摘 要： 充分利用现代最新发展的大规模集成电路技术和数字处理技术 ，基于 DDS 芯片 AD9857 的自身资源特点，使之与 FPGA 芯片 EP20K100E 相结合，设计开发了一种 信号产生系统，具有操作简单、可编程、信号指标良好等突出优点。
关键词： DDS ； FPGA ；信号产生；数字正交调制
1 引言
随着当代数字电路和微电子电路的飞速发展，现代通信、电子测量、雷达等技术 领域对频 率范围宽、分辨率高、频率转换时间短、模式多样化的信号源的要求越来越高。近年来发展 很快的直接数字频率合成（ Direct Digital Synthesis,DDS ）技术逐渐体现出其具有 相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率很高、输出相位连续、任意波形输出能力、 数字调制功能、可编程及全数字化结构便于集成等优越性能。
本文介绍一种采用 DDS 与 FPGA( Field Programmable Gate Array) 相结合的新型信号产生系统的设计方法 , 构建了一个通用的完全可编程控制的基本硬件平台 , 通过软件加载来实现各种信号，构成灵活可变的多频段 、多模式的信号产生系统。因为波形合成采用了 DDS 技术 , 大大简化了系统结构 , 降低了成本 , 提高了系统的性能和可靠性。该系统通过编程产生所需要的信号，可以产生单频信号、线性 调频信号、非线性调频信号、脉内相位编码脉冲信号、 QPSK ， BPSK ， AM ， QAM ， FSK 等信号。
通过编程实现线性调频斜率和带宽的变化，可实现多种非线性调频信号和多种相位编码脉冲 信号。输出信号的幅度、相位、频率经过键盘可灵活改变，且操作方便。
2 信号产生系统方案设计
基于 DDS 芯片 AD9857 和 FPGA 的任意信号产生系统的设计结构框图如图 1 所示。
2 . 1 主要芯片概述
AD9857 是美国 AD 公司新近推出的一种功能强大的高性能通用正交数字上变频器，内部集成 半带滤波器、 CIC 滤波器、反 SINC 滤波器、高速的数模转换器，其核心是一个相位连续的直 接数字频率合成器 DDS 。 AD9857 的主要技术特性包括：最高为 200 MHz 的内部时钟速度，并且 集成了带有锁定指示器的 4~20 倍的时钟倍频，可以提供高精度的系统时钟； 14 b 的数据通 道； 80 dB 窄带无杂散信号动态范围； 4 种可编程的、引脚可选的信号模式；单引脚节电功 能；具有 FSK 调制功能；反 SINC 功能，在 DAC 变换之前恢复出理想的信号包络； 32 b 的 DDS ； 8 b 的输出增益控制； 10 MHz 串口， 2 线或 3 线 SPI 兼容； 3 . 3 V 电源工作，工作温度为 -40 ～ +85 ℃。
AD9857 有 3 种工作模式以满足用户的不同需要，正交调制模式（默认）、单频输出模式、 插值 DAC 模式。在正交调制模式下， DDS 接受串口输入的频率控制字产生正交的本振信号到正 交调制器，与基带 I/Q 信号相乘之后相加，产生正交调制信号，即完成了上变频的过程，最 后通过 14 位的数模转换器变成模拟信号输出；在单频输出模式下， DDS 核心接受输入的频率 控制字产生相应的频率信号；在插值 DAC 模式下， 14 位基带数据经过插值滤波，但不经过正 交调制最后模拟输出。
可编程逻辑器件（ Programmable Logic Device,PLD ）及其应用是 20 世纪 70 年代 诞生的一门新兴技术， PLD 具有集成度高、可靠性强、可重复编程等特点。 PLD 器件包括 PR OM 、 GAL 、 EPLD 、 ispLSI 和 FPGA ，其中 FPGA 编程灵活，他的 I/O 引脚多达几百条， 1 片 FPGA 就 可以实现逻辑功能十分复杂的逻辑部件或者一个小型数字系统。本文介绍的系统选用的是 AL TERA 公司的 EP20K100E 器件，主要完成地址控制和并串变换 2 个主要功能。
2 . 2 系统各部分功能及工作原理
图 1 中虚线框中的部分分别为 AD9857 的内部结构和 FPGA 应用于信号产生系统的部分，其中 单 片机的功能主要是控制信号的输入，键盘的写入， LED 的显示。在每次加电时 都要通过单片机初始化，将写好的控制程序加载在信号产生系统上，然后把从键盘上输入 的数据送到中央处理芯片，信号通过低通滤波器输出的同时， LED 数码管显示信号的种类、 频率值、幅度值等信号参数。
对 AD9857 编程控制的同时，对 EPROM 注入不同的基带数据，可实现各种调制形式 信号的输出，各种功能均由软件模拟实现。由控制平台选择所需的调制方式、所在载频、 脉宽，将指令送给单片机，单片机分析之后将指令传送给 FPGA ， FPGA 的内部完成地址控制和 并串变换两大功能，对 AD9857 进行初始化设置的同时，通过串口将 AD9857 的频率控 制字送入 AD9857 产生载频，产生调制信号时则同时接受相 应的命令对 EPROM 进行快速寻址，产生串行 的 I/Q 两路基带数据，经过 AD9857 内部串并变换之后形成两路并行 I/Q 两路基带数据 流，经过 半带滤波器、插值滤波器进行过采样，提高了数据流的速率到与 AD9857 的系统时钟同 步，同时根据软件设置的频率控制字，正交调制到设定的载频上，然后由内置的高速 D/A 转 换器将数字信号转换成模拟信号，最后通过低通滤波器滤波输出。
