基于Nios的DDS高精度信号源实现
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摘要：该设计利用Ahera公司的Cyclone FPGA，借助Nios软核设计的信号产生器，采用两级DDS串联．提高了信号的精度，另外提出了提高精度的动态分频法。针对实际需求，采用双口ROM方便的实现了多路不同相位信号的输出 另外介绍了Matlab与Quartus的接口程序的编写，借助Matlab强大的计算能力和画图功能，为我们的设计带来了极大的方便。实验结果表明该设计是行之有效的，具有很大的实用性。
Abstract：
Key words :
摘要：直接数字频率合成器DDS" title="DDS">DDS具有极高的分辨率、频率转换速度快、相位噪声低等优点。以ALTERA公司的CPU软核Nios" title="Nios">Nios为基础，利用Quartus II软件和Sopc Builder，采用两级DDS和动态分频法，提高了信号源的精度。采用双口ROM可以很方便的同时输出两路具有一定相位差的信号，而且频率幅度可调。另外着重介绍了怎样用Matlab产生波形幅度数据以及最后的仿真验证。
1 引言
在实际的通信过程中，系统对频率的精度和稳定度都有较高的要求．而且常常需要用到多种不同频率和相位的信号。传统的波形发生器都是由模拟的电路实现，受到硬件电路的限制，不仅产生的波形少，精度低，而且体积大。灵活性差。DDS(Direct DigitalFrequncy Synthesis，直接数字频率合成)的出现为我们提供了一种新选择。DDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号。目前．市场上已出现许多DDS专用芯片．但是专用芯片有很多局限性，比如控制方式固定，同时只能输出一路信号．而且
价格普遍偏高。利用fpga的高速、高性能和可重构性可实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能。
本文介绍设计的DDS信号源应用ALTERA公司的FPGA器件、Quartus II开发环境和NIOS软核等相关的开发工具，采用VHDL语言及SOPC设计思想。采用两级DDS技术设计波形发生器，并且可以同时输出多路不同相位的信号，满足我们实际的需求。
2 DDS原理
基本DDS的结构框图如图1所示。主要由相位累加器、相位调制器、ROM查找表、D/A以及低通滤波器组成。
图1 DDS结构图
频率字和相位字分别控制输出信号的频率和相位。DDS的核心是N位的相位累加器。在时钟脉冲控制下，相位累加器不断对频率控制字K进行累加，将累加器的输出作为读波形存储器ROM的地址，读出波形数据，然后再进行调幅、数模转换、滤波从而得到光滑的波形信号。在整个过程中相位累加器进行的是线性累加，当累加满时便产生溢出，一个周期完成。相位累加器这个产生溢出的频率就是DDS的输出频率。设频率控制字为K，相位累加器为N位，时钟频率为fs。所以合成输出的信号频率fout 是：
fout=(K/2N)fs
当K=1时有最小频率分辨率：Δf=fs/2N
3 设计方案
3.1提高精度实现
在我们的实际应用中往往对频率较小的信号精度要求较高，而对高频率信号的精度则没有那么高的要求。传统的方法就是增加相位累加器的位数N．但N一旦设计好便不可更改，这样便导致了产生的信号精度不能随频率的降低而升高。根据以上的分析在N不变的情况下要提高精度则只有降低时钟fs(很显然这时的输出频率较低)。下面介绍两种降低fs的方法：
第一，动态分频法。设计的信号发生器不但要能产生低频信号同时也能产生高频信号，所以用固定的分频办法降低fs不能达到要求，这就要求我们采用动态分频法。在需要产生较高频率信号的时候选择小的分频比．而在合成低频率信号的时候选择大的分频比。根据预先给定的不同的输出信号频率选择相应的分频比，保证了产生信号的宽频带。
第二，采用两级DDS。第一级合成DDS1产生一定频率的方波并将此方波送给第二次合成DDS2作为时钟输入。其中DDS1的K1可调，保证输出不同的频率，DDS2的K2=1，保证了输出的精度。本次设计采用此方法。
