1 DDS IP概述

直接数字合成器（DDS）或数控振荡器（NCO）是许多数字通信系统中的重要部件。正交合成器用于构造数字下变频器和上变频器、解调器，并实现各种类型的调制方案，包括PSK（相移键控）、FSK（频移键控（frequency shift keying））和MSK（minimum shift keyed）。数字生成
复数或实数正弦曲线采用查找表方案。查找表存储正弦曲线的样本。数字积分器用于生成合适的相位自变量，该相位自变量由查找表映射到期望的输出波形。简单的用户界面接受系统级参数，例如所需的输出频率和所生成波形的杂散抑制。

•相位生成器和SIN/COS查找表可以单独生成，也可以与可选抖动一起生成，以提供完整的DDS解决方案。
•光栅化功能消除了相位截断产生的相位噪声。
•正弦、余弦或正交输出。
•可选的累积相位的每通道重新同步。
•查找表可以存储在分布式或块RAM中。
•可选相位抖动扩展谱线能量，以获得更大的杂散自由动态范围（SFDR）。
•相位抖动或泰勒级数校正选项使用最少的FPGA资源提供高动态范围信号。支持18dB到150dB的SFDR。
•多达16个独立的时分复用信道。
•使用高达48位相位累加器的精细频率分辨率，带有DSP切片或FPAGA逻辑选项。
•3位至26位带符号输出采样精度

IP 文档连接：PG141

2 DDS IP 架构

3 DDS IP 配置

（1）Component Name 可以修改IP核名字
（2）Configuration options 配置选项：这里我们选择phase generator and sin cos LUT
（3）system clock（系统时钟） 100MHz（范围0.01—1000MHZ）；通过奈奎斯特定理可知，最大输出的频率为50MHz，实际测得输出最大频率为50MHz，当输出的频率超过25MHz的时候频率就开始不稳定；要想输出更大的频率，可以通过增加系统时钟来实现；
（4）Number of channels（通道数选择） 1；最多可以选择16个通道输出，本项目为实现任意可调频率输出只用到单通道输出即可；
（5）Frequency per channel （每通道频率）100MHz；通过系统时钟除以通道数得到每通道的频率；
（6）Parameter selection （参数选择） system parameters；系统参数，为了更精确的输出任意频率，选择系统参数模式；
（7）Spurious free dynamic range（伪动态自由范围）48（决定输出正余弦数据位宽n,范围为6*（n-1）~6*n，后面选择正弦或者余弦输出时位宽为8位，如果正余弦同时输出则位宽为16位，正弦为高8位，余弦为低8位）
（9）Frequency resolution（频率分辨率） 0.02910383045673370361328125（决定相位位宽，由相位位宽函数可得出频率分辨率，分辨率越精确，可调输出频率越精确，相位位宽函数在后面讲到）
（10）Noise shaping（噪声整形）：控制是否相位截断、抖动或泰勒级数校正使用；

1）Phase increment programmability（相位增量可编程性）
Fixed（固定模式）；固定输出频率，不可任意调整；
Programmable（可编程模式）；根据设计需求选择相位增量可编程模式，通过频率输出函数可知，输入不同相位增量时可输出不同频率，频率输出函数后面讲到；
Streaming（流水模式）；
（2）Phase offset programmability
None（无）；选择无相位偏移；
Fixed（固定模式）；固定相位偏移；
Programmable（可编程模式）；可以调整波形相位；
Streaming（流水模式）；
（3）Output selection（输出选择）
Sine and cosine（正弦和余弦）；如果用到正弦和余弦同时输出，则高8位表示正弦输出，低8位表示余弦输出；
Sine（正弦）；选择正弦输出即可；
Cosine （余弦）；
（4）Polarity （极性）没用上，不用选；
Negative sine（负极性正弦）；
Negative cosine（负极性余弦）；
（5）Implementation options（实现选项）
Memory type（内存类型：它控制SIN/COS查找表的实现）：auto默认选择自动、distribution rom（分布rom）、block rom（块rom）
Optimization goal（优化目标：选择控制实现决策的目标是最高速度还是最低资源）：auto默认选择自动、area（区域）、speed（速度）
DSP48 use（控制相位累加器和后续添加阶段（相位偏移或抖动噪声添加）的实现）：minimal（默认最小）、maximal（最大）

4 FPGA 实验

调用DDS IP核实现扫频信号，我这里设计的扫频范围是1KHz–10KHz，通过控制频率控制字来更改输出的波形的频率，让其在1KHz到10KHz直接变化，又让其从10KHz变化到1KHz。

