Xilinx DDS IP核的使用和參數(shù)配置

前言

用RAM實(shí)現(xiàn)一個(gè)DDS，從原理上來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用的時(shí)候，可能沒(méi)有直接使用官方提供的IP核來(lái)的方便。這個(gè)博客就記錄一下，最近使用到的這個(gè)DDS IP。

1 基于相位截?cái)嗟腄DS

DDS IP核的內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要是一個(gè)基于相位截?cái)嗟腄DS。在數(shù)字信號(hào)處理中，經(jīng)常會(huì)使用到DDS，其內(nèi)部主要有一個(gè)相位累加器，一個(gè)ROM存儲(chǔ)這正弦波的查找表。相位累加器在時(shí)鐘的作用下對(duì)相位進(jìn)行累加，每次的累加值是通過(guò)phase increment 來(lái)指定的。累加得到的結(jié)果，通過(guò)量化器，取其高位，低位舍去，再將這個(gè)量化后的相位值，輸出到查找表，從查找表中得到最終的波形。

DDS的最終輸出的信號(hào)的頻率和系統(tǒng)時(shí)鐘，相位寬度和相位自增量之間滿足如下關(guān)系：

其中ΔΘ 是相位自增量，BΘ(n)是相位的位寬，也就對(duì)應(yīng)這查找表的深度為2^BΘ(n)

手冊(cè)中也給出了一個(gè)例子，來(lái)舉例說(shuō)明DDS的輸出頻率和這幾個(gè)系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，其中系統(tǒng)時(shí)鐘120MHz,相位寬度為10bit，相位增量為12，輸出的頻率通過(guò)上面的式子就可以計(jì)算出來(lái)。

在實(shí)際的工程中，一般希望DDS能夠生成不停頻率的信號(hào)，例如在DDC或者DUC中，希望產(chǎn)生一個(gè)高頻的載波頻率，通常使用DDS來(lái)產(chǎn)生一個(gè)高頻的正弦信號(hào)。因此在實(shí)際使用的時(shí)候更加關(guān)注DDS的相位增量。因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制相位增量就能過(guò)后產(chǎn)生不同的頻率。相位增量的計(jì)算公式如下。

下面以一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明DDS是如何工作的。

2 DDS IP的使用和參數(shù)配置

在配置這一TAB，需要設(shè)置系統(tǒng)的時(shí)鐘，這個(gè)時(shí)鐘也就是上面公式當(dāng)中的參考時(shí)鐘，然后可以選通道數(shù)和模式，這里就保持默認(rèn)就可以了。

再之后就是期望最終生成的信號(hào)的一些參數(shù)的設(shè)置?？蛇x選擇系統(tǒng)參數(shù)模式，或者選擇硬件參數(shù)模式，一般都選擇系統(tǒng)參數(shù)模式，直接方便。

在系統(tǒng)參數(shù)中，動(dòng)態(tài)范圍最終對(duì)應(yīng)這輸出信號(hào)的幅度，其計(jì)算公式如下：20lg(Amp),其中AMP就是信號(hào)的幅度。比如下圖中，動(dòng)態(tài)范圍為72，那么他就可以表示幅度為4096的一個(gè)正弦信號(hào)。[20lg(4096)] = 72dB;

在下面是頻率分辨率，對(duì)應(yīng)這最小的頻率變化，是由系統(tǒng)時(shí)鐘和相位深度計(jì)算得到的，比如系統(tǒng)時(shí)鐘40MHz，相位寬度為32bit，那么計(jì)算的頻率分辨率就是[40*106/（232）] = 0.01。

在實(shí)現(xiàn)這一TAB，可以設(shè)置相位增量是固定的還是可以更改的，相位增量能夠控制輸出的正余弦信號(hào)的頻率，這里選擇可更改的，便于在之后的使用中生成不同頻率的信號(hào)。需要注意的時(shí)候，生成的信號(hào)需要滿足奈奎斯特抽樣定理，也就是抽樣時(shí)鐘必須是被采樣信號(hào)頻率的兩倍。以這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)時(shí)鐘為40M，那么，最多可以生成頻率為20MHz的正余弦信號(hào)。

