2014年第1期基于FPGA的幅度和相位可调信号发生器中文核心期刊摘要：介绍了一种基于FPGA的幅度和相位可调信号发生器的设计与实现，给出了系统调制信号的产生和调整原理、波形发生器幅度和相位调整的实现过程。该系统采用从存储器中连续读取数据的方式实现信号幅度和相位的实时调整，采用VHDL语言以Xilinx公司的器件作为平台编程，用modelsim进行仿真验证。实验结果表明，该方法能很好地实现对调制信号的幅度和相位的实时调整。关键词：信号幅度；相位；实时调整；信号发生器；FPGA中图分类号：TN741文献标识码:A文章编号：1002-5561（2014）01-0009-03张旭炜，郑勇刚，胡挺，李焰，杨庆锐(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004)AmplitudeandphaseadjustablesignalgeneratorbasedonFPGAZHANGXu-wei,ZHENGYong-gang,HUTing,LIYan,YANGQing-rui(The34thResearchInstituteofCETC,GuilinGuangxi541004,China)Abstract:AdesignandimplementationofamplitudeandphaseadjustablesignalgeneratorbasedonFPGAispresented.Theprincipleofsystemmodulationsignalgenerationandadjustment,theimplementationprocessofwaveformgeneratoramplitudeandphaseadjustmentaregiven.Thesystemusesthewayofreadingdatacontinuouslyfrommemorytoachievereal-timeadjustmentofsignalamplitudeandphase,usesVHDLlan-guagewithXilinxcompanydeviceforprogrammingplatform,andusesmodelsimforsimulationverification.Theexperimentresultsshowthatthismethodcanefficientlyimplementreal-timeadjustmentofmodulationsignalamplitudeandphase.Keywords:signalamplitude;phase;real-timeadjustment;signalgenerator;FPGA0引言在分布式光纤传感系统中，光路受到外界噪声或温度的影响会引起解调结果相位发生变化，这种变化会使光路处于不稳定状态从而导致解调后的扰动信号严重变形，因此系统在工作时必须要对调制信号的幅度和相位进行实时调整来抵消这种变化。通常将调制信号通过Y波导加载到光路的单臂或双臂实现光路调制，系统通过实时对调制信号的幅度和相位进行调整使相干信号的幅度和相位处于稳定状态，因此信号发生器的幅度和相位的控制对该系统的稳定起着尤为重要的作用，它是光纤传感系统能否正常工作的核心。以下我们将介绍一种基于FPGA的幅度和相位可调信号发生器设计与实现。1信号发生器的实现方式信号发生器的实现方式归纳起来主要有处理器计算输出方式、DMA输出方式、频率合成器方式以及周期的从存储器中读取数据方式。①处理器计算输出方式。信号处理器根据波形表达式计算出某些波形的瞬间值，并逐点发送给D／A转换器，通过D/A转换器合成出所需要的波形。这种方法具有电路简单、实现容易等特点，但其缺点是占用的资源比较多，尤其不适于资源有限的嵌入式系统。②DMA输出方式。DMA(directmemoryaccess)方式输出由DMA控制器首先申请总线控制权，通过地址总线给出存储器的地址信号选通存储器和D／A转换器，在存储器和D/A之间建立直接的数据通道。DMA方式输出信号可提高信号的输出速率，但同时也存在一些问题，如波形输出期间总线被占用，处理器无法使用总线。在一个周期中只有一个DMA工作，不能实现多路信号的同时输出。③频率合成器方式。DDS(directdigitalsynthesizer)是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储将要输出波形的数据，在控制电路的协调控收稿日期：2013-11-18。作者简介：张旭炜（1979-）,男，工程师，主要从事光纤传感方面的研究。光器件⑨

