使用DSP_builder设计的DDS
2013-10-21王志强
摘 要：随着电子设计和通信测试的飞速发展，一些具有特定频率、特殊规律的信号在设计和测试过程中不可或缺，而市场上出售的信号发生器往往由于各种因素不能满足设计要求，使用FPGA器件设计的信号发生器可以胜任不同要求的任意信号发生器。
Altera DSP_builder是一款基于Matlab的系统级设计工具，依赖于Matlab/Simulink进行图形化系统设计和功能仿真，其最大特点在于可以通过signalCompiler直接将设计生成的模型文件（.mdl）转换成硬件描述语言VHDL，进而在QuartusII等软件上做更复杂精确地仿真，并生成.sof文件下载到芯片上使用。开发过程不涉及任何编程，图形化设计界面一目了然，是一种方便快捷的设计方式。
关键词：FPGA；DSP_builder；DDS；SignalCompile
1 DDS设计
1.1 基本原理
直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis ，简称DDS）是以采样定理为基本原理，根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在EEPROM中构成一个正弦查询表，通过查表法产生波形。本设计基于DDS的基本原理，在时钟脉冲fc的控制下，对输入频率控制字K进行累加，当累加满量时产生溢出。相位累加器的输出对应于该合成周期信号的相位，并且这个相位是在0～2π范围内周期性的变化。相位累加器位数为N，对应于2π的相位， 最大输出为2N-1，累加一次就输出一个相应的相位码，将这个相位码作为查找表地址，通过查表得到正弦信号的幅度输出，然后经高速D/A转换成模拟量并通过低通滤波器滤除不需要的取样分量，输出频谱纯净的正弦波信号。
1.2 系统设计
1.2.1系统总体设计
下图为在Matlab/DSP_builder11.0平台建立DDS的Simulink模型：
系统模型图
系统的三个输入分别任频率控制字输入Freqword、相位控制字Phaseword、信号输入控制模块input。Input通过乘法器product模块控制信号输出，相位累加器模块由deiay模块、Parallel Adder Subtractor模块和Phaseword1模块组成，相位调制模块由Parallel Adder Subtractor1模块和Bus Conversion组成，其中加法器使用Pipeline，内部包含寄存器，最后由DDSout输出波形。
把输出的8位数字信号接入高速DA转换模块，就可以用示波器观察输出波形。
1.2.2正弦查找表模块设计
正弦查找表有多种设计方式，本设计采用调用Altera DSP_builder元件库中的LUT模块实现，取相位调制高6位作为查找表地址。正弦查找表部分还可以调用ROM模块实现，在使用ROM模块时，需要先编写查找表.mif或.hex文件，然后在ROM设置中指定文件位置即可。
以下是Matlab生成正弦查找表的代码：
width=8； %数据宽度8位；
depth=2^width；
N=0：1：depth-1；
s=sin（pi*N/depth）； %计算0～pi/2的Sin值；
fidc=fopen（'dds1.mif'，'wt'）； %以"wt"的形式打开，＼n为换行
% 写入 dds.mif %
fprintf（fidc，'width=%d；＼n'，width）；
fprintf（fidc，'depth=%d；＼n'，depth）；
fprintf（fidc，'address_radix=uns；＼n'）；
fprintf（fidc，'data_radix = uns；＼n'）；
fprintf（fidc，'content begin＼n'）；
for（x=1：depth）；
fprintf（fidc，'%d：%d；＼n'，x-1， round（ （depth/2-1）*sin（pi*（x-1）/（depth/2）） + depth/2） ）；
end
fprintf（fidc，'end；'）；
fclose（fidc）；
2 系統仿真
设置相位控制字0，频率控制字9000000，信号输入控制125，用Matlab Sinulink对电路进行系统级功能仿真，观察到系统输出波形如下：
3 硬件实现
双击原理图中的SignalCompiler工具，在弹出对话框中设置参数，点击Compile，DSP_builder将自动调用QuartusII进行编译。过程中会自动创建QuartusII工程并综合适配，生成QuartusII能识别的VHDL源程序。在QuartusII中打开工程，编译通过，分配管脚。生成的.sof文件可下载到FPGA芯片，将输出的数字信号接入高速DA转换模块就可以观察到输出波形。
4 结束语
在本设计中，由于设计信号发生器的全部基本组件模块都已经存在，我们仅仅需要逐一连接并设置好参数即可，简单直观的实现了一个较为复杂的电子系统。在更为复杂的设计中，还可以通过SubsystemBuilder调用编写好的VHDL源程序。SignalCompile工具直接把设计的.mdl文件转换为VHDL语言，从而使设计过程不涉及编程，操作更简单，过程更直观，更容易查找修正设计中的错误。使用DSP_builder的设计极大简化开发过程，缩短设计周期，提高开发效率，值得我们在开发过程中加以利用。
作者简介
王志强（1991-），男，湖北省宜昌市，职称：学生，学历：本科，研究方向：电子信息工程。
