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VHDLでのNCO実装！初心者向け10のステップ

初心者がVHDLでNCOを実装するための手順を表したイラスト VHDL
2023.08.12
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この記事では、プログラム(回路記述)の基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

※この記事は、一般的にプロフェッショナルの指標とされる『実務経験10,000時間以上』を満たす現役のプログラマチームによって監修されています。

※Japanシーモアは、常に解説内容のわかりやすさや記事の品質に注力しております。不具合、分かりにくい説明や不適切な表現、動かないコードなど気になることがございましたら、記事の品質向上の為にお問い合わせフォームにてご共有いただけますと幸いです。
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はじめに

VHDLでのNCO（数字制御オシレータ）実装を学ぶ際、初心者にはどのような手順を踏むべきか、どのような点に注意すべきかがわからないことが多いでしょう。

この記事では、VHDLでNCOを実装するための10のステップを、サンプルコード付きでわかりやすく解説します。

VHDLの基本的な知識やNCOの概念についても簡単に紹介しますので、まったくの初心者でも安心して学べます。

VHDLはデジタルシステムの設計やシミュレーションに広く用いられるハードウェア記述言語です。

一方、NCOはデジタルシステムで任意の周波数の波形を生成するための技術として利用されます。

この2つの技術を組み合わせることで、高精度な信号生成や変調、フィルタリングなど、様々なデジタル信号処理が可能となります。

この記事でのサンプルコードや説明を通じて、VHDLでのNCO実装に関する基本的なスキルや知識を身につけることができます。

さらに、応用例やカスタマイズのヒント、実装時の注意点なども詳しく解説します。

この情報を元に、初心者でも簡単にVHDLでNCOを実装し、それを基にさらに高度なデジタルシステムの設計や実装ができるようになることを目指します。

●VHDLとは

VHDLは、VHSIC Hardware Description Languageの略称であり、VHSICは「Very High Speed Integrated Circuit」を意味します。

VHDLは、デジタルシステムの設計やシミュレーションのためのハードウェア記述言語の一つです。

この言語は、デジタル回路の動作や構造を記述するために用いられ、主にFPGAやASICの設計に使用されます。

この言語は、アメリカ国防総省によって1980年代に開発が始まり、それ以来、ハードウェア設計の現場で広く利用されています。

設計者はVHDLを使用して、複雑なデジタルシステムの動作を正確に記述し、それを基にシミュレーションや合成を行うことができます。

VHDLには次のような特徴があります。

  • 強い型付け：各変数や信号には明確なデータ型が割り当てられ、型の誤りを早期に検出できる。
  • 並列処理のサポート：デジタルハードウェアの並列性を直感的に表現できる。
  • 拡張性：設計者が独自のデータ型やパッケージを定義することが可能。

○VHDLの基本概念

VHDLのコードは、エンティティ、アーキテクチャ、プロセスなどの基本概念で構成されています。

  • エンティティ（Entity）: 回路やシステムの外部インターフェイスを定義する部分。入出力ポートの名前や方向、型を指定します。
  • アーキテクチャ（Architecture）: エンティティの内部動作や構造を記述する部分。具体的な回路の動作や接続を定義します。
  • プロセス（Process）: VHDL内での並列動作を表現するための概念。一つのプロセス内で記述された処理は、順番に実行されますが、異なるプロセス間では並列に実行されます。

VHDLの基本的なサンプルコードを見てみましょう。

entity simple_gate is
    Port ( A : in  STD_LOGIC;
           B : in  STD_LOGIC;
           Y : out STD_LOGIC);
end simple_gate;

architecture Behavior of simple_gate is
begin
    process(A, B)
    begin
        Y <= A and B; -- このコードではANDゲートを実装しています。
    end process;
end Behavior;

