基于正交信号产生的方法比较

陈亮名，杨 昆

(西南交通大学 四川 成都 611756)

基于正交信号产生的方法比较

陈亮名，杨 昆

(西南交通大学 四川 成都 611756)

文中针对不同应用领域需要不同特性正交信号的问题，采用罗列比较的方法，通过具体电路的设计、制作、测试、分析、对比，得出了4种典型的正交信号产生方法及各自的优缺点。正交信号产生有4种典型的设计方案：单片机数字合成法，FPGA直接数字式频率合成器法，DDS集成芯片AD9851合成法,RC-CR相移网络法。文中介绍了这4种正交信号产生方法的具体原理并对各方法在幅值调节，频率调节范围，正交性等方面做了详细的对比，以便在不同设计要求下选择相应的设计方案。

正交信号；单片机；FPGA；相位；幅度

随着科技的发展，正交技术已广泛的应用于航天导航，电子对抗，频率特性测试等领域。而在正交调制解调，传感器频率测试等不同场合对正交信号的要求是不同的，如雷达，导航等军事研究中的正交调制技术，其需要一对相位严格正交、幅度严格相等的载波；又如传感器频率特性测试，其需要低频范围精准可调正交信号来作为测试信号。因此有必要对正交信号的产生方法进行总体上的把握，能对不同的工程背景选择相应的设计方案。

1 对正交信号产生的4种方案介绍

1.1 单片机数字合成波形

1 .1 .1 合成正交波形的基本原理

单片机是一种微型的处理器，具有非常高的灵活性。将离散的正弦波表保存到单片机的数据RAM中，利用单片机的定时器以相同的时间间隔依次输出波表中的数据到DAC,就可以产生一个数字正弦波，经低通滤波器就可以得到一个标准的正弦波。若建立2个互相正交的波表到单片机RAM中，再同步DAC输出经低通滤波器后就得到正交信号了。单片机与DAC的数据转换速率就直接的决定了合成波形的最大频率，因此，我们选择了：外接16 MHz晶振的MSP430F169单片机，单片机内部DAC12进行转换[1]。

在单片机内部数据传输中，一般采用定时器中断，CPU不断从RAM中获取下一个值再写入DAC，递增数据表指针，并且检查表格边界，以便确定何时复位数据表指针。但CPU负载较大，甚至在所需的中断服务时间内不能更新两个DAC。 MSP430F15x/16x这些器件集成了两个 DAC与 1个DMA控制器。DMA控制器的用途是在无需CPU干预情况下将数据从一个位置转移到另一个位置。在本方案中，DMA能够在规定时间内将数据从数据表转移到2个DAC。一个数据表可以同时用于正弦波与余弦波，两条DMA通道存取数据表的不同部分，以便形成正弦与余弦输出。在每条DMA通道传输完已编程数据值数量之后，从最初编程的源地址开始进行下一次传输，从而使每条DMA通道都构成一个带数据表的环形缓冲区并生成周期波形。在需要下一个DAC数据值之前就可以将其加载到 DAC数据寄存器中，定时器触发DAC以输出新的值。由于2个DAC采用相同的触发信号，因此每个DAC的输出波形相互同步，以便保持相应正弦／余弦关系的正交信号

1 .1 .2 产生波形特性的基本计算

而幅值的控制有2种方法，可以在RAM中放入幅值不同的正弦波波表，单片机检测外部键盘，选择对应的波表进行转换就可以达到改变输出幅度；还可以在外加可控的放大电路[3]。

1 .1 .3 方案的具体实现

MSP430单片机部分:内部按照DMA设置流程进行软件配置；外部通过单片机响应按键改变频率控制字 与定时器计数值X。从而改变输出正交波形的频率。程序框图如图1所示。

