基于DDS技術(shù)的BPSK信號生成

0 引言

直接數字式頻率合成器(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)標準硬件描述語(yǔ)言，可描述硬件電路的功能、信號連接關(guān)系及定時(shí)關(guān)系，在電子工程領(lǐng)域用來(lái)描述、驗證和設計電子線(xiàn)路，得到了廣泛應用。故將VHDL語(yǔ)言與DDS技術(shù)結合，設計生成BPSK信號。

1 DDS的基本原理

DDS把一系列數字量形式的信號通過(guò)數模轉換器(DAC)轉換成模擬量形式的信號，其基本結構如圖1。

DDS由相位累加器、加法器、波形存儲器(ROM)、數字乘法器、D／A轉換器和低通濾波器(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)級聯(lián)構成。在參考時(shí)鐘fc的控制下，相位累加器對頻率控制字K進(jìn)行線(xiàn)性累加，輸出的和再與相位控制字P相加后作為地址，對ROM尋址。ROM中存放經(jīng)過(guò)采樣、量化處理后的周期性連續信號一個(gè)周期波形的幅度值，即與一個(gè)周期的相位采樣相對應的函數波形查找表，不同相位地址對應周期信號的不同幅度值編碼。ROM輸出的幅度值編碼通過(guò)數字乘法器被幅度控制字A加權，加權后的幅度值編碼經(jīng)D／A轉換器變成階梯波，再經(jīng)低通濾波器平滑后就可得所合成信號的模擬波形。合成的信號波形取決于ROM中存放的幅度值數據，故用DDS可產(chǎn)生任意波形。

設相位累加器的字長(cháng)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Nyquist采樣定理，在對連續信號進(jìn)行采樣的一個(gè)周期內，采樣頻率不能改變，故利用DDS進(jìn)行信號合成時(shí)，在信號合成的一個(gè)周期內，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該持續2N／K個(gè)DDS時(shí)鐘周期，即2N／K／fc。

通過(guò)改變相位控制字P，可以控制輸出信號的相位參數。設相位加法器的字長(cháng)為M，當相位控制字由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產(chǎn)生相移。

DDS輸出信號的幅度可以通過(guò)在ROM之后加入一個(gè)數字乘法器來(lái)實(shí)現。幅度控制字A起到對ROM所輸出的幅度值編碼進(jìn)行加權的作用。

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

2 采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現DDS

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以下所描述的DDS僅設置了頻率控制字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(lèi)推。DDS的輸出為正弦波信號。

由于正弦波關(guān)于π奇對稱(chēng)，關(guān)于π／2與3π／2偶對稱(chēng)，因此波形存儲器(ROM)中只需存儲其1／4個(gè)周期的幅度值編碼。具體地，ROM中存儲正弦波0～π／2相位范圍內的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，最高位作為符號位，用以區分幅度值的正負，“0”表示正，“1”表示負。ROM為8位地址尋址，而相位累加器的字長(cháng)采用10位。最高位用以區分正弦波的前、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。次高位用以區分正弦波前、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DDS的源程序的核心部分如下：

在Xilinx ISE 8.2i開(kāi)發(fā)環(huán)境中對其進(jìn)行仿真的結果如圖2。