文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2011)01-0062-03
數(shù)控振蕩器（NCO）廣泛應用于各種雷達系統(tǒng)和無線收發(fā)系統(tǒng)中，其實現(xiàn)方法主要有查表法和坐標旋轉(zhuǎn)算法。查表法會消耗大量的ROM資源，這樣不僅增大了能耗，而且增加了芯片的面積；CORDIC算法很好地解決了查表法的問題，而且CORDIC算法由于只采用加法和移位運算，因此很適合在FPGA中實現(xiàn)。
用圖2對上述的旋轉(zhuǎn)過程作解釋，旋轉(zhuǎn)開始的初始值是位置①，最終的目標是位置⑤。
第一次，位置①與位置⑤之間的夾角z1>0，因此，逆時針旋轉(zhuǎn)一個正切值恰好是2-1的角度，完成了第一次旋轉(zhuǎn)。
2 NCO的實現(xiàn)
CORDIC算法實現(xiàn)的NCO基本結構如圖3所示。當有數(shù)字中頻輸入信號時，輸出的是數(shù)字混頻信號，當沒有數(shù)字中頻信號時，輸出的是正余弦信號。
設相位累加器的位寬為n，則NCO的相位分辨率為[1][3]：
確定相位累加器位數(shù)后，就可以用Cordic算法設計NCO了。在實現(xiàn)過程中，首先需要建立旋轉(zhuǎn)角度集tan-1(2-i)的查找表，為了保持足夠的精度，用下面的表示方法，在硬件里表示直角坐標系的4個區(qū)間很容易，在設計中應該注意數(shù)字表示法的運用，適當選取二進制和十進制的對應關系，將使整體設計變的更簡單。用25 bit表示從0°～360°，二進制l bit代表十進制為：
360°/225=0.000 010 728 8°。
正弦、余弦函數(shù)旋轉(zhuǎn)變量為[2]：
當i=0時，arctan(1)=45°= 25'b0_01000000_00000000_
00000000
當i=1時，arctan(1/2)≈26°=25'b0_00100100_11111010_
01001111
當i=2時，arctan(1/4)≈14°=25'b0_00010011_11101001_
00111110
當i=3時，arctan(1/8)≈7°=25'b0_00001001_11110100_
10011111
當i=4時，arctan(1/16)≈4°=25'b0_00000101_10110000_
01011011
當i=5時，arctan(1/32)≈2°=25'b0_00000010_11011000_
00101101
當i=6時，arctan(1/64)≈1°=25'b0_00000001_01101100_
00010110
…
在具體實現(xiàn)時，由于正弦、余弦函數(shù)輸出值小于1，可定義10 bit二進制數(shù)表示輸出值-1～+l。為了提高運算速率，采用了8級流水線的方式，QuartusII軟件生成的模塊如圖4所示。各信號的定義見表1。
本設計雷達中頻信號為30 MHz，設定采樣頻率fs=48 MHz，則本振頻率fc=18 MHz，采樣頻率約是本振頻率的3倍，如果按采樣頻率對本振信號進行采樣，大約每3個點就循環(huán)出現(xiàn)一次，用Matlab仿真的結果如圖5所示。
低成本CycloneIII FPGA是Altera Cyclone系列的第三代產(chǎn)品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同時實現(xiàn)了低功耗、低成本和高性能，進一步擴展了FPGA在成本敏感大批量領域中的應用。本設計中選用CycloneIII系列的FPGA芯片。
CycloneIII EP3C25采用了1.2 V內(nèi)核，65 nm工藝，由QuartusII 7.2以上版本軟件支持，可以重復編程，通過JTAG接口或者EPROM加載程序，內(nèi)部有PLL、高速I/O接口和乘法器等模塊，主要內(nèi)部資源參見表2。
封裝的不同，EP3C25的引腳數(shù)和可用用戶IO數(shù)也不相同，詳見表3。
本設計選用240引腳的PQFP封裝FPGA芯片EF3C25Q240C8N。
圖6所示波形是采用CORDIC算法在硬件上實現(xiàn)NCO，通過QuartusII軟件內(nèi)嵌的邏輯分析儀SignalTapII觀測到的I路信號。與圖5比較可看出，采用CORDIC算法在硬件上實現(xiàn)NCO獲得成功。
CORDIC算法解決了查表法實現(xiàn)NCO面臨的問題，而且具有很高的分辨率。本設計用Altera公司CycloneIII EP3C25 FPGA芯片，在硬件上實現(xiàn)NCO，同時為了提高其運算速率，采用了8級流水線結構，提高了系統(tǒng)的性能。
參考文獻
[1] 姜宇柏，游思晴.軟件無線電原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[2] Uwe Meyer-Baese著.數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)[M]. 劉凌，譯.北京：清華大學出版社，2006.
[3] 胡廣書.數(shù)字信號處理[M].北京：清華大學出版社，1997.
[4] CycloneIII Device handbook，Volume 1.