3.2多路输出设计
无论是用专用芯片还是其他设计的DDS产品，同时都只能输出一路信号，而在我们的实际应用中往往同时需要多路相位不同的信号，借助ALTERA公司的 Cyclone" title="Cyclone">Cyclone系列器件．可以很方便的生成双口的ROM，这样使得我们可以同时对ROM的不同单元寻址，从而产生不同相位的信号，调节相位控制器，可以很方便的改变两路信号的相位差。这样设计的DDS框图如图2:
图2多路输出DDS框图
3.3基于Nios的DDS实现
系统的开发包括硬件和软件两部分，硬件部分采用ALTERA公司性价比较高的Cyclone系列FPGA，使用SoPC Builder生成Nios嵌入式处理器。由于本设计中要求信号幅度、相位和频率都可调节，并且能通过LCD实时的显示，利用SoPC Builder生成可裁剪的Nios CPU软核，并添加一些外围设备接口，如作为控制输入的键盘接口：实时显示用的LCD接口;DDS控制接口等。系统硬件框图如图3。
图3 系统总框图
在Cyclone的FPGA中带了一个PLL．这样我们便能很好的控制系统时钟和DDS的时钟．灵活地选择晶振信号源。另外幅度调制采用一个乘法器，运用硬件电路搭建，充分使用内部的LE资源，而且方便、灵活，能达到速度要求。
系统的软件设计主要是键盘扫描程序的编写、LCD显示的控制接口和对DDS的控制．采用C语言编写。而DDS单元则用VHDL硬件描述语言。PLL模块直接使用MegaWizard Plug-in Manager功能同时产生两路不同的时钟输出．一路给DDS，另一路给Nios软核。
由于DDS的结构，产生的波形由ROM查找表的数据决定，所以改变查找表中的数据便得到不同的信号输出，这样可以很方便的产生正弦、余弦、方波，三角波、锯齿波等。在这次设计中，要产生正弦和余弦信号没必要改变查找表的数据，只需要调整相位即可，这就是多路输出不同相位信号最大的优点。
4 Matlab与Quartus接口设计
设计中需要大量的计算，特别是ROM查找表初始化数据的产生，可以借助matlab强大的计算能力。最后的仿真数据也可以用matlab画图直观的观察。
4.1相位幅度变换
由于Cyclone系列的FPGA具有丰富的memory资源，本方案中选用4K的RAM Block构成查找表。在实际的设计中．当我们产生方波的时候则可以直接采用数学计算，没必要构建查找表，从而节约了资源。而产生正弦或余弦信号时，考虑到正弦信号1/4波形对称的性质．只需要存储π/2的正弦采样点，利用数学计算便可以产生2π弧度的正弦波形。这样大大的缩小了ROM．节约了资源。ROM的初始化数据文件为.mif
文件。生成该文件可以借助matlab数学工具，先在matlab里生成正弦信号的采样点数据表格，还需要自己添加程序，下面举例说明。
先编写一段m文件程序，这里以产生216X12正弦波π/2幅度值为例。即在π/2的幅度范围内采样65536个点．每个点的值用12位二进制数表示。在matlab里编写的m文件， 保存的文件名为sin_data.mif。
x=0:1:65535;
y=round(2047*sin(pi*x/131072)) +2048; %pi*x/131072的范围为0～/2
%改变131072即可改变正弦信号的长度。2048则决定了数据宽度。
fid=fopen('sin_data.mif','W' );
fprinf(fid,'%d:%d;＼n' ,x,y);
fclose(fid);
plot(x，y);
grid on
在sin_data.mif中数据的存放格式为：
相位：幅度值;
但是这样的数据表格在Qualtus 4．2里还不能直接调用，需要我们自己编程，加上数据类型申明，其格式如下：
DEPTH =65536;% Memory depth and width are required%
WIDTH = 12; % Enter a decimal number %
ADDRESS_RADIX=DEC; % Address and value radixes are required%
DATA_RADIX =DEC;% Enter BIN，DEC，HEX，OCT，or UNS;unless%
