正交信号发生器的FPGA设计与仿真.pdf

正交信号发生器是电子技术领域中最基本的电子仪器之一，其在通信系统、电子对抗、电子测量以及科研教学等领域中有着广泛的应用。传统的正交信号发生器采用直接数字频率合成（DDS）技术，通常将一对正交信号存储在两个ROM查找表中，这虽然能够输出完全正交的信号，但对于精度要求较高的场合而言，需要建立庞大的查找表，这将耗费大量的ROM资源并降低系统运行速度，限制了其在现代通信系统中的应用。 本文提出了一种基于流水线CORDIC算法的正交信号发生器FPGA实现方案，能够有效节省FPGA硬件资源，同时兼顾速度、精度、简单、高效等方面。CORDIC（Coordinate Rotation Digital Computer）算法由J. Volder于1959年提出，主要用于解决三角学问题，如平面坐标的旋转和直角坐标到极坐标的转换等。其基本原理是通过一系列固定角度的偏摆逼近所需的旋转角度，避免复杂的乘法运算，采用微旋转处理来实现。 CORDIC算法的核心在于通过一系列的迭代计算，逼近所需的旋转角度。在每一次迭代中，将向量以固定角度进行偏摆，通过加减运算和简单的移位操作来更新向量的坐标值，最终达到接近目标旋转角度的效果。这种算法通过减少乘法运算，大幅节约了计算资源，适用于硬件实现。 在本文中，作者通过结合DSPBuilder开发工具的优势，采用了VHDL文本和Simulink模型图相结合的设计方法，对基于流水线CORDIC算法的正交信号发生器进行了FPGA设计。DSPBuilder是一个基于MATLAB的DSP开发工具，它允许用户使用Simulink来设计并模拟算法，并最终将其转化为硬件实现。通过这种方式，可以有效地利用VHDL的硬件描述能力以及Simulink的快速原型设计能力，大大简化了FPGA的设计过程。 在设计过程中，作者构建了一个正交信号发生器的模型，该模型首先通过CORDIC算法计算出所需的旋转角度，然后通过流水线结构进行信号的生成。流水线技术是数字系统设计中常见的优化技术，它通过将数据流分割成多个阶段来提高数据处理速率。在本文的正交信号发生器设计中，流水线结构使得每一部分的计算可以并行执行，极大提高了信号生成的效率。 最终，作者通过仿真验证了设计的正确性和可行性。仿真结果表明，本文提出的基于流水线CORDIC算法的正交信号发生器设计方案，不仅在精度上能够满足现代通信系统的要求，而且在硬件资源的利用上更为高效，为通信系统中正交信号的高效生成提供了一种可行的解决方案。 关键词中提到的FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可以由用户自行编程配置的集成电路，由于其可重构的特性，在信号处理、图像处理、通信等领域被广泛应用。FPGA设计和仿真一直是电子工程师和技术人员需要掌握的重要技能，它涉及到硬件描述语言（如VHDL）的应用，硬件逻辑的优化，以及基于仿真工具进行验证等多方面的知识。 本文的知识点包含了正交信号发生器的FPGA实现、CORDIC算法在FPGA中的应用、流水线技术、DSPBuilder的设计方法、FPGA仿真验证等多个方面的内容。这些知识点对于理解现代电子技术中信号处理的核心技术有着重要的意义。