Vivado DDS IP配置与仿真（1）正弦、余弦信号发生器【FPGA】【Xilinx】【数字信号处理】【FPGA探索者】

DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成），作为信号发生器使用，在Quartus中也叫NCO（Numerically Controlled Oscillator，数字控制振荡器），是软件无线电中的重要组成部分。

本次使用Vivado调用DDS的IP进行仿真，并尝试多种配置方式的区别，设计单通道信号发生器（固定频率）、Verilog查表法实现DDS、AM调制解调、DSB调制解调、可编程控制的信号发生器（调频调相）。

使用System parameters和Hardware parameters分别配置，对比Standard Mode 标准模式和 Rasterized Mode栅格模式的不同，对比不同时钟下同一个配置的不同。

一、新建工程

新建工程，新建原理图BlockDesign，调用DDS的IP核，默认输出信号时域波形和相位信息。

二、DDS 配置

第一页：基础配置

1：配置选项

三种模式可选（相位发生器+sin/cos波形发生器、仅有相位发生器、仅有sin/cos波形发生器）；

2：运行时钟aclk；

100MHz工作时钟，即100MHz采样率。

3：通道个数；

设为1，单通道模式，通道的采样频率等于采样时钟100MHz，当设为多个通道时，每个通道的采样率为工作时钟/通道数，比如4通道100MHz时钟，每个通道采样率25MHz。

4：操作模式；

Standard标准模式（常用），Rasterized栅格模式。两种情况下，输出的频率和频率分辨率、相位增量等参量的计算方式不同，具体参见Xilinx的PG141第14~18页。

Standard Mode 和 Rasterized Mode在实现指定频率、幅度的信号时，输出没有太大的差别，两者均能满足要求，一般使用Standard配置方便。

主要的区别：

Standard模式下计算出来的相位增量可能是小数，而在FPGA中要对相位进行截断取整，存在相位误差，对噪声要求较高的场合，可以使用8处的噪声整形配置来弥补，使用相位抖动（Phase Dithering）或者泰勒级数纠正（Taylor Series Correct）来补偿相位误差；

Rasterized Mode配置下，相位增量一定是整数，不存在截断效应，没有Standard模式下的时间基抖动。

5：参数选项（System parameters、Hardware parameters）

（1） System parameters

（2） Hardware parameters

6、7、8处配置系统参数System parameters，其中：

6：配置SFDR无杂散动态范围

SFDR（SpuriousFree Dynamic Range，无杂散动态范围），对应幅度，对应M_AXIS_DATA通道，SFDR越大，用于表示幅度的数据的位宽越大；

如下图所示计算输出位宽，当使用SFDR= 96 dB，配置8处的噪声整形位None或者Dithering时，输出位宽位96/6=16位，向上取整后为16位；使用SFDR = 95 dB，95/6=15.83，向上取整为16位。

7：配置频率分辨率

对应相位的增量配置、位宽，对应M_AXIS_PHASE通道，频率分辨率越小，用于表示相位的数据的位宽越大；

8：配置噪声整形

4处配置成Standard标准模式时才会使用噪声整形，

Auto根据设计的SFDR参数自动选择是否使用整形；

None不整形；

Phase Dithering相位抖动，在使用相位截断技术时，产生随机的噪声来使得量化误差随机；

Taylor Series Correct 泰勒级数校正；

4处配置成Rasterized时，不存在相位误差，只能配置None。

For virtually all applications, the preferred implementationis the dithered DDS.

对于绝大多数的应用，首选的是带有相位抖动补偿的DDS。

相位抖动用于提高SFDR，但代价是增加底噪。

6、7两处的配置影响输出数据的位宽，可以在原理图中体现，也可以在“Summary”页查看，如图所示，在 100MHz 工作时钟下，1 处表示要达到0.4Hz的频率分辨率，需要输出 28 位位宽的相位（有效位宽），由AXI_Stream接口输出时，以 8 位位宽步进，所以28位有效位宽的相位信息通过高位补零达到 32 位位宽，m_axis_phase_tdata[27:0] 为有效的相位信息；2 处表示要达到 45 dB 的输出信噪比，输出的 sin 和 cos 波形数据各自需要 8 位，共计需要 16 位，其中高 8 位 m_axis_data_tdata[15:8] 表示 sin，低 8 位表示 cos；3 处表示按上述配置的输出延时有 3 个时钟周期，需要消耗 1 个18 Kbit 的 BRAM。