% otherwise specified,radixes=HEX %
--Specify values for addresses, which can be single address
or range
CONTENT
BEGIN
0:2048;
1:2048：
2:2048;
64613:4094;
64614:4095;
END;
4.2 幅度数据的matlab仿真
经过Quartus的综合、波形仿真后，可以得到.vwf波形文件。然后选择File菜单下的Save Current Report Section As，保存类型选择为.tbl。这样便可以得到输出波形的数字幅度序列数据。就可以借助Matlab工具方便的观察波形。.tbl文件的数据存储格式如下：
时间>边沿标志 相位=幅度值;
其中时间单位默认为ns，边沿标志只有一位，其中1表示上升沿，0表示下降沿，地址和幅度值君采用十六进制数表示。用Matlab进行画图时需要我们自己编写m文件程序。我们需要从表格中提取数据，而识别幅度数据的标志就是“=”，所以判断“=”的位置便可将数据提取出来。但在文件前面的说明中有两个“=”，这是我们不需要的，所以编程的时候应该滤除。在这里假设.tbl文件保存路径为：C:\altera\benben\sin.sim.tbl。m文件如下：
fid=fopen('C:\altera\henben\sin.sim.tbl,'r');
yy=fscanf(fid,'%s')
fclose(fid);
aa=fid(yy=='='); %找出“=”的下标
i=0：
for j=1:length(aa)
if yy(aa(j)-1)<='F' %滤除说明中的“=”
i=i+l;
data_hex(i,1)=yy(aa(j)+1);data_hex(i,2)=yy(aa(i)+2);data_hex(i,
3)=yy(aa(j))+3);
%取出幅度数据值．数据为十六进制数
end
end
data_dec=hex2dec(data_hex);%将十六进制数转为十进制数
plot(data_dec);
grid on
5 结论
该设计利用Ahera公司的Cyclone FPGA，借助Nios软核设计的 信号产生器" title="信号产生器">信号产生器，采用两级DDS串联．提高了信号的精度，另外提出了提高精度的动态分频法。针对实际需求，采用双口ROM方便的实现了多路不同相位信号的输出 另外介绍了Matlab与Quartus的接口程序的编写，借助Matlab强大的计算能力和画图功能，为我们的设计带来了极大的方便。实验结果表明该设计是行之有效的，具有很大的实用性。
1 引言
在实际的通信过程中，系统对频率的精度和稳定度都有较高的要求．而且常常需要用到多种不同频率和相位的信号。传统的波形发生器都是由模拟的电路实现，受到硬件电路的限制，不仅产生的波形少，精度低，而且体积大。灵活性差。DDS(Direct DigitalFrequncy Synthesis，直接数字频率合成)的出现为我们提供了一种新选择。DDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号。目前．市场上已出现许多DDS专用芯片．但是专用芯片有很多局限性，比如控制方式固定，同时只能输出一路信号．而且
价格普遍偏高。利用fpga的高速、高性能和可重构性可实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能。
本文介绍设计的DDS信号源应用ALTERA公司的FPGA器件、Quartus II开发环境和NIOS软核等相关的开发工具，采用VHDL语言及SOPC设计思想。采用两级DDS技术设计波形发生器，并且可以同时输出多路不同相位的信号，满足我们实际的需求。
2 DDS原理
基本DDS的结构框图如图1所示。主要由相位累加器、相位调制器、ROM查找表、D/A以及低通滤波器组成。
