454 唐长文等：一种高速直接数字频率合成器及其FPGA实现 2001年 构，内部引入了4级流水线。正弦采样值ROM,由 XC4010XLPC84A转换器ADV7128、下载电路 于容量比较小，采用组合逻辑生成。综合结果表明， 和电源电路四个部分。其中的数字输出可以输出到 能够达到系统50MHz要求。电路仿真结果如图12 板上的SRAM芯片中，然后上载到计算机进行数字 所示。 信号分析，模拟输出则通过HP示波器测试。 数字信号测试表明，电路实际工作时的结果与 仿真结果完全一致。 5 结论 本文介绍了一种用于QAM调制和解调的高速 图12电路仿真波形图 直接数字频率合成器。对整个系统在结构方面进行 前半部分是频率为6.63MHz的正弦和余弦 了优化：考虑了有限字长效应，利用正弦和余弦的对 波，频率控制字FCW=21F0BD6H,相位控制字 称性，大大降低了ROM的容量，提出了系统的几种 Phase-=00H;后半部分是频率为8.21MHz的正弦 调制方式：频率调制、相位调制和正交幅度调制。整 和余弦波，频率控制字FCW=2A098ACBH,相位控 个系统通过VHDL语言描述，采用X ilinx FPGA硬 制字Phase=-80H。图l3是上述信号的FFT频谱， 件实现，最后，还进行了硬件测试。系统时钟频率为 谐波幅度小于.72B。 50MHz,信号的谐波小于.72dB。输出信号的范围 为DC到25MHz,信号频率步长为0.0116Hz,相 ”4.310 应的转换速度为20ns,建立时间延迟为4个时钟。 参考文献 itlenisllbit ith [1]CMOS 80 MHz 10-bit video DAC ADV 7128 [Z A nalog Devices Data Sheet [2]Tierney J,Rader C M,Gold B.A digital frequency synthesizer [J IEEE Trans A udo Electroacoust, 图13FFT频谱 19711948-57 [3] Sutherland D A,Strauch R A,W harfield SS,et,al 将综合好的edif电路网表文件输入到后端 CMOS/SOS frequency synthesizer LSI circuit for FPGA厂商X ilinx的Foundation软件，进行布局和 pectrum communications [J]IEEE J Sol Sta Circ, 1984:19(8):497-505 布线，生成二进制流文件。其结果如表1所示。 [4] N icho las H T,Sam ueli H.A 150 MHz direct digital frequency synthesizer in 1 25-um CMOS w ith-90dBc 表」硬件综合结果 spurious perfom ance[J]IEEE J Sol Sta Circ,1991; 26(12):1959-1969 硬件芯片 XC4010XLP℃84-3 [5] Vankka,W altari M,Kosunen M,et al A direct 资源 140 CLB digital synthesizer w ith an on-chip DA-converter 等效门数 8318门 [J IEEE J Sol Sta Circ,1998;33(2):218-227 [6]N icholas H T,SamueliH,Km B.The opti ization 最高工作频率 54.514MHz of direct digital frequency synthesizer perfo m ance in the presence of finite word length effects [A 1 Proc 43rd Annu Frequency Control Symp [C 1988 357- 4 电路测试 363 [7]Tan K,Samueli H.A 200 MHz quadrature digital synthesizer /m ixer in Q 8-m CMOS [J IEEE J Sol 测试电路板主要包括：FPGA芯片 Sta Circ,.1995:30(3):193-200 作者简介：唐长文(1977一)，男，1999年毕业于复旦大学，获电路与系 统专业学士学位，现为复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室硕 士研究生，研究方向为专用集成电路设计、数字信号处理系统设计、数字 信号算法FPGA结构实现等，目前正在研制单片多制式数字视频编码器 系统。 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co..Ltd.All rights reserved.构, 内部引入了 4 级流水线。正弦采样值 ROM , 由 于容量比较小, 采用组合逻辑生成。综合结果表明, 能够达到系统 50M H z 要求。电路仿真结果如图 12 所示。 