基于FPGA的直接数字频率合成技术设计

直接数字频率合成（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌ ＦｒａｑｕｅｎｃｙＳｙｎ-ｔｈｅｓｉｓ即ＤＤＦＳ，一般简称ＤＤＳ）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统频率合成技术。当累加器的Ｎ很大时，最低输出频率可达Ｈｚ、ｍＨｚ甚至μＨｚ。也就是说：ＤＤＳ的最低合成频率接近于零频。如果ｆｃ为５０ＭＨｚ, 那么当Ｎ为４８位时，其分辨率可达１７９ｎＨｚ。转换时间最快可达１０ｎｓ的量级，这都是传统频率合成所不能比拟的。但它的不足之处是最高工作频率会受限、噪声和杂波不够理想。

本设计采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰ１Ｋ３０ＴＣ－１４４来实现ＤＤＳ技术。ＥＰ１Ｋ３０芯片属ＡＬＴＥＲＡ公司的ＡＣＥＸ系列，该系列是ＡＬＴＥＲＡ公司着眼于通信、音频处理及类似场合应用而推出的ＦＰＧＡ器件系列芯片，它采用０．２２／０．１８微米混合工艺，密度从１００００门到１０００００门。所有ＡＣＥＸ系列器件均兼容６４ｂｉｔ、６６ＭＨｚ的ＰＣＩ，并支持锁相环电路。ＡＣＥＸ１Ｋ采用查找表（ＬＵＴ）和ＥＡＢ（嵌入式阵列块）相结合的结构，可用来实现存储器、专用逻辑功能和通用逻辑功能，每个ＥＢＡ能提供４０９６比特的存储空间，每个ＬＥ包含４个输入ＬＵＴ、一个可编程的触发器、进位链和一个层叠链。合理运用进位链能够提高系统运行速度。

ＥＰ１Ｋ３０ＴＣ－１４４的最大系统门数为１１９０００，它有１７２８个逻辑宏单元数和５个嵌入式阵列块，最大可提供２ｋＢ的ＲＯＭ／ＲＡＭ位，因而可完全满足ＤＤＳ设计的要求。

１　ＤＤＳ的实现过程

图１为ＤＤＳ系统的基本原理图，图中的相位累加器由Ｎ位全加器和Ｎ位累加寄存器级联而成，可对频率控制字的２进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生的累加结果的高Ｍ位作为ＲＯＭ查找表的取样地址值，而此查找表中储存了一个周期的正弦波幅度值。显然，此处存储器ＲＯＭ可以看作一个从相位到正弦幅值的转换器。这样，用ＲＯＭ的输出值来驱动ＤＡＣ，然后经滤波即可转换成所需要的模拟正弦波形；同时Ｎ位累加输出又可作为全加器的下一轮数据与频率数据相加，直到相位累加器加满产生溢出，从而完成一个周期，也就是ＤＤＳ信号的频率周期。