基于FPGA的正交數(shù)控振蕩器(NCO)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[圖]

摘要：在研究數(shù)控振蕩器NCO工作原理的基礎(chǔ)上，通過分析對(duì)比幾種不同的NCO設(shè)計(jì)方法，采用了算法簡(jiǎn)單、節(jié)省資源的基于ROM查找表的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)正交數(shù)控振蕩器NCO的主要部件正余弦存儲(chǔ)表、可變模計(jì)數(shù)器進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)，并在Altera公司的FPGA上進(jìn)行了驗(yàn)證，波形仿真結(jié)果表明了電路設(shè)計(jì)的正確性。采用查找表的方法可以有效提高系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)的可集成性，使得NCO功能模塊可以通過配置存儲(chǔ)表、頻率控制字來滿足多種應(yīng)用場(chǎng)合下的NCO設(shè)計(jì)需要，可以廣泛地應(yīng)用于各種現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。

隨著數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件無線電的應(yīng)用愈加的廣泛，而影響軟件無線電性能的關(guān)鍵器件數(shù)控振蕩器NCO(Numerical CONtrolled Oscillator)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要；NCO的設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)；1971年3月美國學(xué)者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold首次提出了直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)。這是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需要的波形的新的全數(shù)字頻率合成技術(shù)。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有頻率精度高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻譜純度高以及頻率相位易編程、輸出的頻率穩(wěn)定度與系統(tǒng)的時(shí)鐘穩(wěn)定度相同等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各種通信系統(tǒng)中，包括數(shù)字上下變頻、中頻變換、頻率合成以及擴(kuò)頻系統(tǒng)和各種頻率相位數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中。

在軟件無線電及通信領(lǐng)域，經(jīng)常使用正交的數(shù)字信號(hào)；針對(duì)此類應(yīng)用，本文給出了一種基于FPGA的正交NCO設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)正交的、連續(xù)相位、高性能、高精度、可重利用的數(shù)控振蕩器，適合于多種應(yīng)用場(chǎng)景的片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 NCO實(shí)現(xiàn)原理

直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是一種全數(shù)字技術(shù)，同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制等。

DDS的原理框圖如圖1所示，其實(shí)質(zhì)是以基準(zhǔn)頻率源(系統(tǒng)時(shí)鐘)對(duì)相位進(jìn)行等間隔的采樣。由圖1可見，DDS由相位累加器和波形存儲(chǔ)器(ROM查詢表)構(gòu)成的數(shù)控振蕩器(NCO)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及低通濾波器(LPF)3部分組成。而DDS的核心是NCO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，NCO一般是由相位累加器和正余弦查找表兩部分組成，其中相位累加器的設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，故設(shè)計(jì)NCO的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)正、余弦函數(shù)發(fā)生器。

實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器的方法為查表法(LUT)，對(duì)于一個(gè)相位位數(shù)為L(zhǎng)，輸出信號(hào)幅度位數(shù)為M的NCO，所需查找表的大小為M×2L。

圖1 DDS基本原理框圖

在每一個(gè)時(shí)鐘周期，L位相位累加器與其反饋值進(jìn)行累加，其結(jié)果的高N位作為ROM查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應(yīng)的幅度值送到DAC。低通濾波器LPF用于濾除DAC輸出中的高次諧波。因此通過改變頻率控制字K就可以改變輸出頻率fout。容易得到輸出頻率fout與頻率控制字K 的關(guān)系為：fout=Kfc/2L，其中fc為相位累加器的時(shí)鐘頻率，L為相位累加器的位數(shù)。定義當(dāng)K=1為系統(tǒng)頻率分辨率，即f=fc/2L。

2 NCO幾種常見設(shè)計(jì)方法

常見的NCO實(shí)現(xiàn)的方法目前主要有計(jì)算法、CORDIC(Coordinated RotATIon DigitalComputer)算法和查表法等。

計(jì)算法是一種以軟件編程的方式通過實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生正弦波樣本，該方法耗時(shí)多且只能產(chǎn)生頻率相對(duì)較低的正弦波，而需要產(chǎn)生高速的正交信號(hào)時(shí)，用此方法不能很好的滿足要求。