图1 改变频率的程序框图Fig.1 Block diagram of changing the frequency

硬件部分：采用2阶Butterworth低通滤波器实现。如图2所示。

图2 低通滤波器硬件原理图Fig.2 Low-pass filter hardware schematics

在示波器上的观测图如图3所示。

图3 示波器观测图Fig.3 Observing figure on oscilloscope

1 .1 .4 方案的优缺点

据实际测试效果看，该方案能准确产生5 Hz～20 kHz的正交信号，有非常好的正交性与频率稳定性。但当频率控制字较大，失真度较大；当定时器计数值较小，定时时间不精准，产生波形大于10 kHz时，波形频率随频率控制字呈非线性增长，最大正弦波频率为28 kHz。改变幅值的2种方案中均有较好的效果，无明显失真。

1.2 FPGA直接数字式频率合成器

1 .2 .1 合成正交波形的基本原理

直接数字式频率合成器的基本原理是从相位的概念合成波形，方便控制产生波形的频率，相位。采用ROM存储量化数据，按照不同频率求出频率控制字K为步进对相位累加器进行累加，ROM根据不同的地址取出不同的数据送DAC转换,再经滤波即可得到所要的波形。该方案由4个部分组成：相位累加器，波形存储器，DA转换器，低通滤波器，如图4

图4 直接数字式频率合成器原理图Fig.4 Direct digital frequency synthesizer schematics

相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加，用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。将波形存储器输出到DAC，再经低通滤波器即可实现频谱纯净的正弦波信号[4]。

1 .2 .2 产生波形特性的基本计算

1 .2 .3 方案的具体实现

数字合成受限于时钟频率及DAC速度，FPGA选择EP2T144C8,DAC选择高速率的DAC900。波形存储器分别存放相位正交的正弦波数据，系统用同一个时钟。硬件实现如图5所示。

图5 FPGA硬件设计图Fig.5 FPGA hardware design figure

1 .2 .4 方案的优缺点

FPGA的直接数字频率合成器技术具有较高的频率分辨率，可实现快速的频率切换，并在频率改变时能够保持相位的连续，易实现频率，相位的数控调制。经实际测试，其产生频率范围为0～20 MHz,高频正交性较好，低频波形较稳定，但幅度控制较麻烦。利用FPGA的高速优势（进行PLL锁相环倍频）设计出超高频率的正交信号，且FPGA内部门逻辑实现是同时执行的，固在随频率的改变仍能保持2路波形严格正交，频率范围较单片机要高。

1.3 DDS集成芯片AD9851合成

1 .3 .1 合成正交波形的基本原理

DDS集成芯片AD9851产生正弦波的原理即是直接数字频率合成器技术，在此不在累述。但AD9851只能输出2路反向的正弦波，因而，我们必须采用同步合成技术。参照其数据手册，在2块AD9851的参考时钟中间的相位差达到最低限度时，利用软件控制加硬件电路就可以实现其输出波形正交。由于参考时钟之间的任何相位差都会在AD9851输出端产生与之成比例的相位差，所以在PCB布局时要合理分配参考时钟以保证参考时钟沿的一致性。

1 .3 .2 产生波形特性的基本计算

在一个reset命令发出后，W_CLK允许独立的编程每个AD9851 40位输入寄存器，通过8位数据总线或串行输入引脚。FQ_UD脉冲发出后结果是完成这两个振荡器输出程序指定的频率和相位。AD9851系统时钟和调谐字输出频率之间的关系表示：

ΔPhase=十进制值的32位频率调谐字。

系统时钟=直接输入参考时钟或6倍频的输入时钟（如果6×REFCLK乘法器启动）。

通过单片机检测外部按键的状态，再改变其频率调谐字来控制频率改变，但幅度的控制只能通过外部的可变增益放大了，但由于波形的频率较大，所需的运放也要求是高速的，其正交性易受影响，固幅度控制在此方案中较难实现。

