DDS基本原理与FPGA实现

定义：DDS是指DDS信号发生器，采用直接数字频率合成技术。是一种新型的频率合成技术，具有相对带宽大，频率转换时间短、分辨率高和相位连续性好等优点。较容易实现频率、相位以及幅度的数控调制，广泛应用于通信领域

DDS的经典应用场景：通信系统里调制解调

1.系统结构图和理论

其中相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成。每个时钟周期的时钟上升沿，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加,相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。即在每一个时钟脉冲输入时，相位累加器便把频率控制字累加一次。
相位累加器输出的数据就是合成信号的相位。相位累加器的溢出频率，就是DDS输出的信号频率相位累加器输出的数据，作为波形存储器的相位采样地址，这样就可以把存储在波形存储器里的波形采样值经查表找出，完成相位到幅度的转换。波形存储器的输出数据送到D/A转换器，由 D/A转换器将数字信号转换成模拟信号输出。

频率1000/32 Hz是由计算公式f=1s/T得来的,其中T的单位也是s,输出完整的一个波形需要32个点,每个点输出需要1ms,因此周期T=32×1ms×0.001=0.032s,因此f=1s/0.032=1000/32 Hz

图6.4-5 16个采样点的正弦信号波形

公式讲解:

(1)当时钟频率Fclk=1000Hz(即时钟周期为1ms使),取点的间隔是1ms,此时输出频率Fo是多少?

Fo = 1000/32,其中32等于2^N,N=5;

Fo=Fclk/2^N

(2)希望输出的频率翻一倍,即输出的点由32个变为16个,取点间隔变为2

Fo = (1000×2)/(32÷2),其中32等于2^N,N=5;

Fo=Fclk/(2^N/2)

(3)希望输出周期为64ms,即输出的点由32个变为64个,取点间隔变为0.5.

Fo = (1000×2)/(32÷0.5),其中32等于2^N,N=5;

Fo=Fclk/(2^N/0.5)

公式总结:

输出频率由频率控制字Fword(也可以用B来表示)来决定,可以表示为:

Fo=Fclk/(2^N/Fword),也可以写为:Fo=Fclk/(2^N/B)=(Fclk × B)/(2^N)

2.代码实现

`timescale 1ns / 1ps

module DDS_Module(
    Clk,
    Reset_n,
    Fword,  //频率控制字
    Pword,  //相位控制字
    Data    //输出数据
    );
    input Clk;
    input Reset_n;
    input [31:0] Fword;
    input [11:0] Pword;
    output [13:0] Data;
    
    //频率控制字同步寄存器    
    reg [31:1] Fword_r;
    always@(posedge Clk)
        Fword_r <=Fword;
        
     //相位控制字同步寄存器    
    reg [31:1] Pword_r;
    always@(posedge Clk)
        Pword_r <=Pword;
        
     //相位累加器
     reg [31:0] Freq_ACC;
     always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
     if(!Reset_n)
        Freq_ACC <= 0;
      else
        Freq_ACC <= Fword_r + Freq_ACC;
      
     //相位累加器与相位控制字的结果输出
     reg [31:0] Freq_ACC_out;
     always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
     if(!Reset_n)
          Freq_ACC_out <= 0;
      else
           Freq_ACC_out <= Freq_ACC + Pword_r;
            
       //波形数据表地址 
        wire [11:0] Rom_Addr;
        assign Rom_Addr = Freq_ACC_out[31:20];

blk_mem_gen_0 blk_mem_gen_0_u0 (
  .clka (Clk),
  .addra(Rom_Addr),
  .douta(Data)
);
    
endmodule

补充说明:

相位控制字就是给地址加一个偏置值,因为波形的值存放在rom当中,只需要改变rom的地址就可以改变波形的相位.

测试代码

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/04/28 20:32:51
// Design Name: 
// Module Name: DSS_Module_tb
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//


module DSS_Module_tb;
reg      Clk;
reg      Reset_n ;
reg [31:0]  Fword ;
reg [11:0]  Pword ;
wire [13:0] Data;

DDS_Module DDS_Module_u0(
    .Clk(Clk),
    .Reset_n(Reset_n),
    .Fword(Fword),  
    .Pword(Pword), 
    .Data(Data)   
    );

initial Clk = 1;
always #10 Clk = ~Clk;
    
initial begin 
    Reset_n =0;
    Pword = 0;
    Fword = 65536;
    #201;
    Reset_n =1;
    #20000000;
    Fword = 65536*1024;
    #20000000;
    Fword = 65536*32;
    #20000000;
    $stop;
end



endmodule

实验结果: