文章目錄

• 背景
• 再次認識關于DDS的來源
• 實際案例
• • 官方資料閱讀（NCO IP core）
  • • 參數原理
    • 通常的步驟
  • 工程實例
  • • MATLAB生成波形txt文件
    • IP配置
    • 文件命令語法（官方提示）
    • modelsim仿真
    • 工程福利連接

背景

由于modelsm只能觀察時域波形，無法顯示數據的頻譜特性，并且對數據進行分析、處理不夠方便，特別是在FPGA中設計數字濾波器時，無法直接觀察濾波器的頻域響應。另外書寫激勵文件的時候，很難產生用戶所需要的具有任意信噪比的輸入信號。特別聲明，不要轉載本博主的所有blog，侵權必究，否則博主將關閉自己的所有blog。

再次認識關于DDS的來源

實際案例

官方資料閱讀（NCO IP core）

參數原理

通常你可以使用IP工具接口來實施NCO的架構，包括基于ROM，CORDIC算法、和乘法器。另外IP工具會在你設置參數的時候提供可視化的時域和頻域圖像。設計者通常可以用NCO在通信領域，產生正交的IQ生成器。


輸出的兩個信號，用補碼的形式給出。
正如上圖所示，上圖是官方給出的NCO的架構，其實可以看到，是不用于我們所認知的DDS的，所以有很多人通常用DDS來認知NCO，這個是不對的，對于IP核，我們只有從官方手冊中學習，才能正確認識到官方想表達的意思。
另外，我們需要注意的是實線部分是必須的，而虛線部分是可選的輸入參數。NCO的IP核函數允許你生成一種NCO架構，你可以創建你自定義的NCO，實施的效果你可以在NCO的圖形界面中看到。

正如上圖公式所示，你可以看到這個波形生成是由上述公式生成的，其中我們要注意的正是這些參數。


從生成的黑盒子模塊，我們可以看到，輸入接口phi_inc_i正是公式中的fO，也就是NCO架構中左邊的第一個必須輸入的參數。

而例化中的 [15:0] freq_mod_i ，這個指的正是上圖中的Frequency Modulation中，這個是個可選項。
所以輸出波形的頻率正由[15:0] phi_inc_i;和[15:0] freq_mod_i一起累加構成頻率。


上圖中的兩個公式，雖然官方介紹的是f0（phi_inc）是相位增量，而fFM是頻率，其實根據公式，我們可以看出，沒啥區別，都是作為頻率，既然官方這么叫，那也行吧。另外還有一個精度是角度精度，這個沒啥用，和相位精度保持一致即可，這里官方解釋的是：角度精度是將坐標轉換為笛卡爾的極化坐標轉換前的角度精度，那么我們就把它與相位精度保持一致即可。


正如上圖所示，我們還可以看到相位調制器參數，這個也是個可選項，它影響我們的初始相位，所以在黑盒子，我們可以看到
input [15:0] phase_mod_i;
正是代表的這個參數。
此外還有一個參數就是抖動，啥叫相位抖動，也就是說會有某個相位這個參數的值是不確定的，會有左右漂移，從而導致幅度的不確定性。


在IP核的這里面可以設置，也就是說我們可以設置相位噪聲。


從上面兩張圖中，我僅僅改變了抖動大小，可以看到抖動越大，信噪比越低，這一點特別是在輸出頻率比較高的情況下尤其明顯。注意，參數只是樣圖，請不要按照上面的參數設置。

至此，我已經對主要的輸入參數進行了徹底的講解了。

通常的步驟

首先配置參數

然后建立仿真，勾選仿真模型，并設置仿真用的語言，verilog。注意，如果不勾選仿真，那么在后續的仿真中，仿真是無法運行的。

最后是生成IP

如上圖，會生成如上圖所示的這些文件。從上面，我們可以知道.v文件需要Quartus II綜合，它會添加到你的Quartus II工程中。另外qiq文件，也是需要添加入工程中的。另外_bb.v文件，是IP的黑盒子，當使用第三方仿真工具的時候可以使用這個文件，來例化。cos_c.hex和cos_f.hex文件sin_c.hex和sin_f.hex文件，這四個文件是存儲初始化數據文件，以十六進制。

• setting parameters
  
  首先，對于算法的具體實現細節，我就不展開講了，因為很多論文都有寫過（抄過）。
  
  
  
  

好的，至此理論部分，我們已經講解完畢，至于具體算法實現的細節，比如CORDIC算法的原理，這些我就不講解了，很多論文已經反反復復的抄過。

工程實例

MATLAB生成波形txt文件

%采用matlab進行電路仿真，用于驗證整個FPGA電路的工作過程及輸出結果是否滿足要求 %同時產生FPGA程序中需要使用到的正弦波采樣數據,50M采樣率產生625KHZ的隨機相位的正弦信號。也就是說一個周期可以采樣80個點，已經能夠非常好的顯示出正弦波形了。 %采用matlab進行電路仿真，用于驗證整個FPGA電路的工作過程及輸出結果是否滿足要求 %同時產生FPGA程序中需要使用到的正弦波采樣數據 clc; clear; fi=625000; %輸入信號的頻率 fc=625000; %本振信號的頻率Fs=50000000; %采樣頻率 L=1024; %數據長度 N=10; %量化位數% 產生輸入信號 t=0:1/Fs:(1/Fs)*(L-1); %產生采樣頻率的時間序列 theta=rand()*2*pi; %產生一個隨機相位角度 si=sin(2*pi*fi*t+theta); %生成具隨機起始相位的正弦波輸入信號si=round(si*(2^(N-1)-1)); %10bit量化%產生本振信號 sc=sin(2*pi*fc*t); %生成本振信號 sc=round(sc*(2^(N-1)-1)); %10bit量化%仿真混頻輸出并畫圖 so=si.*sc; %混頻器輸出 sof=so-mean(so); %混頻器濾出直流分量后輸出 fso=abs(fft(so,L)); %求FFT變換的幅度值 %歸一化處理 sc=sc/max(abs(sc)); %本振信號的歸一化處理 si=si/max(abs(si)); %輸入信號的歸一化處理 so=so/max(abs(so)); %輸出信號的歸一化處理 sof=sof/max(abs(sof)); %混頻器輸出信號濾出直流分量后歸一化處理 fso=fso/max(fso); %FFT的幅度值歸一化處理 %轉換成相對于原點對稱的信號 fso=[fso(L/2+1:L),fso(1:L/2)]; %畫圖 m=[-L/2:1:(L/2-1)]*Fs/L*(10^(-6)); %生成頻率坐標軸，單位為MHz t=t*(10^6) ; %生成時間坐標軸，單位為us subplot(221);plot(t(1:L),si(1:L)); title('10bit量化后的輸入信號si','fontsize',8); subplot(222);plot(t(1:L),so(1:L)); title('20bit量化后的混頻輸出信號so','fontsize',8); subplot(223);plot(t(1:L),sof(1:L)); title('20bit濾出直流分量后的混頻輸出sof','fontsize',8); subplot(224);plot(m,fso); title('混頻輸出信號的幅頻響應','fontsize',8);%將生成的輸入正弦信號的數據，寫入外部文本文件（sinin.txt）中 f_s=si/max(abs(si)); %歸一化處理 Q_s=round(f_s*(2^(N-1)-1)); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %新建文本文件前，必須建好文件存放的目錄文件夾，否則出現提示信息: %??? Error using ==> fprintf %Invalid file identifier fid=fopen('D:\quartus_Project\Liruifeng_tem\DO_Pro\CP2\CP_2_4_matlab_alt_mixNCO\sin.txt','w'); for k=1:length(Q_s)B_s=dec2bin(Q_s(k)+(Q_s(k)<0)*2^N,N); %Q_s小于0就為1，大于0就為0%k;for j=1:Nif B_s(j)=='1'tb=1;elsetb=0;endfprintf(fid,'%d',tb); endfprintf(fid,'\r\n'); end fprintf(fid,';'); fclose(fid);

關于以上部分代碼的解釋：
B_s=dec2bin(Q_s(k)+(Q_s(k)<0)*2^N,N); %Q_s小于0就為1，大于0就為0
由于dec2bin只能夠將整數轉換成二進制，所以必須要判斷一下是否有負數，如果有負數，(Q_s(k)<0)的返回值就是1，如果是正數，返回值就是0，也就是說，如果是負數，那么就將原來的值加2^N ,就是其負數的補碼的二進制。這一點，我之前已經寫過。https://blog.csdn.net/ciscomonkey/article/details/87104636