1 .3 .3 方案的具体实现

同步2块AD9851程序框图如图6所示。

图6 同步2块AD9851程序框图Fig.6 Sync two AD9851 Block Diagram

1 .3 .4 方案的优缺点

本方案实现相对较简单，其在0～20 MHz就有较好的输出波形，在20～40 MHz频率稳定性不高，杂波成分较多。在100 Hz～10 MHz具有非常好的正交性，但大于30 MHz的2路波形的相位差为（75°～100°），且频率稳定度不高，波形出现晃动。幅度调节难以控制。

1.4 RC-CR相移网络法

1 .4 .1 合成正交波形的基本原理

RC-CR相移网络法是一种传统的合成正交信号的方法。其基本的电路结构如图所示，其基本原理是通过一个最基本的高通滤波器与低通滤波器及RC-CR来实现其2路输出相位差为90度，虽然电路非常简单，但滤波器的通频带非常窄[6]。

1 .4 .2 产生波形特性的基本计算

1 .4 .3 方案的具体实现

该方案采用单端信号输入，分别经过RC与CR相移网络实现2路正交信号输出。RC-CR相移电路图如图7所示。

图7 RC-CR相移电路图Fig.7 RC-CR phase shift circuit

1 .4 .4 方案的优缺点

在低频点具有较好的正交性，高频时易受发布参数的影响，正交性不好，且整个动态范围非常窄，由于波形来自于同一个输入，固幅度控制较简单。波形的好坏还受输入的单端信号的质量影响。

2 各方案的对比

各方案的对比如表1所示。

表1 各方案的对比Tab.1 Comparison of various programs

3 结论

通过正交信号产生方法及特性比较的研究与比较，可以得出：正交调制技术中，我们的最佳方案是FPGA直接数字式频率合成器，因为该方案产生波形稳定，且相位可调的，符合调制技术的要求；而在传感器频率特性测试中，我们应该选择RC-CR相移网络法，因为该方法能产生低频精准信号，且方法简单。在其他的场合，可以根据应用领域的要求，选择最符合设计要求的方案，从而达到方案最优，花费最少，效果最好的工程设计目的。

[1]张俊谟.单片机中级教程[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2]Texas Instruments.Mike Mitchell.微控制器无需CPU即可生成同步正弦波与余弦波 [EB/OL].[2004].http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=35657

[3]全国大学生电子设计组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M].北京：北京理工大学出版社，2003.

[4]江国强.EDA技术与应用.[M].3版.北京：电子工业出版社，2010.

[5]郝小红.基于FPGA的正交信号发生器[J].自动测量与控制,2008,27(5):77-78.

HAO Xiao-hong.Quadrature signal generator based on FPGA[J].Automated Measurement and Control,2008,27(5):77-78.

[6]刘国越，梅一珉.一种压控型正交信号发生器设计[J].浙江工业大学报,2011,39(1):102-103.

LIU Guo-yue.MEI Yi-min.A voltage controlled quadrature signal generator design[J].Zhejiang University of Technology,2011，39(1):102-103.

[7]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础 模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

Quadrature signal generation method based on comparison

CHEN Liang-ming,YANG Kun
(Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

To the problem that different applications require different characteristic orthogonal signal problem,this article,using comparative and listed methods and passing through the specific circuit design,production,testing,analysis,comparison,obtained four typical methods that produce orthogonal signal and their respective advantages and shortcomings.Producing orthogonal signal has four kinds of typical designs:Single-chip digital synthesis,FPGA direct digital frequency synthesizer method,DDS chip AD9851 synthesis,RC-CR phase shift network method.This article introduces the specific principles of these methods and makes a detailed comparison in the amplitude adjustment,the range of adjusting frequency,orthogonality and so on to select the appropriate design fitting different designs.

quadrature signal;SCM;FPGA;phase;amplitude

TN98

A

1674-6236（2014）13-0171-04

2013-10-17 稿件编号：201310108

陈亮名（1993—），男，湖南邵阳人。研究方向：自动化。