基于DDFS的程控音频仪器测试信号源设计

摘要：文中介绍一种基于DDFS(直接频率合成)技术的可编程音频仪器测试信号源设计。该系统采用单片机作为控制器，以FPGA(现场可编程门阵列)作为信号源的主要平台，利用DDFS技术产生一个按指数衰减的频率可调正弦衰减信号。测试结果表明，该系统产生的信号其幅度可以按指数规律衰减；其频率可以在1～4 KHz频率范围内按1 Hz步长步进。可以方便的用于测试音频仪器设备的放大和滤波性能。
关键词：直接频率合成；音频；现场可编程门阵列；放大器；滤波器

    在各种音频仪器设备的设计和维护中，广泛利用音频信号源测试这些设备的工作状态和性能指标。放大器和滤波器是音频设备中两个基本功能模块，所以测试设备的放大性能和滤波性能必不可少。因此，需要有一套能为放大、滤波性能测试提供标准测试源的音频测试信号源。设计和制作一套供音频设备测试用(放大器和滤波器)的高性能音频信号源有重要的工程意义和实用价值。
    通常放大器的测试源用的是单频的不同幅度的正弦信号作为激励源——小幅度信号用于测试放大器的灵敏度，大信号用于测试放大器对大信号的承受能力，大的动态范围用于表征放大器具有很强的对信号大小的适应能力；滤波性能的测试通常是采用不同频率的等幅正弦波作为激励源，以用于测试电路对不同频率信号的加权能力——频率响应。综上所述，对音频仪器设备的测试源的设计和选择有幅度可变、频率可调两个基本要求。通常的激励源只能做到单一的幅度可调(而频率不变)或者频率可调(而幅度不变)，没有二者皆同时可调，这样就导致了测试效率极低。为了提高测试效率，可以采用以正弦为载波包络按指数衰减的信号作为测试源。

1 原理及仿真
1．1 设计原理
    如图1所示，该信号为按指数衰减的正弦信号，即其包络为单边衰减的指数信号，包络内是按正弦载波振荡的。这样指数衰减的包络能反映出信号由大到小的变换规律，能满足放大性能动态范围的测试；而频率可调可以方便频率响应的测试。根据实际需要，文中所讨论的音频信号源需要具备如下参数：正弦波频率1～4 kHz可调：调整步长1 Hz；初始相位为零；幅度按指数规律衰减；手动触发一次发出一个衰减正弦波；衰减到初始幅度的10％需延续时间100～1 000 ms。

1．2 理论计算与仿真
    按指数包络衰变的正弦振荡信号，在数学上实际就是单边指数衰减信号和正弦信号在时域上相乘。即

    为了验证分析的正确性和DDFS技术能在FPGA内实现，需要对上述基带和已调信号进行matlab仿真和计算。图2为指数衰减信号与已调信号时域matlab仿真图，该图由上下两张子图组成。上面的子图给出的是幅度为1，衰减系数a为20的指数信号；下面的子图为上述指数信号和频率为1 kHz、抽样频率为4 kHz的正弦序列相乘后的已调信号的时域波形，即为所要得到的结果。从仿真结果来看，这符合设计要求。

    图3为指数衰减信号与已调信号频谱matlab仿真图，与图2的时域子图子图相对应。需要说明的是该幅度谱利用的是512点的FFT对基带指数信号和已调信号进行分析得到。所以其频率分辨率为4 000／512=7．812 5 Hz，因此频率为1 000 Hz的正弦载波及频谱搬迁后的指数信号频谱的中心频率应该出现在1 000／7．812 5 Hz=128处。从仿真结果证明可以看出这个结果完全正确。

2 系统设计及工作原理
    为得到满足测试要求的可编程音频仪器测试信号源，需要根据上述仿真的原理在具体的器件平台上实现。图4给出了基于DDFS技术的可编程音频仪器测试信号源的系统设计框图。从该图上可以看出，系统以51系列单片机为控制中心，接收键盘置入的正弦载波频率，经过计算后产生FPGA内部DDS模块所需要的频率字，DDS模块根据这一频率字利用FPGA内部的逻辑产生符合设计要求的按指数规律衰减的正弦振荡信号，然后经过DA转变为模拟信号，最后通过低通平滑滤波器产生最终的输出信号。

3 硬件设计
    从图4可以看出，系统的硬件组成模块较多，但控制器、人机接口、FPGA平台的硬件不是本文的重点，故不作阐述。只对其中的数模转换器和低通滤波器LPF做简单说明。
3．1 DAC模块
    如图5所示在FPGA内部实现的数字相乘(调制)需要通过DAC转变成为模拟信号，这里的DAC采用的是14位的高速DA，再经过运放OPA690将差分电流转为单端电压信号。

3．2 低通平滑滤波器
    如图6所示，经DA输出的信号经过两级由OPA690组成的低通滤波器后平滑输出。

4 软件设计
    本系统的软件包括两部分：一是单片机控制器的软件设计；另一部分是FPGA的逻辑设计部分。
4．1 单片机控制程序
    51单片机主要起到控制中心的作用，具体包括人机接口、参数计算、控制数据传送给FPGA。这部分的软件流程图如图7所示。

4．2 FPGA内部逻辑设计
    这部分的软件(逻辑设计)是本系统的一个重点。主要包括指数衰减ROM1、正弦信号ROM2、数字乘法器等3个模块。图8为指数衰减信号产生模块；图9所示为正弦信号产生模块，采用的是DDS技术，这两部分其实都是通过matlab文件计算后生成的定点初始化文件存入到FPGA的片上RAM中；图10给出的是实现前两个模块相乘的14位数字乘法器，用于实现数字调制器。

    图11给出了逻辑设计完后在Qualtus软件中通过嵌入式逻辑分析仪signalTab看到的输出波形。

5 测试结果
    至此，软硬件设计完毕。为了验证设计的正确性，对设计的系统进行了模块测试和系统联调。测试的波形结果如图12所示。该图说明设计的系统满足设计的要求。

6 结束语
    针对音频仪器设备中放大和滤波特性的测试中需要对测试激励源的幅度和频率两个参量的调整，而常规激励源只能单独改变一个参量的问题。本文以51单片机为核心控制器，通过其对频率参数的计算产生频率控制字给FPGA的DDS模块，通过FPGA内部的数字乘法器与指数衰减信号相乘后经DA转换和低通平滑滤波后输出频率可步进可调幅度自动衰减的音频测试信号。
    实验结果表明，音频信号源需要具备如下参数：正弦波频率1～4 kHz可调；调整步长1 Hz；初始相位为零；幅度按指数规律衰减；手动触发一次发出一个衰减正弦波；衰减到初始幅度的10％需延续时间100～1 000 ms。