频率字和相位字分别控制输出信号的频率和相位。DDS的核心是N位的相位累加器。在时钟脉冲控制下，相位累加器不断对频率控制字K进行累加，将累加器的输出作为读波形存储器ROM的地址，读出波形数据，然后再进行调幅、数模转换、滤波从而得到光滑的波形信号。在整个过程中相位累加器进行的是线性累加，当累加满时便产生溢出，一个周期完成。相位累加器这个产生溢出的频率就是DDS的输出频率。设频率控制字为K，相位累加器为N位，时钟频率为fs。所以合成输出的信号频率fout 是：
fout=(K/2N)fs
当K=1时有最小频率分辨率：Δf=fs/2N
3 设计方案
3.1提高精度实现
在我们的实际应用中往往对频率较小的信号精度要求较高，而对高频率信号的精度则没有那么高的要求。传统的方法就是增加相位累加器的位数N．但N一旦设计好便不可更改，这样便导致了产生的信号精度不能随频率的降低而升高。根据以上的分析在N不变的情况下要提高精度则只有降低时钟fs(很显然这时的输出频率较低)。下面介绍两种降低fs的方法：
第一，动态分频法。设计的信号发生器不但要能产生低频信号同时也能产生高频信号，所以用固定的分频办法降低fs不能达到要求，这就要求我们采用动态分频法。在需要产生较高频率信号的时候选择小的分频比．而在合成低频率信号的时候选择大的分频比。根据预先给定的不同的输出信号频率选择相应的分频比，保证了产生信号的宽频带。
第二，采用两级DDS。第一级合成DDS1产生一定频率的方波并将此方波送给第二次合成DDS2作为时钟输入。其中DDS1的K1可调，保证输出不同的频率，DDS2的K2=1，保证了输出的精度。本次设计采用此方法。
3.2多路输出设计
无论是用专用芯片还是其他设计的DDS产品，同时都只能输出一路信号，而在我们的实际应用中往往同时需要多路相位不同的信号，借助ALTERA公司的 Cyclone" title="Cyclone">Cyclone系列器件．可以很方便的生成双口的ROM，这样使得我们可以同时对ROM的不同单元寻址，从而产生不同相位的信号，调节相位控制器，可以很方便的改变两路信号的相位差。这样设计的DDS框图如图2:
3.3基于Nios的DDS实现
系统的开发包括硬件和软件两部分，硬件部分采用ALTERA公司性价比较高的Cyclone系列FPGA，使用SoPC Builder生成Nios嵌入式处理器。由于本设计中要求信号幅度、相位和频率都可调节，并且能通过LCD实时的显示，利用SoPC Builder生成可裁剪的Nios CPU软核，并添加一些外围设备接口，如作为控制输入的键盘接口：实时显示用的LCD接口;DDS控制接口等。系统硬件框图如图3。
在Cyclone的FPGA中带了一个PLL．这样我们便能很好的控制系统时钟和DDS的时钟．灵活地选择晶振信号源。另外幅度调制采用一个乘法器，运用硬件电路搭建，充分使用内部的LE资源，而且方便、灵活，能达到速度要求。
系统的软件设计主要是键盘扫描程序的编写、LCD显示的控制接口和对DDS的控制．采用C语言编写。而DDS单元则用VHDL硬件描述语言。PLL模块直接使用MegaWizard Plug-in Manager功能同时产生两路不同的时钟输出．一路给DDS，另一路给Nios软核。
由于DDS的结构，产生的波形由ROM查找表的数据决定，所以改变查找表中的数据便得到不同的信号输出，这样可以很方便的产生正弦、余弦、方波，三角波、锯齿波等。在这次设计中，要产生正弦和余弦信号没必要改变查找表的数据，只需要调整相位即可，这就是多路输出不同相位信号最大的优点。
4 Matlab与Quartus接口设计
设计中需要大量的计算，特别是ROM查找表初始化数据的产生，可以借助matlab强大的计算能力。最后的仿真数据也可以用matlab画图直观的观察。
4.1相位幅度变换
由于Cyclone系列的FPGA具有丰富的memory资源，本方案中选用4K的RAM Block构成查找表。在实际的设计中．当我们产生方波的时候则可以直接采用数学计算，没必要构建查找表，从而节约了资源。而产生正弦或余弦信号时，考虑到正弦信号1/4波形对称的性质．只需要存储π/2的正弦采样点，利用数学计算便可以产生2π弧度的正弦波形。这样大大的缩小了ROM．节约了资源。ROM的初始化数据文件为.mif
文件。生成该文件可以借助matlab数学工具，先在matlab里生成正弦信号的采样点数据表格，还需要自己添加程序，下面举例说明。
