基于FPGA和DDS的数字调制信号发生器设计与实现

摘要：为了提高数字调制信号发生器的频率准确度和稳定度，并使其相关技术参数灵活可调，提出了基于FPGA和DDS技术的数字调制信号发生器设计方法。利用Matlab／Simulink、DSP Builder、QuartusⅡ3个工具软件，进行基本DDS建模，然后在DDS模块的基础上，通过单片机等电路组成的控制单元的逻辑控制作用，根据通信系统中数字调制方式的基本原理，设计并实现了数字调制信号发生器，从而实现二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)和二进制幅移键控(2ASK)3种基本的二进制数字调制。所得仿真结果表明设计方法的正确性和实用性。
关键词：数字调制信号；直接数字频率合成器；FPGA；DSP Builder

    信号发生器种类很多，按是否利用频率合成技术来分，可分为非频率合成式信号发生器与频率合成式信号发生器。其中频率合成式信号发生器的频率准确度和稳定度都很高，且频率连续可调，是信号发生器的发展方向。频率合成技术发展很快，先后经历了：直接模拟频率合成技术、锁相频率合成技术(PLL)、直接数字式频率合成技术(DDS)和混合式频率合成技术。模拟频率合成的信号发生器电路硬件结构复杂，体积大，价格昂贵，不便于集成化；PLL易于集成化，体积小，结构简单，功耗低，价格低，而且具有极宽的频率范围和十分良好的寄生信号抑制特性，但频率切换时间相对较长，相位噪声较大；DDS是基于取样技术和数字计算技术来实现数字合成，产生所需频率的正弦信号，极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤其适于合成任意波形，集成度高，体积小，其因频率分辨率高、频率切换速度快、相位噪声低和频率稳定度高等优点而成为现代频率合成技术中的佼佼者。直接模拟式、锁相环式和直接数字式频率合成技术都有其优缺点，单独使用任何一种方法，有时也很难满足要求。此时可将这几种方法综合应用，即为混合式频率合成技术。而随着微电子技术和EDA技术的深入研究及发展，DDS技术更是得到了飞速的发展，同时，基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的设计具有灵活、速度快等优点。因此，本文将基于DDS技术，应用Altera公司推出的DSP Builder和QuartusⅡ软件进行基本DDS建模，然后在DDS模块的基础上，通过单片机等电路组成的控制单元的逻辑控制作用，完成一个基于FPGA硬件平台的数字调制信号发生器的设计与实现。使其具有频率分辨率高、准确度和稳定度高、抗干扰能力强、相关技术参数灵活可调等优点。

1 DDS及数字调制方式的基本原理
1．1 DDS的基本原理
    直接数字频率合成器(Direet Digital Frequencv Synthesizer-DDS)是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。DDS频率合成器具有以下优良的性能：工作频率范围很宽；极高的频率分辨力；极短的频率转换时间；任意波形输出能力；数字调制性能好等。
    以合成正弦信号为例说明DDS的基本原理。对于一个正弦信号可表示如下：
    Sout=Asin(ωt)=Asin(2πfoutt)       (1)
    其中：Sout为正弦信号，fout为正弦信号的频率。上式正弦信号表示对于时间t是连续的，为了用数字逻辑实现该表达式，需要进行离散化处理。用基准时钟进行fclk采样，令正弦信号的相位为：θ=2πfoutt，在一个基准时钟周期Tclk内，相位的变化量为：

    由上所述，只要将相位的量化值进行累加运算，就可以得到正弦信号的当前相位值θk。其中用于累加的相位增量量化值B△θ决定了信号的输出频率fout，而且为简单的线性关系。这就是直接数字合成器DDS的设计原理。