图 12 电路仿真波形图 前半部分是频率为 6163 M H z 的正弦和余弦 波, 频率控制字 FCW = 21F07BD 6H , 相位控制字 Phase= 00H; 后半部分是频率为 8121 M H z 的正弦 和余弦波, 频率控制字 FCW = 2A 098A CBH , 相位控 制字 Phase= 80 H。图 13 是上述信号的 FFT 频谱, 谐波幅度小于- 72 dB。 图 13 FFT 频谱 将综合好的 edif 电路网表文件输入到后端 FPGA 厂商X ilinx 的 Foundation 软件, 进行布局和 布线, 生成二进制流文件。其结果如表 1 所示。 表 1 硬件综合结果 硬件芯片 XC4010XL PC8423 资源 140 CLB 等效门数 8318 门 最高工作频率 541514M H z 4 电路测试 测 试 电 路 板 主 要 包 括: FPGA 芯 片 XC4010XL PC84、A öD 转换器ADV 7128、下载电路 和电源电路四个部分。其中的数字输出可以输出到 板上的 SRAM 芯片中, 然后上载到计算机进行数字 信号分析; 模拟输出则通过 H P 示波器测试。 数字信号测试表明, 电路实际工作时的结果与 仿真结果完全一致。 5 结 论 本文介绍了一种用于QAM 调制和解调的高速 直接数字频率合成器。对整个系统在结构方面进行 了优化: 考虑了有限字长效应; 利用正弦和余弦的对 称性, 大大降低了 ROM 的容量; 提出了系统的几种 调制方式: 频率调制、相位调制和正交幅度调制。整 个系统通过V HDL 语言描述, 采用X ilinx FPGA 硬 件实现, 最后, 还进行了硬件测试。系统时钟频率为 50M H z, 信号的谐波小于- 72 dB。输出信号的范围 为DC 到 25 M H z, 信号频率步长为 010116 H z, 相 应的转换速度为 20 n s, 建立时间延迟为 4 个时钟。 参 考 文 献: [ 1 ] CM O S 80 M H z, 102bit video DA C ADV 7128 [ Z ]. A nalog D evices D ata Sheet. [ 2 ] T ierney J, R ader C M , Go ld B. A digital frequency synthesizer [J ]. IEEE T rans A udio E lectroacoust, 1971; 19: 48257. [ 3 ] Sutherland D A , Strauch R A , W harfield S S, et, al. CM O SöSO S frequency synthesizer L S I circuit fo r spectrum comm unications [J ]. IEEE J So l Sta C irc, 1984; 19 (8): 4972505. [4 ] N icho las H T , Sam ueli H. A 150 M H z direct digital frequency synthesizer in 1. 252Λm CM O S w ith- 90dBc spurious perfo rm ance[J ]. IEEE J So l Sta C irc, 1991; 26 (12): 195921969. [ 5 ] V ankka, W altari M , Ko sunen M , et al. A direct digital synthesizer w ith an on2ch ip DöA 2converter [J ]. IEEE J So l Sta C irc, 1998; 33 (2): 2182227. [ 6 ] N icho las H T , Sam ueli H , K im B. T he op tim ization of direct digital frequency synthesizer perfo rm ance in the p resence of finite w o rd length effects [A ]. P roc 43rd A nnu F requency Contro l Symp [C ]. 1988. 3572 363. [ 7 ] T an K, Sam ueli H. A 200 M H z quadrature digital synthesizer öm ixer in 0. 82Λm CM O S [J ]. IEEE J So l Sta C irc, 1995; 30 (3): 1932200. 作者简介: 唐长文(1977—) , 男, 1999 年毕业于复旦大学, 获电路与系 统专业学士学位, 现为复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室硕 士研究生, 研究方向为专用集成电路设计、数字信号处理系统设计、数字 信号算法 FPGA 结构实现等, 目前正在研制单片多制式数字视频编码器 系统。 454 唐长文等: 一种高速直接数字频率合成器及其 FPGA 实现 2001 年 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved