理的可移相、变频的正弦信号发生器。仿真及实验结果表明：该系统具有输出频率稳定、频率精度高，频率和相位可调等特点。

正弦信号发生器；直接数字频率合成；现场可编程门阵列；超高速集成电路硬件描述语言

1 引言

信号发生器是一类非常重要的电子仪器，在科学实验、产品研制以及系统测试中都是必不可少的。在现代电子测量技术的研究及应用领域中，常常需要高精度且频率可调的信号源。而随着大规模可编程逻辑器件FPGA的发展以及可编程片上系统（SOPC）设计技术的日渐成熟，为这类信号发生器的设计与实现提供了理论依据与技术支持。

直接数字式频率合成技术（DDS）是新一代的频率合成技术，由于具有频率切换时相位连续、噪声低以及全数字化易于集成等优点而被广泛采用。随着近几年对DDS的深入研究以及该技术的发展，目前DDS技术已广泛应用于通信、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。

2 DDS工作原理

典型的DDS系统结构如图1所示，这种结构可以分为四个部分：相位累加器、波形ROM查找表、数模转换器（DAC）以及低通滤波器（LPF）。频率控制字K和相位控制字分别控制DDS输出波形的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成，每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长K增加。

图1 DDS系统结构

其工作过程为：在时钟f的作用下，相位累加器对频率控制字K进行线性累加，当相位累加器累积满量时，就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。其与相位控制字之和送至波形ROM查找表进行转换。当取不同的频率控制字K时，将导致相位累加器的不同相位增量，这样波形ROM查找表输出的波形频率就不同。从波形ROM查找表输出的幅度码，经过DAC变换后得到模拟的阶梯波电压，阶梯波电压经LPF平滑后，可得到所需的波形信号。

3 正弦波设计及其仿真

DDS系统可以很方便地获得频率分辨率很精细且相位连续的信号，也可以通过改变相位字改变信号的相位，因此也广泛用于数字调频和调相。在系统频率控制字K不变的情况下，通过改变系统的移相位进而改变寻址地址，从而改变了波形的相位。波形的变频是通过改变系统的频率控制字的输入，在系统抽样时间间隔不变的情况下，将会直接导致系统的频率变化。正弦波信号在QUARTUS Ⅱ仿真如图2，移相π/2仿真如图3，2倍变频仿真如图4。

图2 正弦波仿真结果

图3 移相π/2正弦波仿真结果

图4 2倍变频的正弦波仿真

4 硬件实现与测试

硬件系统采用核心板与外设板组合的形式，其核心板采用的FPGA主芯片是某公司的Cyclone Ⅱ系列EP2C5Q208C8，两个外设版分别具有按键输入和DA输出的功能，如图5。通过示波器检测到系统产生的正弦波信号如图6，其移相变频后如图7。

图5 FPGA硬件系统

图6 示波器检测到的正弦波

图7 移相变频后的正弦波

5 结束语

本文分析了DDS的结构组成及工作原理，选择了以FPGA为核心的设计方案，该方案不用外接专用DDS芯片，具有高性价比、电路结构简单等特点。选择某公司的EP2C5Q208C8为核心芯片，以VHDL为描述手段，设计出了一种结构简单、性能优良的移相变频正弦信号发生器。实验结果表明，该信号发生器具有输出频率准确、频率稳定度和分辨率高、转换速度快等特点。

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鼎桥推出应急部署解决方案

近日，鼎桥通信技术有限公司（鼎桥）在2014年中国国际信息通信展览会上首次推出应急部署解决方案。此方案是鼎桥经过在TD-LTE领域多年的技术积累，以及对行业需求的深入挖掘后，推出的定制化成熟解决方案。该解决方案主要应用于各类应急场景，如重大活动保障、公安应急、突发事件救援、城市安保等。可实现迅速为应急沿路及任务现场提供基于4G的专业集群服务，真正做到“快速部署，全面掌控”。

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Design of DDS Phase Shift and Frequency VariableSine Signal Generator Based on FPGA

Yang Chunhong1, Li Shi2
(1. North China Research Institute of Electro-optics, Beijing,100015;2. CETC Information Science Academy, Beijing,100015)

The direct digital frequency synthesis (DDS) technology has high frequency resolution, fastfrequency switching, low phase noise and higher frequency stability, so it is widely used in communications,aerospace, instrumentation and other fields. In this paper, phase shift frequency variable sine signal generatorwith DDS as its core was designed based on Field Programmable Gate Array (FPGA) and hardware descriptionlanguage (VHDL). The experimental and simulation results show that the system has stable output frequency, highfrequency accuracy, adjustable frequency and phase.

Sine Signal Generator; Direct Digital Frequency Synthesis (DDS); Field Programmable GateArray; Very High Speed Hardware Description Language

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.10.006

TN77

A

1672-7274（2014）10-0019-03

杨春红，女，1978年生，北京人，硕士，研究方向为测试技术。

李 石，男，1981年生，江苏徐州人，硕士，工程师，研究方向为测试技术。