2014年第1期张旭炜，郑勇刚，胡挺，等：基于FPGA的幅度和相位可调信号发生器制下，以一定的速率周而复始地将波形数据依次发送给D／A转换器转换成相应的模拟信号。此方法作为普通的信号发生器比较好，但要实现幅度和相位调节的波形发生器，实现起来比较困难。④周期的从存储器中读取数据方式。此方法是一种传统意义的波形发生器。原理框图如图1所示。波形存储器在时钟信号的作用下由FPGA给出一个调整量，相位控制模块根据这个调整量调整存储器发送波形的初始相位，经过相位调整后的信号再经过幅度调整后输出。此方法的优点是可以连续的产生需要的信号，输出波形质量高，波形变形小，尤其适合对幅度相位进行实时调节的系统。综上所述，前三种方式硬件实现比较容易，但要实现调制信号的幅度和相位的实时调整就比较困难，需要调整的参数也比较多，灵活性差，可移植性不强。最后一种方式通过自己编写程序来实现，这种方式实现起来比较复杂，但逻辑比较清楚，可移植性比较好，灵活性高。因此，本系统采用自己编写程序的方式实现调制信号的幅度和相位的实时调整。2系统调制信号的产生和调整原理将存储在单口RAM中的离散数据信号在FPGA中完成相位调整后，经过TLV5619转化成模拟信号再经过可编程衰减器MCP41010进行幅度调整（幅度的调整量来自FPGA的控制信号），最后经过放大驱动器OPA2227和OPA552放大到系统需要的电压，加载到Y波导上实现信号的调制。调制信号的产生和调整原理如图2所示。3单口块RAM块RAM是FPGA内部的一种专用的资源，多数是分布在FPGA边缘且成块状分布，因此叫块RAM。目前大多数Xilinx芯片内部都嵌有块RAM，主要用于数据的存储。块RAM是一种可同步配置的块，它的使用大大扩展了FPGA的应用范围。FPGA内嵌的块RAM一般可以灵活地配置成单口RAM(singleportRAM，SPRAM)、双口RAM(doubleportRAM，DPRAM)、内部寻址存储器(contentaddressablememory，CAM)以及先进先出存储器(FIFO)等，可以根据配置的位数不同选择不同的深度。本系统用于存储波形数据的块RAM采用ramb16_s18元件，配置成数据宽度12bit的块RAM。图3为单口RAM外部接线图，从图3可以看出，单口RAM主要的外部控制信号主要由时钟信号（CLKA）、控制信号（WEA、ENA、SSRA、REGCEA）、数据信号（DINA）和地址信号（ADDRA）组成。4波形发生器幅度和相位调整的实现过程波形发生器的幅度调整过程如图4所示，系统开始运行初始化各参数后，在每个时钟的上升沿判断调制信号的幅度是否更新。如果在某一个周期判断系统幅度的放大倍数需要更新（幅度放大倍数有变化）时，首先将新的放大倍数高位以“00010011”进行位扩展成16bit的无符号数,然后在同步信号的作用下将扩展后的幅度放大倍数从最低位串行发送,之后发送同步停止信号。MCP41010按串行收到数据的倍数对调制信号的幅度进行调整。波形发生器的相位调整过程如图5所示。系统开始运行初始化各参数后，在计数器的作用下从存储器的第一个点开始逐点发送，当发送到波形的最后一个点后计数器清零。在每个时钟的上升沿判断是否有要图1周期读取波形存储器的数据方式图2调制信号的产生和调整原理图图3单口RAM外部接线图图4幅度调整过程光器件⑩

2014年第1期更新信号初始相位请求，如果某一个周期判断系统有需要更新相位的请求，计数器计数到需要调整的相位点数时，计数器清零重新发送调制信号，从而实现信号的相位调整。5仿真结果为了验证编写程序的正确性，在modelsim平台对编写的幅度和相位调节程序进行逻辑仿真。仿真条件：采用Xilinx公司生产的VIRTEX530T实现信号发生器功能，信号发生器的时钟为50M，复位信号低有效并持续两个时钟周期，为了实现调制信号的精确调整，将调制信号进行768点采样，对采样后的信号进行64点抽取，即每个完整的调制信号由12点组成。对信号的最小相位调节量为0和511（512/768×2×π），相位调节仿真结果如图6所示。从图6可以看出，当计数器计数到需要调整的相位时，计数器清零后从新将调整后的信号发送给TLV5619。幅度变化127倍原始信号幅度，根据芯片的特性以“00010011”进行为扩展成“0001001111111111”，然后将16bit幅度扩展倍数进行从低位开始串行输出给MCP41010，从而实现幅度调节。幅度调节结果如图7所示。6结束语以上介绍了一种基于FPGA的幅度和相位可调信号发生器的设计与实现。为了增加程序的可读性和灵活性，我们采用高级编程语言VHDL通过自己编写的程序来实现对信号发生器进行幅度和相位的随机调整，大大的缩短了开发周期，同时增加了程序的可读性和灵活性。采用逻辑仿真的方式来保证程序的可靠性，都达到了预期的目的。本设计方法具有一定的通用性，并已成功应用于分布式光纤传感系统。参考文献：[1]XilinxBlockMemoryGeneratorv2.7芯片资料[R].2008.[2]XilinxVirtex5FPGAUserGuide芯片资料[R].2007.图5相位调整过程图6相位调节仿真图图7幅度调节仿真图光器件张旭炜，郑勇刚，胡挺，等：基于FPGA的幅度和相位可调信号发生器輥輯訛