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标题: 基于模型的DDS芯片设计与实现 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 16:55
标题: 基于模型的DDS芯片设计与实现

　　摘要：介绍了一种基于模型的DDS芯片的设计方法。根据DDS基本原理,在MATLAB环境下建立模型,用System Generator产生VHDL程序,并在ISE软件中编写仿真和控制程序,最后在Spartan-3E STarter Kit开发板上实现设计。与传统的FPGA编程设计方法相比,本文所介绍的方法可以避免繁琐的编程工作、节省时间并降低出错概率。实验结果证明了这种设计方法的可行性。
　　0 引言
　　1971 年，美国学者J.Tierncy.C.M.Rader 和B. Gold 应用全数字技术，从相位概念出发给出了直接合成波形的一种新的频率合成原理，这就是DDS （ Direct Digital Synthesizer）,直接数字合成技术。近几年超高速数字电路的发展尤其是大规模超高速FPGA 技术日渐成熟，以及对DDS 的深入研究，使得DDS 的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到与锁相频率合成器相当的水平[1]。与其它频率合成方法相比，DDS 具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化、易于集成等突出优点。本文提出的方法基于Xilinx 公司和它的合作者联合提出的XtremeDSP 解决方案，从系统结构设计直接映射到基于FPGA 的DSP 系统硬件实现。在这种基于模型的设计技术中，利用Simulink 的图形化界面由系统的技术条件建立系统的数学模型，通过算法对模型进行仿真优化，再转化成IP 核实现。System generator 同Simulink 模型工具结合，可以将算法参数化、最优化，并可自动从行为级的系统模型转换到FPGA 实现，不需手工重设，从而避免了繁琐的编程工作，大大节省了开发时间并降低了出错的概率。
　　1 DDS 的基本原理

　　2 在MATLAB 中建立的DDS 模型并在ISE 中实现
　　2.1 建立DDS 模型
　　Simulink 是一个可用于多领域动态系统仿真的平台，为动态系统提供建模和分析的方法，提供交互的图形化方框图环境带有为信号处理、通信和控制等可定制的模块集。System Generator 就是Xilinx 公司的一个专有模块集（Blockset），它是Simulink 的一个插件，包括基本DSP 函数和逻辑算符，其中包含的预先定义好的模块可以保证FPGA 实现时位和周期的正确。用它可以自动生成VHDL 语言、测试向量等文件，还可以自动将特定的设计模块映射成高度优化的IP 核模型。在本文介绍的设计中，最后生成的工程文件中就自动映射出一个累加器核和一个单口块ROM 核。

；设置频率控制字FWord=4，将仿真时间设置为2048，这样从理论上我们应该可以看到两个周期的完整波形输出。运行仿真，可以在Scope 中观察到如图2.1 中波形。改变控制字的值，就可以得到不同频率、不同相位的波形(图2.2)。

输入时钟可以直接接入50MHZ 的晶振，这样，在同样频率控制字的情况下输出频率也会相应提高。这里分频只是为了配合相对低速的D/A 芯片，以使得输出波形每个周期的采样数相对多一些，以便于用示波器进行观察。

　　将生成的比特流代码下载到目标板，板上的开关信号作为用户接口控制FWord 的值，控制不同开关的关闭和开启，模拟不同频率控制字的情况，得到不同频率的波形，用示波器观察开发板上J5 连接器的A 通道，得到如图3 的波形：观察波形，与由公式计算出的理论值吻合，证明了本文所介绍的方法的有效性、可行性。在ISE 的设计使用摘要窗口中，我们可以清楚的看到该系统所占用的芯片资源极少，由此可见，如果我们加大ROM 的深度，并且通过DCM 时钟管理提高主时钟频率的话，能够很容易的实现更高频率、更高精度的DDS 芯片。
　　4 结语
　　该设计过程演示了在MATLAB/SIMULINK 环境下使用Xilinx 公司的System Generator 模块集对DDS 建模，并在ISE 中进行编译、仿真，最终在开发板上实现DDS 功能芯片的过程。虽然在ISE 集成环境中已经提供了DDS 的IP 核供编程者使用，但是只能产生正弦或者余弦波形，在需要产生其它波形（如方波、三角波等）的场合难以发挥作用，而且根据DDS 原理使用软件编程方法产生其它波形具有一定的复杂性，容易出错且效率不高。本文介绍的方法具有数字频率合成的普遍性，设计者通过修改ROM 中存储的初始值向量，可以用类似的方法达到产生任意波形的目的。这是一种在Xtreme 系统中实现DSP 设计的普遍方法，使用这样的设计流程，可以避免编写烦琐的HDL 程序，更可以实现其它更加复杂的DSP 算法。该方法充分发挥了使用FPGA 实现DSP 系统所具有的高度并行性、重构灵活性以及低性价比的优势，在无线基站、复杂网络系统、视频服务和医疗图象等DSP 领域将得到更加广泛的应用。
　　本文的创新点：不仅提出了一种先进的基于模型的DDS 芯片的设计新方法，而且通过实际实验在硬件开发板上实现了整个设计构想，实验结果符合设计要求，验证了该设计方法的正确性、可行性。

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