0 引言

直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digitalfrequency Synthesizer，DDS)是從相位概念出發(fā)，直接合成所需波形的頻率合成技術(shù)。VHDL是IEEE的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言，可描述硬件電路的功能、信號(hào)連接關(guān)系及定時(shí)關(guān)系，在電子工程領(lǐng)域用來描述、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)電子線路，得到了廣泛應(yīng)用。故將VHDL語言與DDS技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)生成BPSK信號(hào)。

1 DDS的基本原理

DDS把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1。 

DDS由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)字乘法器、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)組成。DDS的核心是相位累加器，由一個(gè)加法器和一個(gè)相位寄存器(REG)級(jí)聯(lián)構(gòu)成。在參考時(shí)鐘fc的控制下，相位累加器對(duì)頻率控制字K進(jìn)行線性累加，輸出的和再與相位控制字P相加后作為地址，對(duì)ROM尋址。ROM中存放經(jīng)過采樣、量化處理后的周期性連續(xù)信號(hào)一個(gè)周期波形的幅度值，即與一個(gè)周期的相位采樣相對(duì)應(yīng)的函數(shù)波形查找表，不同相位地址對(duì)應(yīng)周期信號(hào)的不同幅度值編碼。ROM輸出的幅度值編碼通過數(shù)字乘法器被幅度控制字A加權(quán)，加權(quán)后的幅度值編碼經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器變成階梯波，再經(jīng)低通濾波器平滑后就可得所合成信號(hào)的模擬波形。合成的信號(hào)波形取決于ROM中存放的幅度值數(shù)據(jù)，故用DDS可產(chǎn)生任意波形。

設(shè)相位累加器的字長(zhǎng)為N，則DDS的輸出頻率f0和頻率分辨率(即最小輸出頻率)△fmin分別為：

只要N足夠大，DDS可以得到很小的頻率分辨率。要改變DDS的輸出頻率，只要改變頻率控制字K即可。

根據(jù)Nyquist采樣定理，在對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣的一個(gè)周期內(nèi)，采樣頻率不能改變，故利用DDS進(jìn)行信號(hào)合成時(shí)，在信號(hào)合成的一個(gè)周期內(nèi)，頻率控制字K不能發(fā)生變化，也就是K在每次改變之前至少應(yīng)該持續(xù)2N／K個(gè)DDS時(shí)鐘周期，即2N／K／fc。

通過改變相位控制字P，可以控制輸出信號(hào)的相位參數(shù)。設(shè)相位加法器的字長(zhǎng)為M，當(dāng)相位控制字由0變到P(P≠0)時(shí)，ROM的輸入為相位累加器的輸出與相位控制字P之和，因此，其輸出的幅度值相位會(huì)增加2πP／2M，從而使最后輸出的模擬信號(hào)產(chǎn)生相移。

DDS輸出信號(hào)的幅度可以通過在ROM之后加入一個(gè)數(shù)字乘法器來實(shí)現(xiàn)。幅度控制字A起到對(duì)ROM所輸出的幅度值編碼進(jìn)行加權(quán)的作用。

可見，當(dāng)DDS的相位累加器字長(zhǎng)和相位加法器字長(zhǎng)確定后，通過改變K、P、A就可以有效地控制DDS輸出的模擬信號(hào)的頻率、相位和幅度，這就是DDS技術(shù)的調(diào)制特性。

2 采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)DDS

為簡(jiǎn)單起見，以下所描述的DDS僅設(shè)置了頻率控制字K，相位控制字P和幅度控制字A都未予以考慮，其處理可類推。DDS的輸出為正弦波信號(hào)。

由于正弦波關(guān)于π奇對(duì)稱，關(guān)于π／2與3π／2偶對(duì)稱，因此波形存儲(chǔ)器(ROM)中只需存儲(chǔ)其1／4個(gè)周期的幅度值編碼。具體地，ROM中存儲(chǔ)正弦波0～π／2相位范圍內(nèi)的256個(gè)采樣點(diǎn)的幅度值，采用8位編碼。而DDS的輸出為9位，最高位作為符號(hào)位，用以區(qū)分幅度值的正負(fù)，“0”表示正，“1”表示負(fù)。ROM為8位地址尋址，而相位累加器的字長(zhǎng)采用10位。最高位用以區(qū)分正弦波的前、后半周期，“0”為前半周期，幅度值為正，“1”為后半周期，幅度值為負(fù)。次高位用以區(qū)分正弦波前、后半周期的前、后1／4周期，“0”為前1／4周期，尋址地址為相位累加器的低8位，“1”為后1／4周期，尋址地址為相位累加器低8位的取反。

用VHDL實(shí)現(xiàn)DDS的源程序的核心部分如下：

在Xilinx ISE 8.2i開發(fā)環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖2。

3 BPSK信號(hào)的產(chǎn)生

BPSK信號(hào)中，載波的相位隨調(diào)制信號(hào)“1”或“0”而改變，通常用相位0和π來表示“1”或“0”。

結(jié)合BPSK和DDS的基本原理分析可得：利用DDS技術(shù)的調(diào)制特性生成BPSK信號(hào)，只需控制DDS的相位控制字P，讓其隨調(diào)制信號(hào)進(jìn)行變化即可。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為“0”時(shí)，載波相位為0，即相位控制字P為0；當(dāng)調(diào)制信號(hào)為“1”時(shí)，載波相位為π，即相位控制字P為512。這樣，通過相位累加器的輸出與受控相位控制字P相加，就可得到DDS中ROM的尋址地址，從而進(jìn)一步生成BPSK信號(hào)。

利用一組隨機(jī)數(shù)的二進(jìn)制編碼的最高位作為控制，生成BPSK信號(hào)的二進(jìn)制碼元。其中，采用的產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)算法為：定義a、b、s三個(gè)變量，將任意2個(gè)不等于0的數(shù)賦給a和b，a、b進(jìn)行模2加后的結(jié)果賦給s，然后再將a的值賦給b，s的值賦給a，a和b再進(jìn)行模2加，結(jié)果再賦給s，如此循環(huán)……變量s中所存儲(chǔ)的一系列數(shù)值即可看作一組隨機(jī)數(shù)，如圖3。

VHDL源程序的主要部分如下：

在Xilinx ISE 8.2i開發(fā)環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖4。

4 結(jié)束語 

該方法可操作性很強(qiáng)，使用簡(jiǎn)單方便，具有直觀快捷、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，將得到廣泛的應(yīng)用。