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NCO与DDS技术 郑振耀 NCO技术 数字控制振荡器 NCO numericalcontrolledoscillator 是软件无线电 直接数据频率合成器 DDS Directdigitalsynthesizer 快速傅立叶变换 FFT FastFourierTransform 等的重要组成部分 同时也是决定其性能的主要因素之一 用于产生可控的正弦波或余弦波 随着芯片集成度的提高 在信号处理 数字通信领域 调制解调 变频调速 制导控制 电力电子等方面得到越来越广泛的应用 数控振荡器的基本实现原理 数控振荡器的作用是产生正交的正弦和余弦样本 传统方法是采用查表法 LUT 事先根据各个正余弦波相位计算好相位的正余弦值 并按相位角度作为地址存储该相位的正余弦值 构成一个幅度P相位转换电路 即波形存储器 在系统时钟的控制下 由相位累加器对输入频率字不断累加 得到以该频率字为步进的数字相位 再通过相位相加模块进行初始相位偏移 得到要输出的当前相位 将该值作为取样地址值送入幅度P相位转换电路 查表获得正余弦信号样本 对于一个相位位数为n 输出信号幅度位数为M的数控振荡器 所需查找表大小为M 2n 为了提高数控振荡器的频率分辨率 往往需要扩大波形存储器的容量 造成存储资源的大量消耗 而且 当需要外挂RAM来存储波形时 由于受到RAM读取速度的影响 数控振荡器的输出速率必然受到制约 当需要设计高速 高精度的数控振荡器时 不宜采用查表法 高速 高精度的数控振荡器的实现方法 算法实现 为了避免使用大容量存储器 可以考虑利用算法来产生正余弦样本 基于矢量旋转的CORDIC算法能实现高速 高精度的NCO CORDIC算法主要用于计算三角函数 双曲函数及其它一些基本函数运算 CORDIC它有线性的收敛域和序列的特性 只要迭代次数足够 即可保证结果有足够的精度 CORDIC算法 参见论文 苏凯雄 基于FPGA的数控振荡器的设计与实现 WaltherJS于1971年提出了统一的CORDIC形式 假定初始向量V1 x1 y1 旋转角度 后得到向量V2 x2 y2 即 DDS技术 DDS是直接数字式频率合成器 DirectDigitalSynthesizer 的英文缩写 与传统的频率合成器相比 DDS具有低成本 低功耗 高分辨率和快速转换时间等优点 广泛使用在电信与电子仪器领域 是实现设备全数字化的一个关键技术 DDS芯片中主要包括频率控制寄存器 高速相位累加器和正弦计算器三个部分 如Q2220 频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码 而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加 得到一个相位值 正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度 芯片一般通过查表得到 DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波 因此还需经过高速D A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号 DDS优点 频率分辨率高 输出频点多 可达2的N次方个频点 N为相位累加器位数 频率切换速度快 可达us量级 频率切换时相位连续 可以输出宽带正交信号 输出相位噪声低 对参考频率源的相位噪声有改善作用 可以产生任意波形 全数字化实现 便于集成 体积小 重量轻 最常见的信号源类型包括任意波形发生器 函数发生器 RF信号源 以及基本的模拟输出模块 信号源中采用DDS技术在当前的测试测量行业已经成为主流的做法 任意波形发生器 任意波形发生器 AWG 通常提供较深的存储器 较大的动态范围以及较宽的带宽 来满足各式各样的应用 包括通信 半导体和系统测试 AWG接收来自PC的用户自定义数据 并利用这些数据来生成任意波形 AWG用户可以将想要产生的一系列波形下载到仪器所带的存储器中 通常 可以存储实际的波形和形成这些波形所需的波形序列指令 要从AWG上产生一种波形 必须先创建任意波形本身 像模拟波形编辑器 调制工具 以及国家仪器公司 NI 的LabVIEW这类的软件工具都能够简化这些波形的创建 这些波形和其波形序列指令都存在仪器所带的RAM中 任意波形发生器 波形生成序列通常从TTL硬件触发器开始 各种波形由许多单个的样本构成 而生成采样率由仪器的采样时钟确定 从内部采样时钟时基 100MHzVCXO 中导出采样时钟有几种不同模式 包括DDS定时Div N时钟 以及几种提供不同外部时钟的模式 另外 对于用于仪器的锁相环的频率基准 也有几种不同的选择 波形通过存储器到数模转换器 DAC 数模转换器将数字采样样本转换成所需的模拟输出波形 在DAC之前 样本被数字滤波 而经过DAC之后 模拟输出又通过一个模拟滤波器 这些数字和模拟滤波器通过插值来增加采样率 并通过谐波低通滤波器滤除寄生信号 从而极大地改进了信号的质量 通常 这些滤波器都能够软件编程 函数发生器 函数发生器产生固定波形 如正弦波 方波 矩形波 阶梯波或三角波 锯齿波 频率可调节 函数发生器无需来自计算机或大容量存储缓冲器的连续输入 因为设备本身能够产生这些波形 函数发生器可以基于模拟技术 也可以基于数字技术 模拟函数发生器利用模拟硬件来产生简单的函数 并在需要指定频率的静态正弦波或方波时经常使用 而数字函数发生器采用直接数字综合 DDS DAC 数字信号处理 以及一个单周期存储缓冲器来产生信号 DDS技术依赖数字控制的方法 利用单基准时钟频率来实现一个模拟频率源 DDS能够实现高精度和高分辨率 高温度稳定度 高宽带 以及随机的和相位连续的频率切换 许多信