先编写一段m文件程序，这里以产生216X12正弦波π/2幅度值为例。即在π/2的幅度范围内采样65536个点．每个点的值用12位二进制数表示。在matlab里编写的m文件， 保存的文件名为sin_data.mif。
x=0:1:65535;
y=round(2047*sin(pi*x/131072)) +2048; %pi*x/131072的范围为0～/2
%改变131072即可改变正弦信号的长度。2048则决定了数据宽度。
fid=fopen('sin_data.mif','W' );
fprinf(fid,'%d:%d;＼n' ,x,y);
fclose(fid);
plot(x，y);
grid on
在sin_data.mif中数据的存放格式为：
相位：幅度值;
但是这样的数据表格在Qualtus 4．2里还不能直接调用，需要我们自己编程，加上数据类型申明，其格式如下：
DEPTH =65536;% Memory depth and width are required%
WIDTH = 12; % Enter a decimal number %
ADDRESS_RADIX=DEC; % Address and value radixes are required%
DATA_RADIX =DEC;% Enter BIN，DEC，HEX，OCT，or UNS;unless%
% otherwise specified,radixes=HEX %
--Specify values for addresses, which can be single address
or range
CONTENT
BEGIN
0:2048;
1:2048：
2:2048;
64613:4094;
64614:4095;
END;
4.2 幅度数据的matlab仿真
经过Quartus的综合、波形仿真后，可以得到.vwf波形文件。然后选择File菜单下的Save Current Report Section As，保存类型选择为.tbl。这样便可以得到输出波形的数字幅度序列数据。就可以借助Matlab工具方便的观察波形。.tbl文件的数据存储格式如下：
时间>边沿标志 相位=幅度值;
其中时间单位默认为ns，边沿标志只有一位，其中1表示上升沿，0表示下降沿，地址和幅度值君采用十六进制数表示。用Matlab进行画图时需要我们自己编写m文件程序。我们需要从表格中提取数据，而识别幅度数据的标志就是“=”，所以判断“=”的位置便可将数据提取出来。但在文件前面的说明中有两个“=”，这是我们不需要的，所以编程的时候应该滤除。在这里假设.tbl文件保存路径为：C:\altera\benben\sin.sim.tbl。m文件如下：
fid=fopen('C:\altera\henben\sin.sim.tbl,'r');
yy=fscanf(fid,'%s')
fclose(fid);
aa=fid(yy=='='); %找出“=”的下标
i=0：
for j=1:length(aa)
if yy(aa(j)-1)<='F' %滤除说明中的“=”
i=i+l;
data_hex(i,1)=yy(aa(j)+1);data_hex(i,2)=yy(aa(i)+2);data_hex(i,
3)=yy(aa(j))+3);
%取出幅度数据值．数据为十六进制数
end
end
data_dec=hex2dec(data_hex);%将十六进制数转为十进制数
plot(data_dec);
grid on
5 结论
该设计利用Ahera公司的Cyclone FPGA，借助Nios软核设计的 信号产生器" title="信号产生器">信号产生器，采用两级DDS串联．提高了信号的精度，另外提出了提高精度的动态分频法。针对实际需求，采用双口ROM方便的实现了多路不同相位信号的输出 另外介绍了Matlab与Quartus的接口程序的编写，借助Matlab强大的计算能力和画图功能，为我们的设计带来了极大的方便。实验结果表明该设计是行之有效的，具有很大的实用性。
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