このコードでは、2入力ANDゲートをVHDLで記述しています。

エンティティsimple_gateには、2つの入力ポートA、Bと1つの出力ポートYが定義されています。

アーキテクチャBehaviorでは、AとBの入力値に基づいてYの出力を計算するプロセスが記述されています。

このコードを実行すると、AとBの入力値に応じて、Yの出力が変わることがわかります。

例えば、AとBが共に’1’の場合、Yの出力も’1’となります。

それ以外の入力の組み合わせでは、Yの出力は’0’となります。

●NCOとは

NCO（数字制御オシレータ）は、デジタル信号を用いて特定の周波数の波形を生成する電子装置のことを指します。

これは、アナログ信号の代わりにデジタル値を使って波形を生成するための方法です。

通常、NCOは位相累積器と波形テーブルから成り立っており、これによって様々な周波数や位相の波形を効果的に生成することができます。

NCOの最も大きな特徴は、その高い周波数精度と位相の柔軟性にあります。

アナログオシレータと比べて、NCOは温度変動や部品のばらつきの影響を受けにくく、非常に安定した波形を出力することができます。

○NCOの利点と用途

NCOの主な利点は、非常に高い周波数の精度と、瞬時に周波数や位相を変更する能力にあります。

これにより、NCOは通信、レーダー、音響機器など、さまざまな分野で広く使用されています。

具体的な用途としては、

  • ダイレクトデジタル合成 (DDS) の信号源
  • モジュレーションやデモジュレーションのための参照信号生成
  • 高精度な周波数合成や分周
    などが挙げられます。

このように、NCOは多岐にわたる用途で用いられているため、VHDLを用いてその実装を学ぶことは非常に価値があります。

●VHDLでのNCO実装のステップ

VHDLでのNCOの実装は、次の主要なステップに分けられます。

○サンプルコード1：基本的なNCOの設計

このコードでは、最も基本的なNCOの設計を表しています。

この例では、位相累積器と波形テーブルを用いて、特定の周波数の波形を生成しています。

entity NCO is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           phase_out : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end NCO;

architecture Behavioral of NCO is
    signal phase_accumulator : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000";
    signal increment_value : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000001"; --周波数の設定
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            phase_accumulator <= "00000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            phase_accumulator <= phase_accumulator + increment_value;
        end if;
    end process;

    phase_out <= phase_accumulator;
end Behavioral;

上記のコードでは、8ビットの位相累積器を使用しています。

increment_valueで設定した値によって、出力する波形の周波数が決定されます。

たとえば、increment_valueを増やすと、出力波形の周波数も増加します。

このコードを実行すると、指定した周波数に応じた位相値がphase_outから出力されます。

この位相値は、次のステップでの波形テーブルの参照に使用されます。

○サンプルコード2：位相累積器の実装

位相累積器は、NCOの中心となる部分です。

これは、所定の周波数でサイン波やコサイン波を生成するための位相を累積する役割を果たします。

ここでは、VHDLを使用して位相累積器を設計する手順とそのサンプルコードを提供します。

このコードでは、VHDLを使って位相累積器を設計する方法を表しています。

この例では、固定の周波数で位相を累積し、次のステップで波形テーブルにインデックスとして使用します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity phase_accumulator is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           output : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end phase_accumulator;

architecture Behavioral of phase_accumulator is
    signal phase : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000000";
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            phase <= "0000000000000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            phase <= phase + "0000000000010101";  -- こちらの数値は位相の増加量を示しており、変更することで出力の周波数を調整できます。
        end if;
    end process;

    output <= phase;

end Behavioral;