頂層文件設計

module mix_top (rst,clk,din,s_oc,dout) ; input rst; //復位信號，高電平有效 input clk; //數據采樣時鐘/FPGA系統時鐘，頻率為5MHz input [9:0] din; //輸入的625KHz單頻信號 output [9:0] s_oc; //本地OC輸出的625KHz單頻信號 output [19:0] dout; //輸出混頻濾波后的的1.25MHz單頻信號//實例化NCO IP核 wire reset_n,out_valid,clken; wire [15:0] phi_inc_i; //本地信號的相位 wire [15:0] phase_mod_i; wire [15:0] freq_mod_i; wire [9:0] oc_sin; //本地信號的輸出，默認無符號assign reset_n = rst; //NCO的復位信號低電平有效assign phi_inc_i = 16'd0; //設置相位為0 assign phase_mod_i=16'd0; //設置相位為0 assign freq_mod_i=16'd819; //大約為624KHZ，當然，有小數的話也只能舍棄。值本來應該是819.2，其實我們可以從IP核里面的提示看出，叫我們相位增量設置為819，這里，我把頻率增量設置為819，相位增量設置為0，也一樣。assign clken = 1'b1; //設置時鐘允許信號始終有效assign s_oc = oc_sin; //將本振輸出信號送至模塊輸出nco nco_inst(.phi_inc_i(phi_inc_i),.freq_mod_i(freq_mod_i),.phase_mod_i(phase_mod_i),.clk(clk),.reset_n(reset_n),.clken(clken),.fsin_o(oc_sin),.out_valid(out_valid)); //乘法運算實現混頻輸出 reg signed [19:0] mult=0; //有符號的混頻運算結果 wire signed [9:0] s_din; //有符號的輸入數字信號 wire signed [9:0] s_oc_sin; //有符號的本地輸出625KHzassign s_din = din; //將乘數轉換成有符號數運算 assign s_oc_sin = oc_sin; //將乘數轉換成有符號數運算always @(posedge clk or negedge rst)if (!rst)mult <= 20'd0;elsemult <= s_din * s_oc_sin; //轉換為有符號后，進行乘法運算//求均值 reg signed [19:0] m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7; always @(posedge clk or negedge rst)if (!rst)beginm1 <= 20'd0;m2 <= 20'd0;m3 <= 20'd0;m4 <= 20'd0;m5 <= 20'd0;m6 <= 20'd0;m7 <= 20'd0;endelsebeginm1 <= mult;m2 <= m1;m3 <= m2;m4 <= m3;m5 <= m4;m6 <= m5; m7 <= m6;end wire signed [22:0] madd; wire signed [19:0] mean,mt; assign madd = mult+m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7; //代表將8個有符號數據加起來，其實這里我要補充一點了，原書上寫的是給輸入時鐘是5M，輸出625KHZ，所以剛好是8倍關系，那么也就是一個周期8個點。但是，這里我們的時鐘是50MHz，我們本來應該是去平均值80個點，寄存80個，才能求出平均值。這里我就不管那么多啦，大家明白即可。畢竟要寫80個點平均值，有點懶得寫。 assign mean = madd[22:3]; //代表將8加起來的數據左移3位，相當于除以8//濾出直流分量（均值） assign mt = mult -mean; //濾出去直流分量 assign dout = mt; endmodule

這里為什么要減去直流分量呢，當然是因為混頻后626KHZ-625KHZ=0KHZ，那么就會產生直流分量，所以必須要減去直流分量。此外，還要注意的是，你試圖計算一下頻率增量，如果要在16位，50M時鐘的情況下產生NCO，那么根本沒法算出一個625KHZ的正弦，算出來，頻率增量，我們應該取819.4，這里我就取819吧，這樣產生的就是一個624點幾KHZ的正弦。也差不多吧，本來也有噪聲的，也會導致難免差一點點。這些東西差一點點，也影響不大。

