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多分量信号的直接数字合成方法与实现

作者:未知

  摘 要:传统的方式构建多分量叠加的复杂波形时,需要较大的波形存储容量和复杂的硬件电路设计。针对这一问题,研究了一种多分量信号的直接波形数据合成方法,该方法充分利用FPGA的硬件资源,建立了基于DDS原理的正弦波、三角波和脉冲波的基础分量模型,可直接设置每个基础分量的幅度、频率、相位和脉宽,然后进行多分量波形数据直接叠加,经数模转换后产生模拟波形。还对多分量信号直接数字合成相关误差进行分析,并以单片FPGA为载体设计了28个正弦波分量、2个三角波分量、2个波脉冲分量的直接数字合成电路。该方法的突出优点是可由众多分量构建复杂波形、参数设置方便、模拟电路简单。
  关键词:多分量信号;直接数字合成;FPGA
  DOI:10.15938/j.jhust.2018.04.011
  中图分类号: TH911.7
  文献标志码: A
  文章编号: 1007-2683(2018)04-0059-05
  Abstract:With the traditional way to construct the complex waveform of multiple components, the large waveform storage capacity is needed and the design of the hardware circuit is complex. To solve this problem, in this paper, a method of direct waveform data synthesis of multicomponent signals is studied, making full use of the hardware resource of FPGA, and establishes the basic component model of sine wave, triangle wave and pulse wave based on DDS principle, which can directly set the amplitude, frequency, phase and pulse width of each base component. Then, the multicomponent waveform data is directly superimposed, and the analog waveform is generated after the digital analog conversion. Also, the relative error of direct digital synthesis of multi component signals is analyzed, and the direct digital synthesis circuit of 28 sine waves, 2 triangular wave components and 2 pulse components is designed by using single chip FPGA as the carrier. The outstanding advantages of the method are that the complex waveforms can be constructed from many components. The parameters are convenient and the analog circuit is simple.
  Keywords:multicomponent signals; direct digital synthesis; FPGA
  0 引 言
  �S着社会的不断发展,在通信系统、医疗及科学实验中,多分量混合信号的应用越来越多[1],比如在通信方面的海洋探测的研究、医疗上的频谱治疗仪以及用于科学实验的信号发生器等[2]。目前获得多分量混合信号的方法有两种,一种是多台信号发生器或多个通道模拟输出波形的叠加,另外一种方法是由任意波发生器输出复杂波形。现在市场上单台仪器最多能够实现4通道波形信号输出,如TEK公司的AWG2005,可通过外部模拟加法电路将多路信号叠加以构建复杂波形,但这种方法的体积大、功耗大,而且不易建立分量间严格的时序关系。现在很多电子测量仪器厂家都有任意波发生器产品,可以通过上位机软件编程任意波形数据,再通过接口传送给仪器,使仪器产生复杂的波形信号,但任意波发生器构建多分量信号的复杂波形,各分量的参数设置复杂[3],并且波形存储容量大、实时性差。为弥补以上应用不足,本文研究了一种新的产生多分量混合信号的实现方法,它以基于DDS原理[4]的正弦波、三角波、脉冲波为基础分量模型,充分利用FPGA资源,对多个分量信号进行直接数字合成,从而解决了传统多分量信号合成面临的诸多问题。
  1 直接数字合成方法
  傅里叶变换理论表明,任何复杂的信号都可以经傅里叶展开为不同频率的正弦波的叠加,因此可以把正弦信号作为最基础的分量波形,另一方面,三角波和脉冲波信号是常用的实验激励源,因此本文中约定正弦波、三角波、脉冲波作为多分量信号合成的基础分量。以DDS原理实现的正弦波具有很多优点,其频率、幅度、相位可以直接数字设定,其他波形也可用类似于DDS方式产生,因此本方法约定基础分量均以DDS原理实现。
  整个多分量信号的数据合成拓扑结构如图1所示。在硬件电路中,波形幅度的数据合成在FPGA内部完成[5]。首先,多个波形数据分别经过乘法器,然后一起通过加法器完成多分量混合信号的波形幅度数据合成,最后再输出到DAC,经转换后变成模拟信号,从而完成波形发生。


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