9：Hardware parameters

这种模式下直接配置输出的位宽，但是具体输出对应的SFDR和频率分辨率会在Summary中体现，也可以自行计算。

第二页：具体实现

1处：相位增量是否支持可编程配置

Fixed是固定相位增量，DDS运行过程中不可更改，即对应不可变频率；

Programmable可编程，选中后出现配置接口，可在DDS运行过程中随时写入频率控制字改变输出波形的频率，用于偶尔改变频率；

Streaming应用于频繁改变频率，或者FM频率调制；

2处：相位偏移是否支持可编程配置

None不支持；

Fixed固定相位偏移；

Programmable可编程配置（偶尔改变）；

Streaming经常改变，应用于相位调制；

3处：输出波形选择

Sine只输出sin波形；Cosine输出cos波形；两个的位宽均为第一页设置的数据位宽，Sine and Cosine同时输出sin和cos波形，其中高位表示sin，低位表示cos，总的数据位宽加倍；

4处：极性选择

sin和cos波形默认使用的是有符号数，勾选相应的选项后，正负取反；

5处：幅度模式

Full Range：全精度（全范围），针对通信应用，需要最大振幅，但由于自动增益控制导致振幅的值不那么重要的场合，输出幅度接近1；

Unit Cycle：单位圆，用于对DDS输出振幅值要求很高的应用，比如产生FFT旋转因子。单位圆时，DDS输出幅值为半全量程(即取值范围为01000..(+ 0.5)。110000 . .(-0.5))。

6处：是否输出相位信息

勾选后含有相位输出通道，不勾选时只输出幅度信息M_AXIS_DATA；

7处：使用的存储资源类型

Auto由具体所需的资源决定，资源较少时使用DROM，资源多时选择BROM；DistributeROM选择分布式ROM（DROM），Block ROM选择块ROM资源（BROM）；

8处：综合优化策略

Area是面积优先，尽可能节省资源用量（LUT、FF等），Speed速度优先，尽可能提升性能；

9处：DSP48资源的使用策略

Minimal尽可能少用，节省资源，Maximal尽可能多用，提高性能；

第三页：总线配置

单通道模式下，总线的配置只包含可选的输出信号的Ready。多通道模式下，通道可选是否包含tlast等信号。

1处：输出ready信号

选中则输出的2个通道中增加tready信号（可选），根据AXI_Stream总线协议的规则，由后级接收模块输入一个ready信号（高电平），表示已经准备好接收DDS输出，此时DDS才能输出；

2处：延时配置

第四页 输出频率配置

配置各通道的输出频率，在第一页中只使用了1个Channel，所以此处只能配置一个通道，直接配置输出频率，单位MHz，比如0.02MHz；

第五页：总结

资源使用较多时默认使用Block ROM，使用面积优先Area策略；单通道采样频率=时钟频率，100MHz，输出波形16 bit，高8位为sin，低8位cos。

三、仿真

按照上述配置，再配置一个2 MHz输出频率的DDS。

将输出的16位波形数据分割，高8位表示sin正弦信号，低8位表示cos余弦信号，相位为锯齿状，注意若输出通道中包含了ready信号，根据AXI_Stream总线的要求，外部需要给ready信号，当ready有效时，DDS才会输出，仿真中可以一直给高电平。

wire   [7:0]  sin_wave;
wire   [7:0]  cos_wave;
wire   [7:0]  sin_wave_2;
wire   [7:0]  cos_wave_2;
 
assign sin_wave = M_AXIS_DATA_0_tdata[15:8];
assign cos_wave = M_AXIS_DATA_0_tdata[7:0];
 
assign sin_wave_2 = M_AXIS_DATA_1_tdata[15:8];
assign cos_wave_2 = M_AXIS_DATA_1_tdata[7:0];

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