仿真文件：

// Copyright (C) 1991-2013 Altera Corporation // Your use of Altera Corporation's design tools, logic functions // and other software and tools, and its AMPP partner logic // functions, and any output files from any of the foregoing // (including device programming or simulation files), and any // associated documentation or information are expressly subject // to the terms and conditions of the Altera Program License // Subscription Agreement, Altera MegaCore Function License // Agreement, or other applicable license agreement, including, // without limitation, that your use is for the sole purpose of // programming logic devices manufactured by Altera and sold by // Altera or its authorized distributors. Please refer to the // applicable agreement for further details.// ***************************************************************************** // This file contains a Verilog test bench template that is freely editable to // suit user's needs .Comments are provided in each section to help the user // fill out necessary details. // ***************************************************************************** // Generated on "05/30/2019 16:24:44"// Verilog Test Bench template for design : mix_top // // Simulation tool : ModelSim (Verilog) // `timescale 1 ns/ 1 ns module mix_top_vlg_tst(); reg clk; reg [9:0] din; reg rst; // wires wire [19:0] dout; wire [9:0] s_oc;parameter clk_period=20; //20ns parameter data_num=800; //仿真數據長度 parameter time_sim=data_num*clk_period; //仿真時間// assign statements (if any) mix_top i1 ( // port map - connection between master ports and signals/registers .clk(clk), //時鐘.din(din), //從文件讀取輸入的625KHz單頻信號.dout(dout), // 輸出混頻濾波后的的1.25MHz單頻信號 .rst(rst), //復位.s_oc(s_oc) //本地NCO產生輸出的625KHz單頻信號 ); initial begin clk=0; rst=0; din=10'd10;//設置從文本中讀取輸入的625KHz單頻信號的初值 #50 rst=1;//設置仿真時間 #time_sim $stop;end //產生時鐘信號 always #(clk_period/2) clk=~clk; //從外部TXT文件中讀入數據作為測試激勵 reg [9:0] stimulus[1:data_num]; //用于存儲從文本中讀取的數據，全部存放于數組stimulus中 integer address=0; initial begin $readmemb("sin.txt",stimulus);//文件必須放到simulation\modelsim的文件夾中repeat(data_num) beginaddress=address+1;din=stimulus[address];#clk_period;end end //將混頻濾波后的的1.25MHz單頻信號dout寫入外部TXT文件中（out.txt）integer file_out; initial begin file_out=$fopen("out.txt");//文件必須放到simulation\modelsim的文件夾中if(!file_out)begin$display("could not open file!");$finish;end endwire clk_write; wire signed[19:0] dout_s; //將混頻后的數據，轉換為有符號數 assign dout_s=dout; assign clk_write=clk&(rst); //產生寫入的時鐘信號，復位狀態時候不寫入數據always @ (posedge clk_write)$fdisplay(file_out,"%d",dout_s); //將混頻后輸出的有符號的數據，寫入file_out代表的out.txt文件中//將NCO產生的數據寫入NCO.txt文件中 integer file_nco; initial begin//文件必須放到simulation\modelsim的文件夾中 file_nco = $fopen("nco.txt");if(!file_nco)begin$display("could not open file!");$finish;end end wire signed [9:0] nco_s; assign nco_s = s_oc;//將NCO產生的數據轉變為有符號數據 always @(posedge clk_write)$fdisplay(file_nco,"%d",nco_s); endmodule

IP配置

調用NCO的IP核

然后點擊geinirate即可

最后生成成功。
最后，方可得出NCO成功生成并添加其IP。

仿真的過程主要包括了行為仿真和時序仿真，無論何種仿真均需要設計測試激勵文件，采用HDL代碼文件書寫激勵，且需要在激勵文件中將部分仿真結果數據寫入外部的文本中，以方便matlab讀取數據做進一步的仿真。
testbench中導入文本數據文件

文件命令語法（官方提示）

modelsim仿真

如上圖所示，可以看到混頻后輸出的波形差不多是1.24MHz的樣子，大差不差，存在誤差也正常，畢竟我們的NCO本來就是產生的近似625KHZ的信號。

下面，我們來仔細看看從modelsim中，我們還能獲取哪些知識。

首先，我們可以看到din，導入的數據是與文件中的數據完全一致的，
此外，我們可以看到，NCO產生的數據，剛開始需要一定的時鐘后，然后才能產生穩定的波形。

此外，我們可以看到，寫入數據文本與波形中的數據完全一致

我們看到noc_s的波形數據與文本上面的一致。
mult <= s_din * s_oc_sin; //轉換為有符號后，進行乘法運算
下面，我們再來看一下轉換為有符號后，進行乘法運算，乘法運算所消耗的時鐘。

可以看到一個時鐘就可以完成乘法運算。
另外采用8級流水線，求平均值，然后減去平均值

可以看到移位操作在本時鐘周期以內就可以完成，所以，這就是說移位操作符是非常的強大。
另外，我們再來看看減法操作，減法操作也是在本時鐘周期以內就可以完成。

工程福利連接

聯系QQ：1183699227 并附帶加友目的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的matlab与quartus的联合数据交换(NCO与文件数据的混频处理)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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