除了相位自增量外，初始的相位也是可以通過(guò)參數(shù)來(lái)修改的，在這里就默認(rèn)不修改了。

在輸出信號(hào)的時(shí)候，可以同時(shí)輸出正余弦信號(hào)，這在正交調(diào)制解調(diào)的過(guò)程中十分有用。

除此之外，還可以輸出當(dāng)前的相位。

在具體實(shí)現(xiàn)這一TAB中，保持默認(rèn)就可以，是用來(lái)配置接口。根據(jù)手冊(cè)上描述的，可以選擇這些信號(hào)來(lái)生成不同類型的接口。這些接口都是AXI-Stream 類型的接口，只需要滿足AXIS的規(guī)則就好了。

在輸出頻率這一TAB，可以輸入期望的輸出頻率，若有多個(gè)通道，可以選擇給多個(gè)通道設(shè)定初始的頻率輸出值。這個(gè)期望頻率在前面選擇了相位增量式可編程的時(shí)候就沒(méi)什么用了。因?yàn)樽罱K輸出的信號(hào)的頻率是通過(guò)相位增量來(lái)控制的。

到這里這個(gè)IP基本就配置完了。可以看一下總結(jié)，和最終輸出信號(hào)的接口信息。需要特別注意的就是輸出的正余弦信號(hào)在輸出總線上所占據(jù)的bit‘位。DDS IP通過(guò)一個(gè)AXIS接口同時(shí)輸出正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。就比如在這個(gè)例子中，m_axis_data[11:0]傳輸?shù)木褪怯嘞倚盘?hào)，其中m_axis_data[11]是余弦信號(hào)的符號(hào)位。

m_axis_data[27:16]傳輸?shù)氖钦倚盘?hào)，其中m_axis_data[27]是正弦信號(hào)的符號(hào)位。

3 DDS IP測(cè)試

寫個(gè)Testbench測(cè)試一下：

`timescale1ns/1ps
moduletb_test_dds();

regclk;
reg[31:0]frequency;
regfreq_vld;
wirem_axis_data_tvalid;
wire[31:0]m_axis_data_tdata;
wiredds_vld;
wire[11:0]dds_cos;
wire[11:0]dds_sin;

assigndds_vld=m_axis_data_tvalid;
assigndds_cos=m_axis_data_tdata[11:0];
assigndds_sin=m_axis_data_tdata[27:16];

//parameterSYS_CLK=40000000;//systemclock40M
//parameterCLK_6M=6000000;//frequency6M
//parameterCLK_400K=400000;//frequency400K
//parameterCLK_2M=2000000;//frquency2M
//parameterPHASE_WIDTH=32;//相位寬度為32bit

//clock
initialbegin
clk=0;
forever#(12.5)clk=~clk;//40Msystemclokc
end

initialbegin
frequency='d0;
freq_vld=1'b0;
repeat(3000)@(posedgeclk);

//產(chǎn)生一個(gè)頻率為400KHz的復(fù)指數(shù)
frequency=32'd42949672;//CLK_400K*(2^PHASE_WIDTH)/SYS_CLK
freq_vld=1'b1;
@(posedgeclk)
freq_vld=1'b0;

repeat(3000)@(posedgeclk);

//產(chǎn)生一個(gè)頻率為4MHz的復(fù)指數(shù)
frequency=32'd214748364;//CLK_4M*(2^PHASE_WIDTH)/SYS_CLK
freq_vld=1'b1;
@(posedgeclk)
freq_vld=1'b0;

repeat(3000)@(posedgeclk);

//產(chǎn)生一個(gè)頻率為6M的復(fù)指數(shù)
frequency=32'd644245094;//CLK_6M*(2^PHASE_WIDTH)/SYS_CLK
freq_vld=1'b1;
@(posedgeclk)
freq_vld=1'b0;


end


dds_compiler_0inst_dds(
.aclk(clk),//inputwireaclk
.s_axis_config_tvalid(freq_vld),//inputwires_axis_config_tvalid
.s_axis_config_tdata(frequency),//inputwire[31:0]s_axis_config_tdata
.m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid),//outputwirem_axis_data_tvalid
.m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata)//outputwire[31:0]m_axis_data_tdata
);
endmodule

可以看到生成了不同頻率的正余弦信號(hào)。一開時(shí)的時(shí)候。沒(méi)有給出相位增量，所以固定輸出2M的信號(hào)，之后給出了相位增量后，輸出了400K 信號(hào)。