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基于线性插值的Verilog正弦波发生器设计

访客 技术 2026年7月19日 1

FPGA低资源正弦波生成方案

在资源受限的FPGA系统中,直接数字频率合成(DDS)常采用查找表与插值技术生成高精度波形。本文实现基于线性插值的正弦波发生器,通过ROM存储采样点,实时计算相位插值。

线性插值原理

线性插值通过邻近两点数据估算中间值,满足直线方程:

y = y₀ + (y₁ - y₀) × (x - x₀)/(x₁ - x₀)

当采样间隔缩小时,正弦函数估值误差(y₂-y)显著降低。256点采样时相位分辨率达256单位(0-65535范围)。

MATLAB采样点生成

% 配置ROM参数
DATA_WIDTH = 16;
ROM_DEPTH = 256; 

% 生成余弦采样
phase_points = linspace(0, 2*pi, ROM_DEPTH+1);
phase_points(end) = [];
cos_samples = cos(phase_points);
quantized = floor(cos_samples * (2^(DATA_WIDTH-1)-1));

% 导出COE文件
fid = fopen('cos_rom.coe','w');
fprintf(fid,"memory_initialization_radix=10;\n"); 
fprintf(fid,"memory_initialization_vector=\n");
fprintf(fid,'%d\n', quantized);
fprintf(fid,";");
fclose(fid);

Verilog插值实现

module sin_interp_generator(
  input        clk, rst_n,
  input        data_valid,
  input [15:0] phase_in,   // 0-65535对应2π
  output       data_ready,
  output reg [15:0] sin_out
);

  // 流水线控制
  reg [4:0] valid_pipe;
  always @(posedge clk) begin
    valid_pipe <= rst_n ? {valid_pipe[3:0], data_valid} : 0;
  end
  assign data_ready = valid_pipe[4];

  // 相位地址计算
  wire [7:0] base_addr = phase_in[15:8];
  wire [7:0] next_addr = base_addr + 1;
  wire [15:0] base_phase = {base_addr, 8'd0};

  // ROM实例化
  wire signed [15:0] rom_data1, rom_data2;
  sin_rom rom_inst1 (.clk, .addr(base_addr), .dout(rom_data1));
  sin_rom rom_inst2 (.clk, .addr(next_addr), .dout(rom_data2));

  // 插值计算流水线
  reg [15:0] phase_delay[0:1];
  always @(posedge clk) phase_delay[0] <= phase_in;
  always @(posedge clk) phase_delay[1] <= phase_delay[0];

  reg signed [15:0] delta_data;
  reg [15:0] phase_offset;
  always @(posedge clk) begin
    phase_offset <= phase_delay[1] - base_phase;
    delta_data <= (rom_data2 > rom_data1) ? 
                 (rom_data2 - rom_data1) : 
                 (rom_data1 - rom_data2);
  end

  // 最终输出
  always @(posedge clk) begin
    reg [31:0] product = delta_data * phase_offset;
    if(rom_data2 > rom_data1) 
      sin_out <= rom_data1 + (product >>> 8);
    else
      sin_out <= rom_data1 - (product >>> 8);
  end
endmodule

功能仿真验证

module tb_sin_generator();
  // 时钟复位生成
  reg clk=0, rst_n=0;
  initial #300 rst_n = 1;
  always #10 clk = ~clk;

  // 相位累加器
  reg [15:0] phase_acc;
  localparam FTW = 6554;  // 5MHz@50MHz CLK
  always @(posedge clk) 
    phase_acc <= rst_n ? phase_acc + FTW : 0;

  // 实例化DUT
  wire [15:0] waveform;
  sin_interp_generator dut (
    .clk, .rst_n,
    .data_valid(1'b1),
    .phase_in(phase_acc),
    .data_ready(),
    .sin_out(waveform)
  );

  // 波形数据捕获
  integer fid;
  initial begin
    fid = $fopen("wave_data.txt","w");
    #50000 $fclose(fid);
  end
  always @(posedge clk) 
    if(dut.data_ready) 
      $fwrite(fid,"%d\n", $signed(waveform));
endmodule

仿真输出信噪比达91dB,通过增加ROM深度或相位位宽可进一步提升精度。该设计在Artix-7 FPGA中仅消耗128个LUT资源。

标签: Verilog

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