CORDIC算法即坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法，其基本思想是用一系列固定角度的不斷偏擺逼近所需旋轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)包括乘除、平方根、三角函數(shù)、向量旋轉(zhuǎn)(即復(fù)數(shù)乘法)以及指數(shù)運(yùn)算，該算法往往需要通過乘法器和查找表才能實(shí)現(xiàn)多種超越函數(shù)的計(jì)算，這會(huì)導(dǎo)致硬件電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、運(yùn)算速度降低，此外它能夠計(jì)算的角度范圍也有限，故CORDIC算法在實(shí)際使用時(shí)有較大的限制條件。

在實(shí)際應(yīng)用中一般采用最有效、最簡(jiǎn)單的查表法，即事先根據(jù)各個(gè)NCO正弦波相位計(jì)算好相位的正弦值，并以相位角度作為地址把該相位的正弦值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在表中，然后通過相位累加產(chǎn)生地址信息讀取當(dāng)前時(shí)刻的相位值在表中對(duì)應(yīng)的正弦值，從而產(chǎn)生所需頻率的正弦波；同時(shí)由于正余弦波形的對(duì)稱性，只需要存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)即可完成全相位的數(shù)值輸出。這種實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度較高，可以很好的滿足在數(shù)字變頻、擴(kuò)頻、調(diào)制解調(diào)等多種場(chǎng)合的要求。

3 正交NCO的查找表實(shí)現(xiàn)方法

基于FPGA的正交NCO設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示，主要由3部分組成：可變模計(jì)數(shù)器、正余弦查找表和輸出單元3個(gè)模塊組成。

圖2 NCO的設(shè)計(jì)原理框圖

下面以輸入的頻率控制字為1200Hz為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Fre_sample，表示系統(tǒng)采用時(shí)鐘；Fre_cnt_word表示頻率控制字。

1)可變模計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

可變模計(jì)數(shù)器是根據(jù)頻率控制字，計(jì)算出正余弦表的查表所需的地址；同時(shí)要保證產(chǎn)生的正余弦波的相位保持連續(xù)(有些應(yīng)用場(chǎng)合常常要求輸出的相位連續(xù))，即置于相應(yīng)的余數(shù)值。在第1個(gè)工作時(shí)鐘周期讀入頻率控制字，第2個(gè)工作時(shí)鐘周期內(nèi)計(jì)算出mod(Fre_sample，F(xiàn)re_cnt_word)作為相位控制字，第3個(gè)工作時(shí)鐘周期內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位置入相位控制字，第4個(gè)時(shí)鐘周期開始以頻率控制字為步長(zhǎng)，相位控制字為初始值進(jìn)行計(jì)數(shù)輸出。

2)正余弦查找表的設(shè)計(jì)

正余弦查找表是根據(jù)可變模計(jì)數(shù)器的輸出查表得到相應(yīng)載頻波形的輸出。

基于FPGA的NCO設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵就是波形存儲(chǔ)器ROM相位累加器的輸出地址作為ROM的地址輸入，經(jīng)查表和運(yùn)算后，ROM輸出正余弦波形的量化數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)中主要是要節(jié)省存儲(chǔ)器資源的開銷，即減小ROM存儲(chǔ)表的空間；由于存儲(chǔ)表的尺寸隨著地址位數(shù)或數(shù)據(jù)位數(shù)的增加呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)遞增關(guān)系，所以在滿足頻率分辨率、信號(hào)性能的前提下，主要考慮較小ROM存儲(chǔ)表的開銷；在實(shí)際的應(yīng)用中，可以充分利用正余弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的對(duì)稱性來減少ROM存儲(chǔ)表的開銷，例如正弦信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)于X軸是對(duì)稱的，基于此可以將ROM存儲(chǔ)表減少至原來的1/2，再利用半周期內(nèi)的左右對(duì)稱性，又可以將ROM存儲(chǔ)表減少至原來的1/2，因此通過一個(gè)正弦查找表的前1/4周期就可以變換得到整個(gè)正弦波周期查找表，這樣就節(jié)省了3/4的存儲(chǔ)器資源。

