基于直接数字频率合成的可编程遥测信号源

摘要：针对传统的遥测信号源缺乏灵活可配置性、通用性差的问题，提出采用FPGA和DDS技术为核心设计灵活可配置的可编程遥测信号源。该信号源的硬件电路主要由低成本FPGA芯片和DDS芯片组成，采用Verilog语言进行编程，使FPGA控制核心输出不同的相位、频率、波形等控制字信息给DDS芯片，经DDS芯片后输出所需波形。仿真表明，该信号源能够输出频率范围在0～12．5 MHz的频率、相位可调的正弦波、三角波、方波等波形信号，具有一定的通用性。
关键词：遥测；信号源；DDS；FPGA

0 引言
遥测信号源的主要功能是模拟弹载遥测信息。从技术实现上，可将信号源分为模拟信号源、数字信号源和DDS信号源。其中DDS信号源是现代信号源的发展方向。DDS技术(直接数字频率合成)是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成法，具有可编程、易于实现各种数字化调制(如PSK，FSK等高精度的数字调制)，频率分辨率高、转换速度快、稳定度高，相位噪声低以及集成度高等优点。近年来，随着遥测技术的发展，遥测产品逐渐呈现出小型化、标准化、系列化等应用需求。因此，为满足应用需求，遥测信号源必须能够提供多样的被测信号类型，根据被测模块参数的变化进行实时调整，实现一一对应。而传统的遥测信号源在设计上缺乏灵活性、通用性，被测参数的多样性和实时性差，无法满足遥测产品的发展需求。针对这一点，本文提出了以FPGA(现场可编程门阵列)和DDS专用芯片为核心的可编程遥测信号源。

1 FPGA及DDS基本工作原理
一般传统的信号源都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。这种信号源输出波形单一，且频率稳定度和准确度较差，因此传统的信号源已经越来越不能满足现代遥测产品的测量需要。而采用DDS技术设计的遥测信号源可以满足波形多样化，频率、相位灵活可配置的要求，且频率稳定度高。
1．1 FPGA
FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件。经过20多年的发展，FPGA的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门，采用Verilog HDL语言进行设计，在写激励和建模方面存在很大优势。FPGA的基本组成部分有可编程输入／输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。FPGA器件在结构上由逻辑功能块排列为阵列，通过可编程的内部连线连接这些功能块来实现一定的逻辑功能。由于FPGA器件集成度高，开发和上市周期短，在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用，曾在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头。
Altera公司是目前市场上生产FPGA芯片的主要供应商之一，为用户提供了完善的开发系统和良好的售后支持服务，有着成熟的系列产品。该公司的可编程逻辑产品可以分为高密度FPGA、低成本FPGA和CPLD等三类。相对于低成本FPGA来说，高密度FPGA主要用于中高端的路由器和交换机中，价格相对偏高，CPLD虽然价格较低，但布线资源有限，无法适用于电路复杂的时序功能设计。Cyclone(飓风)系列是Altera公司推出的一款低成本FPGA，主要定位在大量且对成本敏感的设计中。Cyclone EP1C6是Altera推出的一款高性价比FPGA，工作电压为3．3 V，内核电压为1．5 V，其密度为5980个逻辑单元，包含20个128×36 b的RAM块(M4K模块)，总的RAM空间达到92 160 b，内嵌2个锁相环电路和一个用于连接SDRAM的特定双数据率接口。
1．2 DDS及其芯片
DDS采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构。它最初是在20世纪70年代由美国学者J．Tierncy等人提出的，它是继直接频率合成和间接频率合成之后，随着数字集成电路和微电子技术迅速发展起来的第三代频率合成技术。DDS是指从相位量化概念出发直接合成所需波形，有效地解决了许多模拟合成技术无法解决的问题。
DDS是建立在采样定理基础上，首先对需要产生的波形进行采样，将采样值数字化后存入存储器作为查找表，然后通过查表读取数据，再经D／A转换器转换为模拟量，将保存的波形重新合成出来。DDS基本原理框图如图1所示。