基于FPGA的正交数控振荡器(NCO)的设计与实现

　　随着数字通信技术的飞速发展，软件无线电的应用愈加的广泛， 而影响软件无线电性能的关键器件数控振荡器NCO(Numerical CONtrolled Oscillator) 的设计至关重要;NCO的设计采用直接数字频率合成(DDS)技术;1971 年3 月美国学者J.Tierncy、C.M.Rader 和B.Gold 首次提出了直接数字频率合成(DDS)技术。这是一种从相位概念出发直接合成所需要的波形的新的全数字频率合成技术。同传统的频率合成技术相比，DDS 技术具有频率精度高、转换时间短、频谱纯度高以及频率相位易编程、输出的频率稳定度与系统的时钟稳定度相同等一系列优点， 广泛应用于现代各种通信系统中，包括数字上下变频、中频变换、频率合成以及扩频系统和各种频率相位数字调制解调系统中。

　　在软件无线电及通信领域， 经常使用正交的数字信号;针对此类应用， 本文给出了一种基于FPGA 的正交NCO 设计方法，可以实现正交的、连续相位、高性能、高精度、可重利用的数控振荡器，适合于多种应用场景的片上系统的设计。

　　1 NCO 实现原理

　　直接数字频率合成(DDS)技术是一种全数字技术，同传统的频率合成技术相比，DDS 技术具有多项优点： 频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、容易实现对输出信号的多种调制等。

　　DDS 的原理框图如图1 所示， 其实质是以基准频率源(系统时钟)对相位进行等间隔的采样。由图1 可见，DDS 由相位累加器和波形存储器(ROM 查询表)构成的数控振荡器(NCO)、数模转换器(DAC)以及低通滤波器(LPF)3 部分组成。而DDS 的核心是NCO 的设计与实现，NCO 一般是由相位累加器和正余弦查找表两部分组成，其中相位累加器的设计较简单，故设计NCO 的关键是设计正、余弦函数发生器。

　　实现函数发生器的方法为查表法(LUT)，对于一个相位位数为L，输出信号幅度位数为M 的NCO，所需查找表的大小为M×2L。

图1 DDS 基本原理框图

　　在每一个时钟周期，L 位相位累加器与其反馈值进行累加，其结果的高N 位作为ROM 查询表的地址，然后从ROM中读出相应的幅度值送到DAC。低通滤波器LPF 用于滤除DAC 输出中的高次谐波。因此通过改变频率控制字K 就可以改变输出频率fout。容易得到输出频率fout与频率控制字K 的关系为：fout=Kfc /2L，其中fc为相位累加器的时钟频率，L 为相位累加器的位数。定义当K=1 为系统频率分辨率，即f=fc /2L。

　　2 NCO 几种常见设计方法

　　常见的NCO 实现的方法目前主要有计算法、CORDIC(Coordinated RotATIon Digital Computer)算法和查表法等。

　　计算法是一种以软件编程的方式通过实时计算产生正弦波样本， 该方法耗时多且只能产生频率相对较低的正弦波，而需要产生高速的正交信号时，用此方法不能很好的满足要求。