このサンプルコードでは、16ビットの位相累積器を設計しています。

クロックのたびに位相が累積され、resetが’1’に設定されると位相は0にリセットされます。

位相の増加量（この例では”0000000000010101″）を調整することで、生成するサイン波の周波数を変更できます。

このコードをFPGAにダウンロードして動作させると、定期的に更新される位相情報がoutputポートから得られます。

この位相情報は、次のステップのサイン波テーブルにインデックスとして使用されることになります。

○サンプルコード3：サイン波テーブルの実装

NCOの実装の一部として、サイン波のテーブルをVHDLでどのように実装するのかを解説します。

このテーブルは、NCOが正確な波形を生成するための基本要素となります。

このコードではVHDLを使ってサイン波のテーブルを実装するコードを表しています。

この例では位相累積器の出力値をテーブルのインデックスとして利用し、対応するサイン波の値を取得しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity sine_table is
    Port ( clk      : in  STD_LOGIC;
           phase    : in  STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           sine_out : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end sine_table;

architecture Behavioral of sine_table is
    -- サイン波テーブルの定義 (256エントリを持つ例)
    constant sine_values : array(0 to 255) of STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) :=
    (
    -- 以下、サイン波のプリコンパイル済み値を16ビットで記述
    "0000000000000000", "0000010010100100", ... (中略) ... ,"1111111111111111"
    );

begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            sine_out <= sine_values(to_integer(phase));
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上記のコードでは、8ビットのphase入力を使用して、サイン波テーブルから対応する16ビットのサイン値を取得します。

このテーブルには、サイン波の1周期の値が256のエントリとしてプリコンパイル済みで格納されています。

実際にこのコードをFPGAやASICで実装して動作させると、phaseの値に応じて正確なサイン波の値がsine_outから出力されます。

例えば、phaseが中央値の128のとき、出力はサイン波のピーク値となります。

注意点として、このサンプルコードは、1周期を256のエントリで近似しています。

サンプルの精度を高めるためには、テーブルのエントリ数を増やしたり、他の近似方法を使用することが考えられます。

○サンプルコード4：デジタル-アナログ変換

数字制御オシレータ（NCO）からの出力は、通常、デジタル形式です。

これは、実際のハードウェアデバイス上で使用する場合、アナログ信号に変換する必要があります。

ここでは、デジタル-アナログ変換（DAC）の基本的な実装方法を紹介します。

このコードでは、VHDLを使用して8ビットのデジタル信号をアナログ信号に変換するシンプルなDACを設計しています。

この例では、デジタル信号を取り込み、それに基づいてアナログ値を生成しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity DAC is
    Port ( digital_in : in  STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
           analog_out : out STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0));
end DAC;

architecture Behavioral of DAC is
begin
process (digital_in)
    variable temp : STD_LOGIC_VECTOR (7 downto 0);
begin
    temp := digital_in;
    -- ここでデジタル信号をアナログに変換
    analog_out <= temp;
end process;
end Behavioral;

このコードでは、8ビットのデジタル入力を受け取り、同じ8ビットのアナログ出力を生成します。

実際の変換機能は外部のDACハードウェアに依存しますが、このコードはデジタル入力をそのままアナログ出力にルーティングしています。

この例での変換は非常にシンプルですが、実際のアプリケーションでは、DACの解像度や変換速度などの要因を考慮する必要があります。

また、DACの種類や特性に応じて、VHDLコードの変更が必要となる場合もあります。

このDACの実装後、実際にデジタル信号を入力すると、アナログ信号として同じ値が出力されることが期待されます。

例えば、デジタル信号’11001010’を入力として提供すると、アナログ出力としても’11001010’が得られます。

注意点として、このDACコードはシンプルな例を表しているため、実際の応用には適していないかもしれません。

しかし、このコードをベースにして、さらに高度な変換機能や追加の機能を組み込むことで、実際のアプリケーションに適したDACの設計が可能です。

また、多くのアプリケーションでは、8ビットよりも高い解像度のDACが必要となる場合があります。

このような場合には、次のようにVHDLコードを変更することで、16ビットや32ビットなど、必要な解像度に合わせたDACを設計することができます。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity DAC_16bit is
    Port ( digital_in : in  STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);
           analog_out : out STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0));
end DAC_16bit;

architecture Behavioral of DAC_16bit is
begin
process (digital_in)
    variable temp : STD_LOGIC_VECTOR (15 downto 0);
begin
    temp := digital_in;
    -- ここでデジタル信号をアナログに変換
    analog_out <= temp;
end process;
end Behavioral;