    图1所示为一个基本的DDS结构，主要由相位累加器(PD)、相位调制器、正弦查找表(波形存储器ROM)、数模转换器(DAC)等构成。相位累加器是DDS的核心部件，其输入是相位增量B△θ，由于与输出频率fout成线性关系，故相位累加器的输入又可以称为频率字输入，事实上，当系统基准时钟频率fclk为2N时，B△θ就等于fout。相位累加器在基准时钟的作用下进行相位累加，当累加满时产生一次溢出，就完成一个周期的信号合成。
    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)，不使用时可以去掉该部分，或者加一个固定的相位字输入。
    正弦查找表进行波形的相位到幅度的转换，它的输入是相位调制器的输出，也就是波形存储器的地址值，其输出送往数模转换器，转化成模拟信号，再经低通滤波器滤除其中的高频成分，将其变成光滑的正弦波输出。
    由于相位调制器的输出数据位宽M也是波形存储器的地址位宽，由于受数模转换器位数的限制，因此在实际的DDS结构中Ⅳ虽然很大，而M总为10位左右。
1．2 数字调制方式的基本原理
    用数字基带信号将载波信号变换为数字带通信号(已调信号)，以使数字信号在带通信道中传输，其过程叫做数字调制(digital modulat ion)。一般数字调制跟模拟调制的基本原理相同，但是数字信号具有离散取值的特点。因此数字调制技术有两种方法：一是利用模拟调制方式去实现数字式调制；二是利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制。这种方法通常称为键控法，比如对载波的幅度、频率和相位进行键控，即可得到幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)3种基本的数字调制信号。而数字信息有二进制和多进制之分，因此数字调制可分为二进制调制和多进制调制。在二进制调制中，信号参量只有两种可能的取值。当调制信号是二进制数字基带信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率和相位只有两种变化状态，相应的调制方式有二进制幅移键控(2ASK)、二进制频移键控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK)。
    根据以上数字调制方式的基本原理，基于FPGA和DDS技术，利用DSP Builder工具软件，即可设计并实现数字调制信号发生器。

2 数字调制信号发生器设计
2．1 系统结构图
    数字调制信号发生器系统结构图如图2所示。

2．1．1 控制单元
    控制单元部分主要完成数据的输入及控制等功能。为了使所设计的数字调制信号发生器具有抗干扰能力强、相关技术参数灵活可调等优点，此单元以单片机为中心，配以其他辅助电路，其控制作用通过汇编语言编程后下载到单片机来完成，即分别实现对DDS的3个输入频率字、相位字及幅度字进行键控选择，从而实现频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)3种基本的数字调制，反映载波信号的频率、相位及幅度变化特征，最终得到FSK、PSK、ASK的数字调制信号。
2．1．2 DDS模块
    DDS模块是本系统的关键，图2中DDS模块里的DDS基本结构图如图1所示，采用FPGA实现。
2．2 基于DDS的数字调制信号发生器设计
    首先，利用Matlab和DSP Builder设计出基本DDS模型，再基于DDS子系统，利用其产生的正弦信号作为载波信号，以二进制数字基带信号为调制信号，实现二进制数字调制信号，进而在控制单元的作用下实现二进制频移键控(2FSK)、二进制相移键控(2PSK)和二进制幅移键控(2ASK)3种基本的二进制数字调制，最后完成基于FPGA的数字调制信号发生器的设计。
    图3为数字调制信号系统模型。其中控制单元实现频率字、相位字及幅度字等数据。

    输入及数字调制方式的选择等功能。
    此模型的核心是DDS子系统，其具体结构如图4所示。DDS子系统共有3个输入，分别是32位频率字输入、10位相位字输入、10位幅度字输入；一个10位DDSout输出。通过改变相位字输入、频率字输入及幅度字输入，即可获得所需输出波形。

    通过控制单元可依次实现2ASK、2PSK、2FSK调制。若图3中译码器输入为00，可实现2PSK的数字调制，图5为2PSK模型设计图。

    由图可知，利用二选一多路数字选择器(n-to-1Multiplexer)模块对基本DDS模型的相位字进行键控，即在控制单元的作用下对所输入的两个相位字进行选择就可以实现2PSK调制。如图6所示2PSK调制的仿真波形。

    同理，若图3中译码器输入为01，可实现2FSK的数字调制，图7为2FSK模型设计图。利用二选一多路选择器模块对基本DDS模型的频率字进行键控，即对两个频率字(相位增量)进行选择就可以实现2FSK调制。如图8所示为2FSK调制的仿真波形。

    进而，将图3中译码器输入设为10，可实现2ASK的数字调制，图9为2ASK模型设计图，即利用二选一多路选择器对基本DDS模型的幅度字进行键控，从而实现对两个幅度字的选择，并采用乘法器(Product)来完成2ASK调制，如图10所示为2ASK调制的仿真波形。

3 数字调制信号发生器硬件实现
    建模算法仿真完成后，选择让DSP Builder自动调用QuartusII软件，完成综合(Synthesis)、网表生成(ATOM Netlist)、QuartusII适配，最后通过QuartusII在FPGA上完成硬件实现后，经DAC进行模数转换，再经低通滤波器后，可以在示波器上看到一致的波形输出。

4 结束语
    文中基于FPGA和DDS技术，利用Matlab／Simulink、DSPBuilder、QuartusⅡ3个工具软件进行基本DDS建模，在DDS模块的基础上，根据数字调制方式的基本原理，通过单片机等电路组成的控制单元的逻辑控制作用，设计并实现了数字调制信号发生器，其具有频率分辨率高、稳定度高、抗干扰能力强、相关参数灵活可调等优点，而且设计方法方便实用。