正余弦表的具體設(shè)計(jì)思想如下：取頻率分辨率為df=1Hz；假設(shè)頻率控制字為1200Hz的頻率左右，現(xiàn)考慮對(duì)1200Hz的正余弦波形每一個(gè)周期采8個(gè)樣點(diǎn)，則可得采樣率為fs=1200×8=9600Hz。設(shè)對(duì)于每一個(gè)樣點(diǎn)值取8bit量化，則每個(gè)表格共需存儲(chǔ)9.6kB；(如果考慮到正、余弦信號(hào)的對(duì)稱性，設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)化為上每個(gè)表格存儲(chǔ)1/4個(gè)波形即可，即每個(gè)表格只需存儲(chǔ)2.4kB；)使用時(shí)是用步長(zhǎng)STep來調(diào)節(jié)輸出頻率，同時(shí)保證輸出的正余弦波的相位連續(xù)。如果每隔0樣點(diǎn)取1，即step=1，輸出頻率為1Hz；每隔1點(diǎn)取1，即step=2，輸出頻率為2Hz；……；每隔1199點(diǎn)取1，step=1200，輸出頻率為1200Hz。

3)正余弦表的裝載

采用Quartus軟件中的。mif 文件格式可以方便的完成存儲(chǔ)表的裝載；同時(shí)對(duì)于裝載文件的生成可以使用matlab輸出。mif的文件格式很方便的生成；如下文中給出了位寬為8bit，深度為9600，地址為無符號(hào)數(shù)，數(shù)據(jù)為十進(jìn)制數(shù)的9600個(gè)單元的mif文件，在初始化RAM時(shí)，按照Quartus軟件的引導(dǎo)直接配置即可。

WIDTH=8；

DEPTH=9600；

ADDRESS_RADIX=UNS；

DATA_RADIX=DEC；

CONTENT BEGIN

0 : 0；

1 : 2；

2 : 10；

3 : 30；

4 : 50；

5 : 50；

6 : 10；

7 : 100；

……

9598 : 0；

9599 : 0；

END

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及其仿真波形

本次設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的ALTERA公司的STRATIX芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，該系列芯片是基于1.5V工作電壓、0.13μm全銅布線SRAM工藝的FPGA芯片。此系列芯片擁有最多114140個(gè)邏輯單元(Les)和最多10Mbits的內(nèi)部RAM。該系列芯片支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)，提供了最多可達(dá)12個(gè)的用于處理復(fù)雜時(shí)鐘信號(hào)的鎖相環(huán)(PLLs)。同時(shí)，STRATIX系列芯片提供了最多可達(dá)28個(gè)的數(shù)字信號(hào)處理單元(DSP)，它們由總共224個(gè)內(nèi)置硬件乘法器(9位乘9位)組成，利用它們可以有效地實(shí)現(xiàn)例如快速傅立葉變換(FFT)、有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器、無限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器等高性能的數(shù)字信號(hào)處理單元或者乘法器。

圖3 NCO模塊的主要端口定義

2)Quartus仿真輸出波形，如圖4所示。

圖4 NCO的仿真輸出波形

此仿真波形為3個(gè)頻點(diǎn)的NCO輸出波形，用matlab繪出輸出的載波的波形如圖5所示。

圖5 輸出載波的波形

由上面的仿真結(jié)果可以看出，NCO正確輸出了3個(gè)頻點(diǎn)的仿真波形；同時(shí)通過實(shí)際的FPGA硬件測(cè)試和驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)達(dá)到了所要求的性能指標(biāo)。

5 資源占用情況

使用Altera公司的STRATIX芯片進(jìn)行編譯、綜合，所得的資源占用結(jié)果如圖6所示。

圖6 NCO資源占用情況

6 結(jié)束語

本文給出了一種基于FPGA的正交NCO的設(shè)計(jì)方法，在實(shí)際應(yīng)用過程中可參考給出的設(shè)計(jì)實(shí)例，通過改變頻率控制字、系統(tǒng)采樣頻率、存儲(chǔ)正余弦查找表的深度和存儲(chǔ)表的位寬，即可得到不同輸入頻率范圍的NCO；同時(shí)如果涉及需要的精度及頻率較高，也可采用外置的存儲(chǔ)器，如FLASH，SRAM等與FPGA配合使用，較大的擴(kuò)展存儲(chǔ)表的深度和位寬，可最終達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

作者：張阿寧 趙萍 西安郵電學(xué)院電子工程學(xué)院 來源：《電子設(shè)計(jì)工程》2011年17期

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