このコードは、前の例と同様の機能を持っていますが、解像度が16ビットに拡張されています。

○サンプルコード5：周波数と位相の制御

数字制御オシレータ（NCO）の実装では、周波数と位相の制御が非常に重要です。

VHDLを使用して、これらの制御を正確に実行する方法を学ぶことで、より高度な信号処理タスクを効果的に実行できるようになります。

このコードでは、VHDLを使ってNCOの周波数と位相を制御する方法を表しています。

この例では、外部からの入力を取得し、それを基にNCOの動作を制御しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Frequency_Phase_Controller is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           frequency_input : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           phase_input : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           nco_output : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end Frequency_Phase_Controller;

architecture Behavioral of Frequency_Phase_Controller is
    signal phase_accumulator : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000000";
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            phase_accumulator <= phase_accumulator + frequency_input + phase_input;
            nco_output <= phase_accumulator;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

上記のコードでは、frequency_inputとphase_inputという2つの入力ポートを持つVHDLのエンティティを定義しています。

これらの入力は、NCOの周波数と位相をそれぞれ制御します。

クロックの立ち上がりエッジごとに、phase_accumulatorはfrequency_inputとphase_inputの合計だけ増加し、この結果がnco_outputとして出力されます。

この設計を利用することで、外部の制御信号に基づいてNCOの周波数と位相を動的に変更することが可能となります。

上記のサンプルコードをFPGAなどのハードウェアにダウンロードして実行すると、外部から供給されるfrequency_inputとphase_inputに応じて、nco_outputが変化する動作を観察することができます。

例えば、frequency_inputを増加させると、nco_outputの変化速度が速くなり、phase_inputを変更すると、出力波形の位相が変わります。

VHDLでのNCOの実装を更に深掘りする際のヒントとして、次のような応用例やカスタマイズ例を考慮することができます。

●VHDLでのNCOの応用例

数字制御オシレータ（NCO）は、その柔軟性と高精度により、さまざまな応用例を持っています。

VHDLを使用すると、NCOの実装は非常に直感的であり、効果的にカスタマイズが可能となります。

ここでは、VHDLでのNCOのいくつかの応用例を取り上げ、それぞれのサンプルコードを交えながら詳しく説明します。

○サンプルコード6：変調NCOの実装

このコードでは、VHDLを用いて変調NCOを実装する方法を表しています。

この例では、基本的なNCOに変調機能を追加して、異なる周波数や振幅の信号を生成します。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity modulated_nco is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           modulation_input : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           nco_output : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end modulated_nco;

architecture Behavioral of modulated_nco is
    signal phase_accumulator : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000000";
    signal phase_step : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000001000000000"; -- 例としての値
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            phase_accumulator <= "0000000000000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            phase_accumulator <= phase_accumulator + phase_step + modulation_input;
        end if;
    end process;
    nco_output <= phase_accumulator;
end Behavioral;

このコードの実装では、変調入力がNCOの位相累積器に加えられ、出力信号の周波数や振幅が変調されることが表されています。

したがって、modulation_inputの値に応じて、出力信号の周波数が変わります。

○サンプルコード7：複数のNCOの組み合わせ

このコードでは、複数のNCOを組み合わせることで、より複雑な信号を生成する方法を表しています。

この例では、二つのNCOを合成して、それぞれの信号を加算することで新しい信号を生成しています。

-- [前のコードで定義したmodulated_ncoエンティティを使用します]

entity combine_nco is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           nco_output1 : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           nco_output2 : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           combined_output : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end combine_nco;

architecture Behavioral of combine_nco is
    signal nco1_output, nco2_output : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
begin
    nco1: entity work.modulated_nco
        port map(clk => clk, reset => reset, modulation_input => "0000010000000000", nco_output => nco1_output);

    nco2: entity work.modulated_nco
        port map(clk => clk, reset => reset, modulation_input => "0000001000000000", nco_output => nco2_output);

    combined_output <= nco1_output + nco2_output;
end Behavioral;

