DDS（Direct Digital Synthesis，直接數(shù)字頻率合成），作為信號(hào)發(fā)生器使用，在Quartus中也叫NCO（Numerically Controlled Oscillator，數(shù)字控制振蕩器），是軟件無(wú)線電中的重要組成部分。

本次使用Vivado調(diào)用DDS的IP進(jìn)行仿真，并嘗試多種配置方式的區(qū)別，設(shè)計(jì)單通道信號(hào)發(fā)生器（固定頻率）、Verilog查表法實(shí)現(xiàn)DDS、AM調(diào)制解調(diào)、DSB調(diào)制解調(diào)、可編程控制的信號(hào)發(fā)生器（調(diào)頻調(diào)相）。

使用System parameters和Hardware parameters分別配置，對(duì)比Standard Mode 標(biāo)準(zhǔn)模式和 Rasterized Mode柵格模式的不同，對(duì)比不同時(shí)鐘下同一個(gè)配置的不同。

一、新建工程

新建工程，新建原理圖BlockDesign，調(diào)用DDS的IP核，默認(rèn)輸出信號(hào)時(shí)域波形和相位信息。

二、DDS 配置

第一頁(yè)：基礎(chǔ)配置

1：配置選項(xiàng)

三種模式可選（相位發(fā)生器+sin/cos波形發(fā)生器、僅有相位發(fā)生器、僅有sin/cos波形發(fā)生器）；

2：運(yùn)行時(shí)鐘aclk；

100MHz工作時(shí)鐘，即100MHz采樣率。

3：通道個(gè)數(shù)；

設(shè)為1，單通道模式，通道的采樣頻率等于采樣時(shí)鐘100MHz，當(dāng)設(shè)為多個(gè)通道時(shí)，每個(gè)通道的采樣率為工作時(shí)鐘/通道數(shù)，比如4通道100MHz時(shí)鐘，每個(gè)通道采樣率25MHz。

4：操作模式；

Standard標(biāo)準(zhǔn)模式（常用），Rasterized柵格模式。兩種情況下，輸出的頻率和頻率分辨率、相位增量等參量的計(jì)算方式不同，具體參見Xilinx的PG141第14~18頁(yè)。

Standard Mode 和 Rasterized Mode在實(shí)現(xiàn)指定頻率、幅度的信號(hào)時(shí)，輸出沒(méi)有太大的差別，兩者均能滿足要求，一般使用Standard配置方便。

主要的區(qū)別：

Standard模式下計(jì)算出來(lái)的相位增量可能是小數(shù)，而在FPGA中要對(duì)相位進(jìn)行截?cái)嗳≌?，存在相位誤差，對(duì)噪聲要求較高的場(chǎng)合，可以使用8處的噪聲整形配置來(lái)彌補(bǔ)，使用相位抖動(dòng)（Phase Dithering）或者泰勒級(jí)數(shù)糾正（Taylor Series Correct）來(lái)補(bǔ)償相位誤差；

Rasterized Mode配置下，相位增量一定是整數(shù)，不存在截?cái)嘈?yīng)，沒(méi)有Standard模式下的時(shí)間基抖動(dòng)。

5：參數(shù)選項(xiàng)（System parameters、Hardware parameters）

（1） System parameters

（2） Hardware parameters

6、7、8處配置系統(tǒng)參數(shù)System parameters，其中：

6：配置SFDR無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍

SFDR（SpuriousFree Dynamic Range，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍），對(duì)應(yīng)幅度，對(duì)應(yīng)M_AXIS_DATA通道，SFDR越大，用于表示幅度的數(shù)據(jù)的位寬越大；

如下圖所示計(jì)算輸出位寬，當(dāng)使用SFDR= 96 dB，配置8處的噪聲整形位None或者Dithering時(shí)，輸出位寬位96/6=16位，向上取整后為16位；使用SFDR = 95 dB，95/6=15.83，向上取整為16位。

7：配置頻率分辨率

對(duì)應(yīng)相位的增量配置、位寬，對(duì)應(yīng)M_AXIS_PHASE通道，頻率分辨率越小，用于表示相位的數(shù)據(jù)的位寬越大；

8：配置噪聲整形

4處配置成Standard標(biāo)準(zhǔn)模式時(shí)才會(huì)使用噪聲整形，

Auto根據(jù)設(shè)計(jì)的SFDR參數(shù)自動(dòng)選擇是否使用整形；

None不整形；

Phase Dithering相位抖動(dòng)，在使用相位截?cái)嗉夹g(shù)時(shí)，產(chǎn)生隨機(jī)的噪聲來(lái)使得量化誤差隨機(jī)；

