[网络协议]Vivado的DDS IP核实现连续相位2FSK

??本文介绍如何使用DDS IP核实现连续相位二进制频移键控。输入比特速率1MHz，1 bit对应的载波为4MHz正弦信号，0 bit对应的载波为6MHz正弦信号，系统时钟频率50MHz。

1、Vivado的DDS IP核简介

??直接数字合成器（Direct Digital Synthesizer)是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。基本原理是将一个周期的正弦波数据存在一个查找表内（上图T1），相位累加器按系统时钟（上图clk）的频率不断累加相位（上图的$\Delta \theta$），相位累加器输出的查找表的地址也在不断累加，使查找表周期性输出正弦波的数据，将这些正弦波数据送到DAC和低通滤波器就能得到模拟正弦信号。
??根据IP核的数据手册，DDS IP核输出频率$f_{out}$为$$f_{out}=\frac{f_{clk}\Delta \theta }{2^{B_{\theta }}}$$其中，$f_{clk}$是系统时钟（System Clock），$\Delta \theta$为相位累加器累加的数值，$B_{\theta }$为相位累加器的位宽（Phase Width）。那么我们可以由所需的输出频率计算$\Delta \theta$的值$$\Delta \theta =\frac{f_{out}{2}^{B_{\theta }}}{f_{clk}}$$
相位累加器的位宽$B_{\theta }$由频率分辨率（Frequency Resolution）$\Delta f$决定，公式为$$B_{\theta }=?lo{g}_2(\frac{f_{clk}}{\Delta f})?$$输出位宽由Spurious Free Dynamic Range和Noise Shaping决定，它们的关系见下表
??由DDS相位累加的工作原理可知，DDS输出的信号在频率改变时依然能保持连续相位。

2、配置DDS IP核

??2.1 新建一个Vivado工程，点击Flow Navigator中的IP Catalog，选择DDS Compiler（几个蓝色背景的IP核是同一个），打开DDS IP核的配置窗口。

??2.2 按下图配IP核
??根据前一节介绍的公式，可以算得SFDR设置成84dB，输出位宽为14bit，频率分辨率设置为1Hz，Phase Width为26bit。
??Summary显示了IP核的配置信息。
??2.3 接口介绍

• aclk：时钟引脚，工程中输入50MHz时钟信号；
• s_axis_phase_tdata：$\Delta \theta$的值从这里输入，只有低26bit有效；
• s_axis_phase_tvalid：1 表示s_axis_phase_tdata输入的采样数据有效，一直拉高；
• m_axis_data_tdata：输出正弦波的数据；
• m_axis_data_tvalid：1 表示m_axis_data_tdata输出的数据有效。

3、编写Verilog代码例化DDS IP核

??4MHz载波的累加相位$\Delta \theta$为$$\begin{array}{rl}\Delta \theta =& \frac{4\times 2^{26}}{50}\\ =& 5368709.12\\ \approx & 5368709\end{array}$$6MHz载波的累加相位$\Delta \theta$为$$\begin{array}{rl}\Delta \theta =& \frac{6\times 2^{26}}{50}\\ =& 8053063.68\\ \approx & 8053064\end{array}$$

module FskMod(
    input resetn,
    input clk,  // 50MHz
    input din,  // 1Mbps
    output signed [14:0] dout
    );
//Phase Increment Programmability Programmable
//wire s_axis_config_tvalid;
//wire [31:0] s_axis_config_tdata;
//wire [15:0] m_axis_data_tdata;    
//reg din_1;
//reg reset_1;
//always @(posedge clk or negedge resetn) begin
//    if(!resetn) begin
//        din_1 <= 1'b0;
//        reset_1 <= 1'b0;
//    end
//    else begin
//        din_1 <= din;
//        reset_1 <= resetn;
//    end 
//end
//assign s_axis_config_tvalid = (din_1^din) | (reset_1^resetn);
//assign s_axis_config_tdata = din?32'd5368709:32'd8053064; // 1 4MHz, 0 6MHz
//dds_2fsk u1 (
//  .aclk(clk),                                // input wire aclk
//  .s_axis_config_tvalid(s_axis_config_tvalid),  // input wire s_axis_phase_tvalid
//  .s_axis_config_tdata(s_axis_config_tdata),    // input wire [31 : 0] s_axis_phase_tdata
//  .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
//);
//Phase Increment Programmability Streaming
wire s_axis_phase_tvalid;
wire [31:0] s_axis_phase_tdata;
wire [15:0] m_axis_data_tdata;    
assign s_axis_phase_tvalid = resetn; //复位后s_axis_phase_tvalid 一直保持高电平
assign s_axis_phase_tdata = din?32'd5368709:32'd8053064; // 1 4MHz, 0 6MHz
dds_2fsk u2 (
  .aclk(clk),                                // 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
  .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
);
assign dout = m_axis_data_tdata[14:0];
endmodule

??如果IP核的Phase Increment Programmability选成了Programmable可以参考被注释的代码。

4、编写test bench文件

??test bench文件的功能是生成复位信号、50MHz的时钟信号、数据比特信号等。系统时钟频率为50MHz，输入比特速率1MHz。

module tb_FskMod();
parameter LEN = 10000;
reg clk;
reg resetn;
reg din;
wire [14:0] dout;
reg  code[LEN-1:0];
initial begin
    clk = 1'b0;
    resetn = 1'b0;
    din = 1'b0;
    $readmemh("code1.txt", code);//从code1.txt中读入采样数据
    #1000
    resetn = 1'b1;
    fskmod;
end
always #10 clk = ~clk;
integer k;
task fskmod;
    begin
        for(k = 0; k < LEN; k = k+1)
            #1000 din = code[k]; //间隔1000ns(1MHz)读入一个采样数据
    end
endtask
FskMod u1(
    .resetn(resetn),
    .clk(clk),
    .din(din),
    .dout(dout)      //调制输出
    );
endmodule

5、功能仿真

??仿真结果如下：