このコードを使用すると、二つのNCO信号が組み合わされて新しい波形が得られることがわかります。

特定のアプリケーションに合わせて、さらに多くのNCOを組み合わせることも可能です。

○サンプルコード8：NCOを用いた信号生成

NCO (数字制御オシレータ)を使用して信号を生成することは、VHDLにおいて非常に重要なタスクの一つです。

ここでは、実際の信号生成の手順を示すサンプルコードとその詳細な説明を提供します。

特に、複数の波形を組み合わせて複雑な信号を生成する方法に焦点を当てています。

このコードではNCOを使って特定の周波数と位相で信号を生成するコードを表しています。

この例では、2つの異なる周波数のサイン波を生成し、それらを組み合わせて一つの信号として出力しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity NCO_signal_generator is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           signal_out1 : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           signal_out2 : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           combined_signal : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end NCO_signal_generator;

architecture Behavioral of NCO_signal_generator is
    signal phase_accumulator1 : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := (others => '0');
    signal phase_accumulator2 : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := (others => '0');
    constant frequency1 : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := X"0000FFFF";
    constant frequency2 : STD_LOGIC_VECTOR(31 downto 0) := X"0000FF00";
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            phase_accumulator1 <= (others => '0');
            phase_accumulator2 <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            phase_accumulator1 <= phase_accumulator1 + frequency1;
            phase_accumulator2 <= phase_accumulator2 + frequency2;
        end if;
    end process;

    signal_out1 <= phase_accumulator1(31 downto 24);
    signal_out2 <= phase_accumulator2(31 downto 24);
    combined_signal <= signal_out1 AND signal_out2; -- 2つの波形を組み合わせる

end Behavioral;

このコードの主な部分は、2つの位相累積器がそれぞれ異なる周波数で動作していることです。

ここでは、frequency1とfrequency2で定義される2つの異なる周波数でNCOを動作させ、その結果をsignal_out1とsignal_out2に出力しています。

最後に、これらの2つの信号をAND演算で組み合わせて、combined_signalとして出力します。

このコードをFPGAにダウンロードして動作させると、2つの異なる周波数の信号が生成され、それらが組み合わされて一つの信号として出力されます。

この結果、combined_signalは、signal_out1とsignal_out2の両方が高いときだけ高くなる信号として生成されます。

○サンプルコード9：特定の周波数帯の信号生成

数字制御オシレータ（NCO）を利用して特定の周波数帯の信号を生成する手法は、無線通信や音響技術など多岐にわたる分野で求められています。

VHDLを活用してこのような信号を生成する際のステップを紹介します。

このコードではVHDLを使って、特定の周波数帯を持つ信号を生成する方法を表しています。

この例では位相累積器とサインテーブルを組み合わせて、指定された周波数帯を持つ信号を出力しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity FreqBand_Signal is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           start : in STD_LOGIC;
           freq : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           signal_out : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end FreqBand_Signal;

architecture Behavioral of FreqBand_Signal is
    signal phase_accumulator : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000000";
    signal sine_table : array (0 to 65535) of STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := (others => "0000000000000000");
begin
    process(clk)
    begin
        if rising_edge(clk) then
            if start = '1' then
                phase_accumulator <= phase_accumulator + freq;
                signal_out <= sine_table(to_integer(phase_accumulator));
            end if;
        end if;
    end process;
end Behavioral;