Taylor Series Correct 泰勒級(jí)數(shù)校正；

4處配置成Rasterized時(shí)，不存在相位誤差，只能配置None。

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

對(duì)于絕大多數(shù)的應(yīng)用，首選的是帶有相位抖動(dòng)補(bǔ)償?shù)腄DS。

相位抖動(dòng)用于提高SFDR，但代價(jià)是增加底噪。

6、7兩處的配置影響輸出數(shù)據(jù)的位寬，可以在原理圖中體現(xiàn)，也可以在“Summary”頁(yè)查看，如圖所示，在 100MHz 工作時(shí)鐘下，1 處表示要達(dá)到0.4Hz的頻率分辨率，需要輸出 28 位位寬的相位（有效位寬），由AXI_Stream接口輸出時(shí)，以 8 位位寬步進(jìn)，所以28位有效位寬的相位信息通過(guò)高位補(bǔ)零達(dá)到 32 位位寬，m_axis_phase_tdata［27:0］ 為有效的相位信息；2 處表示要達(dá)到 45 dB 的輸出信噪比，輸出的 sin 和 cos 波形數(shù)據(jù)各自需要 8 位，共計(jì)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 處表示按上述配置的輸出延時(shí)有 3 個(gè)時(shí)鐘周期，需要消耗 1 個(gè)18 Kbit 的 BRAM。

9：Hardware parameters

這種模式下直接配置輸出的位寬，但是具體輸出對(duì)應(yīng)的SFDR和頻率分辨率會(huì)在Summary中體現(xiàn)，也可以自行計(jì)算。

第二頁(yè)：具體實(shí)現(xiàn)

1處：相位增量是否支持可編程配置

Fixed是固定相位增量，DDS運(yùn)行過(guò)程中不可更改，即對(duì)應(yīng)不可變頻率；

Programmable可編程，選中后出現(xiàn)配置接口，可在DDS運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)寫入頻率控制字改變輸出波形的頻率，用于偶爾改變頻率；

Streaming應(yīng)用于頻繁改變頻率，或者FM頻率調(diào)制；

2處：相位偏移是否支持可編程配置

None不支持；

Fixed固定相位偏移；

Programmable可編程配置（偶爾改變）；

Streaming經(jīng)常改變，應(yīng)用于相位調(diào)制；

3處：輸出波形選擇

Sine只輸出sin波形；Cosine輸出cos波形；兩個(gè)的位寬均為第一頁(yè)設(shè)置的數(shù)據(jù)位寬，Sine and Cosine同時(shí)輸出sin和cos波形，其中高位表示sin，低位表示cos，總的數(shù)據(jù)位寬加倍；

4處：極性選擇

sin和cos波形默認(rèn)使用的是有符號(hào)數(shù)，勾選相應(yīng)的選項(xiàng)后，正負(fù)取反；

5處：幅度模式

Full Range：全精度（全范圍），針對(duì)通信應(yīng)用，需要最大振幅，但由于自動(dòng)增益控制導(dǎo)致振幅的值不那么重要的場(chǎng)合，輸出幅度接近1；

Unit Cycle：?jiǎn)挝粓A，用于對(duì)DDS輸出振幅值要求很高的應(yīng)用，比如產(chǎn)生FFT旋轉(zhuǎn)因子。單位圓時(shí)，DDS輸出幅值為半全量程（即取值范圍為01000.。（+ 0.5）。110000 。 .（-0.5））。

6處：是否輸出相位信息

勾選后含有相位輸出通道，不勾選時(shí)只輸出幅度信息M_AXIS_DATA；

7處：使用的存儲(chǔ)資源類型

Auto由具體所需的資源決定，資源較少時(shí)使用DROM，資源多時(shí)選擇BROM；DistributeROM選擇分布式ROM（DROM），Block ROM選擇塊ROM資源（BROM）；

8處：綜合優(yōu)化策略

Area是面積優(yōu)先，盡可能節(jié)省資源用量（LUT、FF等），Speed速度優(yōu)先，盡可能提升性能；

9處：DSP48資源的使用策略

Minimal盡可能少用，節(jié)省資源，Maximal盡可能多用，提高性能；

第三頁(yè)：總線配置

單通道模式下，總線的配置只包含可選的輸出信號(hào)的Ready。多通道模式下，通道可選是否包含tlast等信號(hào)。

1處：輸出ready信號(hào)

選中則輸出的2個(gè)通道中增加tready信號(hào)（可選），根據(jù)AXI_Stream總線協(xié)議的規(guī)則，由后級(jí)接收模塊輸入一個(gè)ready信號(hào)（高電平），表示已經(jīng)準(zhǔn)備好接收DDS輸出，此時(shí)DDS才能輸出；

2處：延時(shí)配置

第四頁(yè) 輸出頻率配置

配置各通道的輸出頻率，在第一頁(yè)中只使用了1個(gè)Channel，所以此處只能配置一個(gè)通道，直接配置輸出頻率，單位MHz，比如0.02MHz；

第五頁(yè)：總結(jié)

資源使用較多時(shí)默認(rèn)使用Block ROM，使用面積優(yōu)先Area策略；單通道采樣頻率=時(shí)鐘頻率，100MHz，輸出波形16 bit，高8位為sin，低8位cos。

三、仿真

按照上述配置，再配置一個(gè)2 MHz輸出頻率的DDS。

將輸出的16位波形數(shù)據(jù)分割，高8位表示sin正弦信號(hào)，低8位表示cos余弦信號(hào)，相位為鋸齒狀，注意若輸出通道中包含了ready信號(hào)，根據(jù)AXI_Stream總線的要求，外部需要給ready信號(hào)，當(dāng)ready有效時(shí)，DDS才會(huì)輸出，仿真中可以一直給高電平。

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］;

編輯：lyn