数字信号处理-DDS IP应用实例

CHANBAEK 2023-05-24 515

CHANBAEK

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描述

前言

本文根据DDS的相关手册构建仿真工程，包括单通道工程、多通道工程、使用DDS进行混频操作。

单通道IP配置

新建一个空白工程，FPGA型号任意，添加DDS IP到工程中，双击打开配置项界面。 该界面可以配置DDS的相关配置选项和基本的一些参数。 这里重点说下常配置的参数。

  • 系统时钟：为DDS工作的系统时钟。
  • 通道数量：根据设计需求选择通道数量。
  • 无杂散动态范围（SFDR）：这里输入对应数值可以进行计算出输出DDS数据的位宽，N代表DDS输出的位宽数。 利用下面公式可以对45进行换算，经过计算N=7.47，向上取整得到输出位宽为8。
  • 频率分辨率 ：频率分辨率用于控制最小的分辨辨精度。

分辨率

配置完成基本信息配置下一页，基本保持默认即可，这里只想查看波形，所以相位输出就关闭。

分辨率

第三页配置保持默认即可。

分辨率

第四页输出频率配置，这里设置输出10M

分辨率

在总结也中可以看到输出信号的相关信息，这里可以简要计算下phase width的28Bits如何来的。 该参数和DDS的工作频率以及启用通道，还有频率分辨率有关。 通过下述式子，可以变形求得当前设置下Frequency Resolution。 DDS时钟为100MHz，通道为1，相位位宽28Bits，换算得到频率分辨率为0.37252902984619140625。 向上取整数，则得到当前设置的0.4Hz的分辨率。 已知频率分辨率也可以换算位宽，不过此时得到的位宽是按2的次方去取整。

分辨率

同时根据前面的相关参数可以计算向量增量。 带入设置的参数可计算到增量的数值大小。

分辨率

单通道实例

顶层调用

按上述IP配置配置完成后在top层进行实例化，然后即可完成单通道DDS的调用使用。 顶层模块调用代码如下：

module top(
    input clk
    );

    wire m_axis_data_tvalid_ch1;
    wire [7:0] m_axis_data_tdata_ch1;
    //单通道测试
    dds_compiler_0 ch1_dds(
    .aclk(clk),                              // input wire aclk
    .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid_ch1),  // output wire m_axis_data_tvalid
    .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata_ch1)    // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata
    );
endmodule

编写仿真

编写testbench，由于顶层只给了一个时钟的输入端口，所以只需要对时钟进行仿真设计，单通道DDS测试如下：

`timescale 1ns / 1ps
module tb_top;

// top Parameters
parameter PERIOD  = 10;

// top Inputs
reg   clk                                  = 0 ;

// top Outputs

initial
begin
    forever #(PERIOD/2)  clk=~clk;
end

top  u_top (
    .clk(clk)
);

initial
begin
  #10000;
    $finish;
end

endmodule

编写完成后直接点击运行仿真测试即可。

测试结果

运行仿真查看波形结果，将顶层例化模块的波形添加到波形窗口，可以得到数字模式下的十六进制显示的数值，可将数值转化为波形显示方便观察。

分辨率

设置下数据的进制格式和显示模式，这里修改通道数据为analog 模式，进制修改为有符号十进制。

分辨率

分辨率

修改后添加游标，可以观察到输出波形周期为100ns，也即10MHz，输出波形频率和设置一致。

分辨率

多通道实例

重新打开IP配置界面或者新建一个DDS IP，修改通道数，这里设置为3。 使能相位输出信号，查看下相位变化情况。 因为DDS的IP核多通道之间是分时复用的，所以在细节实现配置界面最好使能通道ID以供进行正常输出单个通道的信号波形。 其余可以保持默认。

分辨率

配置输出频率为10MHz、3MHz、4MHz。

分辨率

配置完成点击OK，对模块进行例化。

顶层调用

顶层模块调用代码如下：

module top(
    input clk
    );

    wire m_axis_data_tvalid_ch1;
    wire [7:0] m_axis_data_tdata_ch1;
    
    wire          m_axis_data_tvalid_ch3;
    wire [7 : 0]  m_axis_data_tdata_ch3;
    wire [1 : 0]  m_axis_data_tuser_ch3;
    wire          m_axis_phase_tvalid_ch3;
    wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata_ch3;
    wire [1 : 0]  m_axis_phase_tuser_ch3;

    //多通道测试
    dds_compiler_1 multi_ch_dds(
    .aclk(clk),                                // input wire aclk
    .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid_ch3),    // output wire m_axis_data_tvalid
    .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata_ch3),      // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata
    .m_axis_data_tuser(m_axis_data_tuser_ch3),      // output wire [1 : 0] m_axis_data_tuser
    .m_axis_phase_tvalid(m_axis_phase_tvalid_ch3),  // output wire m_axis_phase_tvalid
    .m_axis_phase_tdata(m_axis_phase_tdata_ch3),    // output wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata
    .m_axis_phase_tuser(m_axis_phase_tuser_ch3)    // output wire [1 : 0] m_axis_phase_tuser
    );

仿真测试

仿真文件可以保持单通道测试不变，点击运行行为级仿真，添加信号波形可观察到下面的情况。 数据并不是直接得到的正弦波形，而是杂乱无章的。

分辨率

放大tuser信号可观察到，数据和相位通道的tuser信号是周期变化的，这里的tuser信号是代表IP设置中的chen ID，所以是分时复用输出3个通道的信号所以要编写简单逻辑对信号进行分选。

分辨率

顶层模块修改

可根据tuser为判断条件对输出数据进行一步寄存，从而得到三个通道的波形数据。 代码如下：

module top(
    input clk
    );

    //多通道测试
    dds_compiler_1 multi_ch_dds(
    .aclk(clk),                                // input wire aclk
    .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid_ch3),    // output wire m_axis_data_tvalid
    .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata_ch3),      // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata
    .m_axis_data_tuser(m_axis_data_tuser_ch3),      // output wire [1 : 0] m_axis_data_tuser
    .m_axis_phase_tvalid(m_axis_phase_tvalid_ch3),  // output wire m_axis_phase_tvalid
    .m_axis_phase_tdata(m_axis_phase_tdata_ch3),    // output wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata
    .m_axis_phase_tuser(m_axis_phase_tuser_ch3)    // output wire [1 : 0] m_axis_phase_tuser
    );
    reg [7 : 0] data10MHz;
    reg [7 : 0] data3MHz;
    reg [7 : 0] data4MHz;
    always @(posedge clk) begin
        case(m_axis_data_tuser_ch3)
            0:data10MHz<=m_axis_data_tdata_ch3;
            1:data3MHz<=m_axis_data_tdata_ch3;
            2:data4MHz<=m_axis_data_tdata_ch3;
        endcase
     end
    reg [31 : 0] phase10MHz;
    reg [31 : 0] phase3MHz;
    reg [31 : 0] phase4MHz;
    always @(posedge clk) begin
        case(m_axis_data_tuser_ch3)
            0:phase10MHz<=m_axis_phase_tdata_ch3;
            1:phase3MHz<=m_axis_phase_tdata_ch3;
            2:phase4MHz<=m_axis_phase_tdata_ch3;
        endcase
    end

波形如下，从图中可看出，经过逻辑分选后，三个通道的波形输出正常，这里可看到相比单通道输出10MHz信号的正弦波，此时输出的波形不能从时域中看出正弦波形的周期，原因是当启用多个通道后，系统钟要除以通道数量才是对应通道的参考钟，此时设置了100MHz为工作时钟，使能3个通道， 所以单个通道的参考钟为33.333MHz，对于10MHz的信号来说，相当于一个周期仅有三个点，所以无法正常观察到时域特性，但是频域特性依旧存在。

分辨率

混频实例

混频原理

在对输入中频信号需要进行频谱搬移， 需要使用混频操作， 将频谱搬移到高频或者低频， 其实就好比一辆车开在高速路还是低速路， 高频低频就是载波， 承载信息的载体。 在数字信号处理中， 频谱的搬移就是将一个本震信号和一个输入信号， 进行混频， 这样就可以得到一个复合的信号， 这里通过公式开看这个复合信号。

分辨率

这里的α和β就是指的两个频率信号，当互相相乘得到两个频率信号，一个是α + β，另一个是α – β。 上图的标识的 fout 信号应该是 f1+f2 和 f1-f2 的复合信号 。

使用多通道实例中输出的3MHz和4Mhz，进行混频操作，得到1MHz和7MHz的混合信号。 调用乘法器进行混频乘法操作。

顶层模块

module top(
    input clk
    );
    
    wire          m_axis_data_tvalid_ch3;
    wire [7 : 0]  m_axis_data_tdata_ch3;
    wire [1 : 0]  m_axis_data_tuser_ch3;
    wire          m_axis_phase_tvalid_ch3;
    wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata_ch3;
    wire [1 : 0]  m_axis_phase_tuser_ch3;

    //多通道测试
    dds_compiler_1 multi_ch_dds(
    .aclk(clk),                                // input wire aclk
    .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid_ch3),    // output wire m_axis_data_tvalid
    .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata_ch3),      // output wire [7 : 0] m_axis_data_tdata
    .m_axis_data_tuser(m_axis_data_tuser_ch3),      // output wire [1 : 0] m_axis_data_tuser
    .m_axis_phase_tvalid(m_axis_phase_tvalid_ch3),  // output wire m_axis_phase_tvalid
    .m_axis_phase_tdata(m_axis_phase_tdata_ch3),    // output wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata
    .m_axis_phase_tuser(m_axis_phase_tuser_ch3)    // output wire [1 : 0] m_axis_phase_tuser
    );
    reg [7 : 0] data10MHz;
    reg [7 : 0] data3MHz;
    reg [7 : 0] data4MHz;
    always @(posedge clk) begin
        case(m_axis_data_tuser_ch3)
            0:data10MHz<=m_axis_data_tdata_ch3;
            1:data3MHz<=m_axis_data_tdata_ch3;
            2:data4MHz<=m_axis_data_tdata_ch3;
        endcase
     end
    reg [31 : 0] phase10MHz;
    reg [31 : 0] phase3MHz;
    reg [31 : 0] phase4MHz;
    always @(posedge clk) begin
        case(m_axis_data_tuser_ch3)
            0:phase10MHz<=m_axis_phase_tdata_ch3;
            1:phase3MHz<=m_axis_phase_tdata_ch3;
            2:phase4MHz<=m_axis_phase_tdata_ch3;
        endcase
    end
    //混频测试
    wire [15 : 0]  mixer_singal;
    mult_gen_0 mult_mixer (
        .CLK(clk),  // input wire CLK
        .A(data3MHz),      // input wire [7 : 0] A
        .B(data4MHz),      // input wire [7 : 0] B
        .P(mixer_singal)      // output wire [15 : 0] P
    );
endmodule

仿真测试

仿真文件可以保持单通道测试不变，点击运行行为级仿真，添加信号波形修改波形设置，可得到混频后的信号效果。

分辨率

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