このコードでは、clkに同期して動作するプロセスを実装しており、start信号が’1’のときに位相累積器を更新しています。

位相累積器は、入力されるfreq値に基づいて累積され、その結果として特定の周波数帯の信号をサインテーブルから取得してsignal_outに出力します。

この実装により、入力として指定されたfreq値に対応する周波数の信号を瞬時に生成することができます。

例えば、freqに高い値を入力すると、生成される信号の周波数も高くなり、低い値を入力すると低い周波数の信号が生成されます。

このコードを実際にFPGAやASICに実装すると、信号生成器として動作し、外部のDAC（デジタル-アナログ変換器）などと接続することで、実際の物理的な信号として出力することができます。

注意点としては、sine_tableの初期化がこのコードでは省略されていますが、実際の実装では、サイン波の値を正確にテーブルに格納する必要があります。

また、このコードは基本的な例を表しているため、実際の応用シーンや要求に応じてカスタマイズが必要になる場合があります。

例えば、異なる波形を生成する場合や、複数の周波数帯の信号を同時に生成する場合などは、この基本的な実装をベースに拡張して実装することが考えられます。

このVHDLコードを実行した場合、期待される出力は、入力されたfreq値に応じた周波数のデジタル信号がsignal_outから出力されることです。

具体的には、例えばfreqに”0001000000000000″（16384の10進数表現）を入力すると、約半分の周波数の信号が出力されます。

○サンプルコード10：複雑な波形の生成

VHDLでのNCO実装を学ぶ過程で、単純なサイン波やコサイン波を超えて、より複雑な波形を生成したい場合が出てくるでしょう。

このセクションでは、複雑な波形を生成するためのVHDLコードの例を紹介し、その仕組みを詳しく解説します。

このコードではVHDLを用いて複雑な波形を生成する方法を表しています。

具体的には、複数の波形を合成して新しい波形を生成しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

entity ComplexWaveGen is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           output_wave : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end ComplexWaveGen;

architecture Behavioral of ComplexWaveGen is
    signal wave1, wave2: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal counter: STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000";
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            counter <= "00000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            counter <= counter + 1;
            wave1 <= sine_wave_function(counter); -- 仮のサイン波生成関数
            wave2 <= square_wave_function(counter); -- 仮の矩形波生成関数
            output_wave <= (wave1 + wave2) / 2; -- 2つの波形を平均化
        end if;
    end process;
end Behavioral;

この例では、sine_wave_functionとsquare_wave_functionという2つの波形生成関数を用いて、それぞれの波形を生成しています。

生成された2つの波形を合成し、平均化して新しい複雑な波形としてoutput_waveに出力します。

このコードの核心は、2つの異なる波形を取り入れて合成する部分です。

このように複数の波形を組み合わせることで、必要な波形を柔軟に生成することができます。

この方法を使用することで、生成された波形はサイン波と矩形波の特性を併せ持つような新しい波形になります。

具体的には、矩形波の急激な変化とサイン波のなめらかな変化が組み合わさった波形が得られるでしょう。

また、この合成の方法は2つだけでなく、3つ以上の波形を合成する場合にも応用可能です。

波形の特性や要求に応じて、適切な関数を追加し、合成の方法を選択することで、さまざまな波形をVHDLで実装することができます。

次に、このコードの実行結果を見てみましょう。

実際にこのVHDLコードをFPGAやシミュレータで実行すると、出力されるoutput_waveはサイン波と矩形波の特性が混ざった複雑な波形になります。

波形の可視化ツールを使うと、サイン波のなめらかな変化と矩形波の急激な変化が合成されていることが視覚的に確認できるでしょう。

●注意点と対処法

VHDLを用いて数字制御オシレータ(NCO)の実装を行う際、さまざまな問題や課題に直面することがあります。

そこでここでは、特に初心者が注意すべき点やよくあるミス、そしてそれらを解消するための方法を解説していきます。

○NCOの位相ノイズについて

数字制御オシレータの中でもNCOは高精度な信号生成が可能であり、多くのアプリケーションで利用されています。

しかし、その精度を最大限に引き出すためには、位相ノイズの影響を適切に管理する必要があります。

このコードでは、位相ノイズを確認するためのシミュレーションコードを表しています。

この例では、NCOの出力信号と理想的な信号の差分をとって、ノイズの大きさを計測しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity phase_noise_check is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           nco_out : in STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
           noise_out : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end phase_noise_check;

architecture Behavioral of phase_noise_check is
    signal ideal_signal : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0);
begin
    -- ここで理想的な信号を生成
    ideal_signal <= ... -- 省略

