vivado DDS学习

     实现DDS通常有两种方式，一种是读取ROM存放的正弦/余弦信号的查表法，另一种是用DDS IP核。这篇学习笔记中，我们要讲解说明的是VIVADO DDS IP核的应用。 目前本篇默认Phase Generator and SIN/COS LUT（DDS）的standard模式，至于其他模式，目前没有研究使用过，没有话语权，以后研究明白再来续写。

一、DDS IP配置

        下面的配置说明都是本人参考技术手册加上自己的理解，可能会有误解的地方，追求原汁原味的知识点的话还是去看技术手册。

Configuration Tab

Configuration Options:

        1.Phase Generator and SIN/COS LUT

        2.Phase Generator only

        3.SIN/COS LUT only

               从配置选项的名字就能够清晰的看出每种选项代表的功能，但是有必要注意的是 Phase Generator and SIN/COS LUT才是DDS。

                Phase Generator：如上图所示，Phase Generator由一个accumulator和一个可选的adder组成，以提供相位偏移的附加。在制定IP核时，相位增量（PINC）和相位偏移（POFF）可以被配置为fixed、programmable(用config 通道)或者streaming（用phase通道）三种模式。          

                SIN/COS LUT：当仅配置为SIN/COS LUT，不生成Phase Generator时，PHASE_IN信号通过phase通道输入，并使用look-up table（LUT）转化为sine和cosine信号。IP核可以配置为仅sine输出，仅cosine输出或两者(正交)都输出，每个输出都可以独立配置为反向输出。可使用可选的Taylor series correction（泰勒级数校正）增加精度。

                Phase Generator and SIN/COS LUT：Phase Generator与SIN/COS LUT一起使用可以组合成为phase truncated DDS（相位截位DDS）或Taylor series correction DDS（泰勒级数校正DDS），也可以在两个块之间添加一个可选的dither generator组合成phase dithered DDS（相位抖动DDS）。

System Clock：DDS核心的时钟频率。其实就是输出信号的采样率。

Number of Channels：最多支持16个通道，这些通道时间被复用，这降低了每个信道的有效时钟频率。开启多个通道相当于降低采样率。

Mode of Operation：有standard和rasterized两种模式选择。（目前默认讲解standard）

Frequency per Channel (Fs)：由于分时复用，每个信道的有效时钟是System clock除以Number of Channels。

Parameter Selection：DDS关键参数可以使用System parameters来指定，这些参数针对系统架构师(频域参数)，也可以使用Hardware parameters，主要针对硬件工程师(时域参数)。这个条件下
Phase Generator和SIN/COS LUT仅根据Hardware parameters指定。

        System parameters：如上图System parameters界面，

                1.Spurious Free Dynamic Range（SFDR）：DDS产生信号的质量，用于设置输出宽度以及内部总线宽度和各种实现决策。

                2.Frequency Resolution设置最小频率分辨率，并用于确定相phase accumulator及其相关的相位增量(PINC)和相位偏移(POFF)值所使用的相位宽度（Phase Width）。值越小，分辨率越高，需要更大的累加器。通过选择Noise Shaping可以使Phase Width增加，频率分辨率比指定的更高，

                3.Noise Shaping控制是否使用相位截位（phase truncation）、抖动（dithering）或Taylor series correction（泰勒级数校正）。None：Phase truncation DDS。Dithering：相位抖动用于改善SFDR，但代价是增加本底噪声。Taylor Series Corrected：将相位截位中丢弃的bit对Sine/cosine进行插值。Auto：根据SFDR等System parameters自动确定Noise Shaping。

        Hardware parameters：如上图Hardware parameters界面。

                1.Phase Width：设置m_axis_phase_tdata中PHASE_OUT字段的宽度。

                2.Output Width：只有在选择DDS或SIN/COS LUT部件时才启用，因为Phase

                 Generator不需要它，用来设置在m_axis_data_tdata中设置SINE和COSINE字段的宽

                度。它提供的SFDR取决于Noise Shaping 的选项，计算方式如图：

Implementation Tab

Phase Increment Programmability：选择设置PINC值的方法。

Phase Offset Programmability：选择设置POFF值的方法。

对于这些选项在上面介绍 Phase Generator时提到过，现在再来细说一下。

        Programmable：使用CONFIG通道更改PINC和POFF，对于 configuration inputs（s_axis_config_t*），输入和输出的延时是不固定的。建议当DDS的频率和相位在不同的操作模式之间切换时使用。

顺势，我们讲讲 CONFIG Channel。

        要对CONFIG通道进行编程，必须进行N次传输，其中N是通道的数量。 按顺序从通道0开始的每个通道在每次传输时都包含 PINC或（和）POFF值。在最后一次传输时，对于通道(N-1)必须断言TLAST，如果不这样做，将导致event_s_config_tlast_missing或event_s_config_tlast_unexpected输出断言一个时钟周期。数据包只有在完成时才被视为收到。只有在完全接收到它时，它才有资格用于挂起同步事件（ 同步事件在这里不说了，没有仔细研究过）。如图3-18所示，在第一个编程周期中，不正确地应用了TLAST，因此触发了事件输出。
第二个编程周期显示了TLAST的正确应用。