3 信号产生方法
本系统主要应用 AD9857 的单频模式和正交调制模式完成最终信号的产生，不同的模 式产生不同的信号形式，即单频信号的产生运用单频模式，线性调频、非线性调频 信号、脉内相位编码脉冲信号、 QPSK ， BPSK ， AM ， QAM ， FSK 等信号运用正交调制模式产 生。
3 . 1 单频信号的实现
要产生不同频率的单频信号，利用 AD9857 的 Singletone （单频）模式是很 容易实 现的，而且能产生精确的频率。首先，根据用户要求输出的频率计算出相应的频率控制字， 其中频率控制字（ FTWORD ）由 f C =(FTWORD*SYSCLK)/23 2 计算得到。例如，当 系统时钟 SYSCLK 为 150 MHz ，需要输出载频为 50 MHz 时，根据上式计算得 FTWORD=55555555H ，这样将频率控制字 55555555H 通过单片机的串行口送入 AD9857 内部寄存器 02H~05H （组 1 ） ，当 AD9857 管脚 PDCLK/CLK 有上跳沿的脉冲时就可以送入 AD9857 内部的 DDS 核心进行频率合成 ，在单片机与 AD9857 进行串行通讯时，采用的是串行口同步模式，时序如图 2 所示，便可以得到输出频率 为 50 MHz 的单频信号了。
3 . 2 线性调频和非线性调频等调制形式信号的实现
线性调频和非线性调频等调制形式信号的产生，可以通过 AD9857 的 Quadrature Modul a tor( 正交调制 ) 模式来实现。 AD9857 内部有 4 组 FTW 寄存器，可以根据需要，将常用的 4 种频率控制字放入寄存器，可以通过 PS1 和 PS0 信号引脚来进行频率字寄存器的选择，然后通 过对并行数据口数据的更新，来进行具体的频率字的调节。并行数据传输接口，提供 IQ 两路 的数据输入通道， 2 路数据的更新时钟，由系统时钟 SYSCLK/N 得到，并且应该是 2 倍的 IQ 数 据组合时钟，而需要的数据根据应用由 EPROM 产生。 IQ 两序列的 14 位并行数据 D<13 ∶ 0 > 与 AD9857 管脚 PDCLK ， TxENABLE 控制信号的时序关系如图 3 所示。
I/Q 两路基带数据按地址存放于 EPROM 中， FPGA 接受单片机的指令对其进行相应的地址寻址 ，使 EPROM 输出相应输出信号方式下的基带数据给 AD9857 ，从低通滤波器出来的便是相应的 调制模拟信号。下面简单介绍一下基带数据产生及处理方法。
当调制信号的带宽远小于调制、载波频率时，对任意已调信号都可以用：
来表示。其中幅度 R(t) 和相位θ (t) 包含了基带信号的全部特征。展开上式得：
Q 分量，ω c 为相应的载频，也就是由 AD9857 串口产生的本振信号。
举例来说，要实现调频（ FM ）信号，调频是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的 一种调制方式，单音调频信号的数学表达为：
从式（ 4 ）可以看出，实现 FM 信号时要对调制信号进行积分，然后分别取正 余弦即可，这样实现 FM 信号时，只需令：
又如，我们要实现调幅（ AM ）信号，根据调幅信号表达式：
其中， v Ω为调制信号， m α为调制指数，范围为（ 0 ， 1 ），实现正交调制时，只 要令：
其余各种调制信号如相位编码脉冲信号、 QPSK 、 BPSK 等调制方式的 I/Q 基带数据分量都 可根据相应表达式通过计算得到。
4 结语
本文介绍了一种基于 DDS 芯片 AD9857 正交数字上变频器为核心，结合可编程逻辑器件 FPGA 构 成的任意信号产生系统的硬件以及几种信号的具体产生方法。本系统采用外接 20 MHz 恒 温晶振，通过系统内 10 倍频得到 200 MHz 的系统时钟，图 4 和图 5 分别为系统输出的中心 频 率 30 MHz 、带宽 4 MHz 的线性调频信号与中心频率 10 MHz 、带宽 4 MHz 的 13 位 Barker 码相 位 调制信号频谱，输出信号指标良好。本系统能得到中心频率在 0~80 MHz 的各种信号，通 过测 试：中心频率在 50 MHz 以下的信号杂散抑制能达到 70 dB 以上，中心频率在 50~60 MHz 的 信号 杂散能达到 65 dB ，而中心频率在 60 MHz 以上的信号杂散抑制则小于 50dB 。
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