РОЗРОБКА ТА МОДЕЛЮВАННЯ ЦИФРОВОГО ГЕНЕРАТОРА СИНУСОЇДАЛЬНОГО СИГНАЛУ ПРИ АПАРАТНІЙ РЕАЛІЗАЦІЄЇ НА ПЛІС



В даній роботі розроблений та досліджений цифровий генератор синусоїдального сигналу з його апаратною реалізацією на ПЛІС, розроблено структурний опис синтезатора на мові VHDL в середовищі розробки ПЛІС, післячого проведено моделювання в програмі ModelSim і отримані результати, які відповідають принципу роботи схеми.

DESIGN AND SIMULATION OF SINUSOIDAL SIGNAL DIGITAL GENERATOR WITH HARDWARE IMPLEMENTATION ON FPGA

STAS DANYIL OLEKSANDROVYCH – student of NTUU “KPI”, faculty of informatics and computer techniques, department of computer techniques.

Ukraine, Kyiv.

This paper developed and explored digital generator sinusoidal signal with its hardware implementation on FPGA synthesizer developed structural description language VHDL in FPGA development environment, and then conducted simulations in Model Simprogram and results that correspond to the principle of the scheme.

Keywords— FPGA, VHDL, Direct Digital Synthesizers.

В даний час прикладеться чимало зусиль щоб замінити всі (або майже всі) аналогові компоненти системи зв'язку за допомогою архітектури з використанням цифрового обладнання, функціональні можливості якого можуть бути налаштовані за допомогою ПВМ на спеціалізованому програмному забезпеченні. Так і в системах радіо зв’язку їде перехід з аналогової елементної бази на цифрову [1].

Цифрова реалізація радіо компонентів має чималу кількість важливих переваг над їх аналоговою реалізацією[2]. Найбільш важливими перевагами є:

– істотно краща повторюваність і стабільність (старіння і узгодження компонентів вже не є факторами обмеження продуктивності);

– здійснення функцій обробки сигналу, які неможливі з аналогового пристрою (наприклад, FIR-фільтри);

– апаратні засоби "тонкого налаштування" замінюється налаштуванням програмного забезпечення;

– розробка більш економічних та багатофункціональних радіостанцій, що підтримують різних типів модуляцію сигналу та ширину смуги пропускання;

– великий потенціал зниження собівартості продукції і часу її розробки.

Однією з важливих частин пристроїв передачі радіосигналів, є «генератор з цифровим управлінням" (NCO), який повинен забезпечувати стабільну частоту гармонійного сигналу. Один з найпопулярніших способів вирішити цю проблему сьогодні є використання DDS (Direct Digital Synthesizers)техніки [3], які можуть бути реалізовані в ПЛІС.

Метою роботи є розробка цифрового генератора синусоїдального сигналу на базі ПЛІС.

Перш ніж розглядати структуру DDS, нам необхідно зрозуміти принцип, за яким працює синтезатор.

Він полягає в наступному: прямий цифровий синтезатор - синтезатор частот, в якому цифровими методами безперервно формуються відліки (коди) вихідного сигналу, які потім перетворюються в аналоговий сигнал певної частоти. Функціональний блок, в якому відбуваються ці відліки, називається накопичувачем фази (НФ). Зміни в акумуляторі фази відбуваються під впливом тактової частоти і коду частоти (код тієї частоти, яка буде генеруватися синтезатором). Головним параметром цього блоку є розрядність. Це характеристика впливає на параметри частотного синтезатора, а саме: в залежності від тактової частоти визначається частотне розширення і діапазон одержуваних частот, а також якість високих частот.

Значення амплітуди сигналу, відповідні поточної фазі формованого сигналу, можуть обчислюватися в синтезаторі або вибиратися з відповідного ЗУ. Тут краще другий метод, так як безпосереднє обчислення фази буде знижувати швидкодію схеми. Таблиця (Look Up Table), з якої вибираються значення sin, найчастіше розміщується в ПЗУ.

Вибір з ПЗУ проводиться так: відліки з накопичувача фази формують адреса для ПЗУ, за яким вибираються осередки з потрібною фазою. Розмір ПЗУ визначається за кількістю значень функції sin в ньому. Чим вище це значення, тим чіткіше буде отриманий сигнал. Однак, в свою чергу, така можливість обмежена можливостями ЦАП.

Підвищити кількість значень в ПЗУ можна також використовуючи симетрію функції sin, а саме половину фази або чверть фази. В роботі використано четверть фази.

Далі значення з осередків пам'яті йдуть на цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП), де формується синусоїдальний сигнал, що має вигляд «сходинок».

На виході ЦАП повинен стояти ФНЧ - фільтр нижніх частот (anti-aliasingfilter), яких згладжує вихідний сигнал (прибирає «сходинки»).

Рис.1. – Схема структурна генератора синусоїдального сигналу на базі ПЛІС

У підсумку ми повинні отримати сигнал потрібної нам частоти (яка вибирається кодом частоти CLK). Структурна схема такого генератора показана на рис. 1.

В ході виконання даної роботи були розглянуті принципи прямого цифрового синтезу, його переваги і недоліки в порівнянні з іншими видами синтезу частоти. Розглянуті схемотехнічні реалізації прямого цифрового синтезатора частоти, оцінені їхні переваги й недоліки, і вибрана відповідна реалізація, яка послужила основою проектованого пристрою. Розроблено структурний опис синтезатора на мові VHDL в середовищі розробки ПЛІС, після чого проведено моделювання в програмі Modelsim і отримані результати, які відповідають принципу роботи схеми. Для наочності, на основі результатів, записаних в файл, за допомогою Excel з пакету Microsoft Office 2007, були отримані графіки і гістограми синусоїди, що генерується.

Висновок

Розроблений цифровий генератор синусоїдального сигналу має високу швидкодію та точність, та високу ефективність використанні ресурсу ПЛІС. Можебути використаний як елемент пристроїв передачі радіосигналів.

Перелік посилань

  1. Mikael Olofsson. Introduction to Digital Communication. Department ofElectrical Engineering, Linköpings universitet, 2010.

  2. Roy Blake. Electronic Communication Systems 2nd edition. Delmar, Thomson learning,2002.

  3. Stanford Telecom. Numeric Modulation in DDS Systems. The DDS Handbook, sixth edition, 1990.
May 25, 2016