当核心配置为单通道操作时，不需要TLAST，并且引脚不存在于CONFIG通道上。

        再讲CONFIG Channel TDATA Structure。

        当CONFIG通道为每个通道提供PINC和POFF值时，每个字段被符号扩展，以适应字节边界，也就是以8bit为单位。例如，对于11位的phase width，PINC将占用10:0位，而POFF将占用26:16位。因此s_axis_config_tdata的总体值为31:0。以下配置的示例宽度结构如图3-19所示：

Streaming：使用PHASE通道更改PINC和POFF，对于 streaming inputs( s_axis_phase_t* )，输入和相关的输出有最小的延迟。建议当DDS的频率和相位需要经常改变时使用。

顺势，我们讲讲 Input PHASE Channel。

输入Phase通道用于DDS编译器执行一个动态功能，如相位或频率调制，每个输入样本都会有一个输出样本的应用程序。事实上，在输入和输出之间存在一对一的关系意味着输出Phase通道上的 TREADY无效会导致输入Phase通道上的TREADY也无效（ 两者延时是 根据内部buffer的容量决定）。同样，Phase通道上输入数据的TVALID无效会导致输出通道上的TVALID无效。

        再讲Input PHASE Channel TDATA Structure。

        当Phase_Width = 11时，s_axis_phase_tdata的结构如图3-20所示：

Resync：选中后，s_axis_phase通道有一个RESYNC字段。当断言这个位元时，重置通道上积累的相位。在这个周期的累积相位的值是伴随RESYNC断言的PINC值加上POFF值。如图所示。

Output_Selection：DDS可以在m_axis_data_tdata总线中有一个SINE和COSINE字段，或者只有这两个字段中的一个。图3-22显示了三种配置的TDATA内部结构;quadratureoutputs, cosine only and sine only。例如，图中显示了一个11位的输出，符号扩展到16位，<<<表示符号扩展。

Detailed Implementation Tab

ARESETn：当选中时，IP核有一个 aresetn (active-Low同步复位)端口。aresetn必须拉低 至少两个周期来复位IP核。

至此，重要的配置就讲到这，后面如有技术深耕，再回来补充。接下来讲述一个实际使用的例子。

举例：

DDS IP核配置如下：

按照以上配置，就产生了一个系统时钟（采样率）是100M，单通道，相位输出位宽32bit，sine（16bit）和cosine（16bit）同时输出，用phase通道对PINC和POFF进行配置，带有aresetn的DDS。

dds_compiler_0 your_instance_name (.aclk(aclk),                                // input wire aclk.aresetn(aresetn),                          // input wire aresetn.s_axis_phase_tvalid(s_axis_phase_tvalid),  // input wire s_axis_phase_tvalid.s_axis_phase_tdata(s_axis_phase_tdata),    // input wire [63 : 0] s_axis_phase_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 [31 : 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
);

计算输出频率的公式如图。

根据这个公式，按照我们举例生成的DDS要是想生成一个１M的信号，则需要输入PINC=1*2^32/100='h28F_5C29，POFF根据需求来设置。

拓展延申

如果在此基础上，要求改变系统的采样率为2400M，要求输出一个600M的信号要怎么做呢？系统时钟不可能直接提供一个2400的时钟，DDS IP核最高接受1000M的时钟，但是FPGA也没法使用这么快的时钟。怎么办呢？ 采用多个此DDS同时输出信号来提高采样率。

第一个问题，提高采样率。

一个DDS的采样率是100M，要并行24路才能达到2400M的采样率。

第二个问题，输出600M信号。

按照上面的计算公式，DDS要输出600M，PINC=600*2^32/100='h6_0000_0000。

第三个问题，24路如何输出一个连续信号？

其实就是把每个阶段的相位增量（PINC）平均分给24个DDS，DDS从第1个开始依次输出的信号相位为PINC+POFF，PINC+POFF+POFF，PINC+POFF+POFF+POFF……一直到第24个DDS。如下图，24个DDS输出24个点。

附上代码：

genvar i;
generatefor(i=0; i<channal; i=i+1)begin:channal_i       always @(posedge clk or posedge rst)beginif(rst)beginPINC[i] <= 'h0;    POFF[i] <= 'h0;    s_axis_phase_tvalid[i] <= 1'b0;end    else beginPINC[i] <= PINC_adjust;POFF[i] <= (PINC_adjust/channal)*i;      s_axis_phase_tvalid[i] <= 1'b1;         endend dds_compiler_0 dds_compiler_0 (.aclk(clk),                                .aresetn(aresetn),                          .s_axis_phase_tvalid(s_axis_phase_tvalid[i]),  .s_axis_phase_tdata({POFF[i],PINC[i]}),    .m_axis_data_tvalid(m_axis_data_tvalid[i]),.m_axis_data_tdata({sine[i],cosine[i]}), .m_axis_phase_tvalid(m_axis_phase_tvalid[i]), .m_axis_phase_tdata(m_axis_phase_tdata[i]) );end
endgenerate