DDS_top:

module dds_top(
   input wire aclk,
   input wire reset_n,
   
   output       valid,
   output signed [7:0] sin,
   output signed [7:0] cos
    );
    

wire s_axis_phase_tvalid;
wire [31 : 0] s_axis_phase_tdata;
wire s_axis_config_tvalid;
wire [31 : 0] s_axis_config_tdata;

wire m_axis_data_tvalid;
wire [15 : 0] m_axis_data_tdata;//输出为16位，高8位是sin波形，低8位是cos波
wire m_axis_phase_tvalid;
wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata;
 
 
 assign valid = m_axis_data_tvalid;
 assign sin =m_axis_data_tdata[15:8];
 assign cos =m_axis_data_tdata[7:0];  
 
dds_ctl Udds_ctl(
        .aclk(aclk),//100mhz
        .reset_n(reset_n),
    
        .phase_tvalid(s_axis_phase_tvalid),
        .phase_tdata(s_axis_phase_tdata),
        .config_tvalid(s_axis_config_tvalid),
        .config_tdata(s_axis_config_tdata)
    );
    
     
dds_compiler_0 UDDS (
  .aclk(aclk),                                  // input wire aclk
  .s_axis_phase_tvalid(s_axis_phase_tvalid),    // input wire s_axis_phase_tvalid
  .s_axis_phase_tdata(s_axis_phase_tdata),      // input wire [31 : 0] s_axis_phase_tdata
  .s_axis_config_tvalid(s_axis_config_tvalid),  // input wire s_axis_config_tvalid
  .s_axis_config_tdata(s_axis_config_tdata),    // input wire [31 : 0] s_axis_config_tdata
  .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid),      // output wire m_axis_data_tvalid
  .m_axis_data_tdata(m_axis_data_tdata),        // output wire [15 : 0] m_axis_data_tdata
  .m_axis_phase_tvalid(m_axis_phase_tvalid),    // output wire m_axis_phase_tvalid
  .m_axis_phase_tdata(m_axis_phase_tdata)      // output wire [31 : 0] m_axis_phase_tdata
);
endmodule

dds_ctl

//config_tdata -- detla=Fout*2^32/Fclk
module dds_ctl(
    input aclk,//100mhz
    input reset_n,
    
   output wire          phase_tvalid,
   output wire [31 : 0] phase_tdata,
   output wire          config_tvalid,
   output wire [31 : 0] config_tdata
    );

//参数定义
parameter F_word_1KHz   = 32'hA7C5  ;//1KHz频率控制字 M = 1_000*2^32/100_000_000
parameter F_word_10KHz  = 32'h68DB8 ;//10KHz频率控制字 M = 10_000*2^32/100_000_000
parameter F_word_change = 32'h1     ;//1KHz-10KHz变化精度
//信号定义
reg    [31:0]    config_data_reg    ;//频率控制字寄存器
reg              max_flag           ;//当频率控制字最大时，拉高
//max_flag
always @(posedge aclk or negedge reset_n)begin
    if(!reset_n)begin
        max_flag <= 1'b0;
    end
    else if(config_data_reg >= F_word_10KHz)begin
        max_flag <= 1'b1;
    end
    else if(config_data_reg == F_word_1KHz)begin
        max_flag <= 1'b0;
    end
end
 
 
//控制频率控制字均匀变化
always @(posedge aclk or negedge reset_n)begin
    if(!reset_n)begin
        config_data_reg <= F_word_1KHz;
    end
    else if(max_flag == 1'b1)begin
        config_data_reg <= config_data_reg - F_word_change;
    end
    else begin
        config_data_reg <= config_data_reg + F_word_change;
    end
end
//输出
assign phase_tvalid = 1'b1;
assign phase_tdata = 32'h0;//设置相位控制字为0
assign config_tvalid = 1'b1;
assign config_tdata = config_data_reg;
  
    
endmodule

tb

`timescale 1ns / 1ps

module tb(

    );

   reg aclk;
   reg reset_n;
   
   wire       valid;
   wire signed [7:0] sin;
   wire signed [7:0] cos;
   
   initial begin
     aclk =0;
     reset_n =0;
     #1000;
     reset_n =1;
   
   end
   
   always #(5) aclk =~aclk;
       
dds_top Udds_top(
        .aclk(aclk),
        .reset_n(reset_n),
   
        .valid(valid),
        .sin(sin),
        .cos(cos)
    );
    
    
endmodule

仿真波形：

- THE END -

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