    -- 位相ノイズの計算
    noise_out <= nco_out - ideal_signal;
end Behavioral;

このコードを実行すると、NCOの出力と理想的な波形との差分がnoise_outとして出力されるので、位相ノイズの大きさを確認することができます。

○VHDLでの実装のコモンミス

VHDLでのNCO実装を行う際に、特に初心者が陥りやすいミスを紹介します。

  1. 位相累積器のオーバーフロー：位相累積器のビット幅が不足しているとオーバーフローが発生し、不正確な波形が生成されます。
  2. サイン波テーブルの不正確さ：サイン波テーブルの精度が低いと、期待する波形とは異なる出力が得られることがあります。

対処法として、位相累積器のビット幅を十分にとる、サイン波テーブルの精度を上げる、または補間技術を用いるなどの方法が考えられます。

また、実装を行う前に設計の要件をしっかりと確認し、適切なパラメータや設定を選択することが重要です。

具体的なコードやパラメータの調整方法については、先述の各ステップで詳しく解説していますので、そちらを参照してください。

●カスタマイズのヒント

VHDLを使用したNCOの設計は、基本的な実装から始めて、徐々にカスタマイズを追加することが可能です。

ここでは、NCOのカスタマイズに関するいくつかのヒントと、それを実現するためのサンプルコードを紹介します。

○独自の波形を生成するための方法

デジタルシグナル処理の世界では、独自の波形を生成することが多々あります。

VHDLでのNCO設計を利用すれば、様々な波形を簡単に生成することができます。

このコードでは、三角波を生成する方法を表しています。

この例では、サイン波テーブルの代わりに三角波テーブルを使用して波形を生成しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity TriangleWaveGen is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           triangle_wave : out STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0));
end TriangleWaveGen;

architecture Behavioral of TriangleWaveGen is
    signal counter : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000000";
    signal increment : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0) := "00000001"; -- 増分値
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            counter <= "00000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            counter <= counter + increment;
        end if;
    end process;

    triangle_wave <= counter;
end Behavioral;

この例では、8ビットのカウンタを利用して三角波を生成しています。

カウンタがオーバーフローするたびに、三角波が生成されます。

○パフォーマンスを向上させるためのヒント

NCOのパフォーマンスを向上させるための一つの方法は、位相累積器の精度を向上させることです。

このコードでは、16ビットの位相累積器を使用して、より高い解像度の波形を生成しています。

この例では、位相累積器のサイズを増やすことで、より精密な波形を生成しています。

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity HighResNCO is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           high_res_wave : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
end HighResNCO;

architecture Behavioral of HighResNCO is
    signal phase_accumulator : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000000";
    signal increment : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000001"; -- 増分値
begin
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            phase_accumulator <= "0000000000000000";
        elsif rising_edge(clk) then
            phase_accumulator <= phase_accumulator + increment;
        end if;
    end process;

    high_res_wave <= phase_accumulator;
end Behavioral;

この設計では、位相累積器のビット幅を増やすことで、出力波形の解像度を向上させています。

位相累積器の増分値を調整することで、出力波形の周波数も調整することができます。

まとめ

この記事では、VHDLを使用したNCOの実装とカスタマイズについて詳しく解説しました。

独自の波形を生成するための方法として、三角波を生成するサンプルコードを紹介しました。

また、NCOのパフォーマンスを向上させるヒントとして、位相累積器の精度を上げる方法を表すサンプルコードも取り上げました。

これらの基本的なコンセプトを理解し、適切にカスタマイズすれば、VHDLでのNCO設計を効果的に利用することができます。