一種用于FPGA的改進算法弱化了方波重影

　　0 引言

　　DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）頻率合成器能夠很方便地輸出任意波形，方波作為最常用波形之一，具有其特殊性。但輸出的方波存在明顯的重影現(xiàn)象直接影響了方波的質(zhì)量。

　　1 方波重影出現(xiàn)的原因

　　假設(shè)系統(tǒng)時鐘頻率為200 MHz，以輸出3 MHz方波為例，從模擬示波器觀察到的結(jié)果如圖1所示。

　　圖1中存在明顯的雙邊沿現(xiàn)象，且兩條上升沿的間距為5 ns，剛好等于系統(tǒng)時鐘的周期。這種現(xiàn)象可稱為方波重影。

　　根據(jù)DDS的工作原理可知，相位序列具有周期性。

　　在相位序列的一個周期內(nèi)，相位累加器會溢出若干次，并且每次溢出后的殘留量都不一樣。當殘留量足夠大時，再次發(fā)生溢出所需的累加次數(shù)會減少一次。累加次數(shù)的減少，意味著方波的周期變小。不同周期的方波疊加在一起，便出現(xiàn)重影現(xiàn)象。

　　使用Matlab模擬DDS生成方波的過程，可以得到更直觀的認識，如圖2所示。

　　按照圖2中的參數(shù)設(shè)置，方波的周期等于：

　　從圖2可以看出，為了輸出周期為3.2Tc 的方波，在相位序列的一個周期內(nèi)，DDS 頻率合成器的實際輸出為：一個周期為4Tc 且占空比為50%的方波，兩個周期為3Tc 且占空比為75%的方波，兩個周期為3Tc 且占空比為25%的方波。從平均的意義上看，剛好組成周期為3.2Tc 且占空比為50%的方波。因此，DDS 頻率合成器輸出的方波不僅周期在波動，而且占空比也發(fā)生波動。

　　如果將DDS 頻率合成器看成分頻器，在滿足奈奎斯特采樣定理［4］的條件下，可以得出如下結(jié)論：輸出正弦波等連續(xù)信號時，DDS可以實現(xiàn)任意比例的分頻；輸出方波等存在跳變沿的信號時，這類信號的周期只能是系統(tǒng)時鐘周期的整數(shù)倍，否則出現(xiàn)重影。

　　2 方波改進算法的研究與實現(xiàn)

　　為了解決方波重影問題，可從時域的角度分析。將若干個不同周期的方波疊加到一起，可得示意圖如圖3所示。

　　圖3 中，使a 點和d 點向下抖動，使b 點和c 點向上抖動，多次疊加后可有效弱化方波重影，甚至徹底消除。但是，如何準確地判斷a、b、c、d 四個點，成為實現(xiàn)這一方法的最大障礙。

　　仔細觀察圖3和圖2，引入時鐘節(jié)拍的概念，便能找到依據(jù)判斷a、b、c、d四個點。首先，定義方波的周期和上升沿時刻，以50%占空比為例，這兩個數(shù)值可分別表示為：

　　其中，ceil表示朝正無窮方向取整，floor表示朝負無窮方向取整，均為Matlab運算符［5］。

　　當系統(tǒng)時鐘的頻率為200 MHz時，以輸出3 MHz方波為例，計算結(jié)果如表1所示。

　　類似于圖3，3 MHz方波的示意圖如圖4所示。

　　從圖4 可以看出，a 點和b 點發(fā)生在時鐘節(jié)拍為33的位置，c點和d點發(fā)生在時鐘節(jié)拍為65的位置。當出現(xiàn)c點時，意味著本次方波的周期較小，下一個時鐘節(jié)根據(jù)圖3 的規(guī)律，在時鐘節(jié)拍為grl 和gda 的位置，利用原始方波信號的高低電平信息，就能得到a、b、c、d四個點。假設(shè)DAC的位數(shù)為14位，方波改進算法的實現(xiàn)過程可分為以下三個步驟：

　　第一步，定義一個計數(shù)器，并以相位累加器的進位輸出信號作為清零信號，即相位累加器每溢出一次，該計數(shù)器就清零一次。因此，該計數(shù)器的計數(shù)值就表示圖4中的時鐘節(jié)拍。

　　第二步，定義一個狀態(tài)機，假設(shè)計數(shù)器的計數(shù)值為num，簡化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

　　狀態(tài)RISE標記的時鐘節(jié)拍是grl，處于此狀態(tài)時，如果原始方波信號為高電平，便得到a點；如果原始方波信號為低電平，便得到b點。狀態(tài)DOWN標記的時鐘節(jié)拍是gda，處于此狀態(tài)時，如果原始方波信號為低電平，便得到c點；如果原始方波信號為高電平，便得到d點。

　　第三步，定義一個隨機變量random，random的變化范圍是0~2 048，可通過11位m序列實現(xiàn)之。使用verilog語言的位拼接運算符［6］，在a 點和d 點將送給DAC 的數(shù)據(jù)定義為10 240 加random，即“{3‘b101，random}”;在b 點和c 點將送給DAC 的數(shù)據(jù)定義為4 096 加random，即“{3’b010，random}”。

　　3 測試與總結(jié)

　　使用新的方波算法后，可得測試結(jié)果如圖6所示。

　　對比圖6和圖1可以看出，方波重影的寬度從5 ns縮短至3 ns，并且上升沿呈實心狀，不再由兩條邊沿組成。

　　另一方面，圖6和圖1中，方波的上升時間均為15 ns左右，這說明方波改進算法并沒有導(dǎo)致上升時間的增加。