DF2 - Вторая версия DIY ЦФ

[dortonyan]

Итак, обещанный проект нового ЦФ.
Опыт прошлой ветки показал, что вопросы построения ЦФ сводятся к конкретному проекту. Поэтому решил создать отдельную.

Исходная ветка с обсуждением различных реализаций ЦФ здесь.
Ветка про ЦФ DF1 здесь.

С момента публикации прошлой версии ЦФ прокачал скилл по верилогу, поэтому новый ЦФ выполнен проще, и с более сложной арифметикой. В частности добавлены опции шейпера и дополнительного апсемплера, что позволяет выводить данные в том числе на малоразрядные ЦАП, типа AK4499EX.
Получив определенный опыт понял о чем писал Сергей Агеев (на счет реализации умножителей и многовходовых сумматоров на FPGA). Если правильно выбирать длину конвейера, то нет смысла изобретать оригинальную схему умножителя. Компилятор синтезирует лучше.
То же самое касается описания сумматоров: использование многовходовых сумматоров оптимизируется лучше, чем ручная разбивка на двух-входовые.

В отличие от предыдущего проекта, новый делался как заготовка для самостоятельного применения и доработки под свои задачи. Поэтому все режимы досконально не тестировались, и проект выкладывается "как есть" в версии альфа.
В исходниках есть только пара примеров: для FPGA cyclone и lcmxo2.
Описание содержит краткое перечисление основных параметров, а так же инструкцию по самостоятельной сборке проекта и генерации собственных коэф-тов в MatLab.
Картинок много, текста мало. Все как мы любим.
Утилита и ее исходник для автоматизированной конверсии коэф-тов в формат верилога прилагается.
Так же прилагаются матлабовские модели всех каскадов фильтра, архив со сгенерированными коэф-тами фильтров, примененных в проекте и симулинк-модель. Для запуска симулинк-модели нужен матлаб версии r2018b.

- 25.09.2023 - Добавил MatLab модель шейпера в симулинке. На этот раз версии r2013b. В 2018-ом матлабе че-то намудрили со спектроанализатором, и в нем амплитуда сигнала получается зависима от порядка шейпера, или от кратности оверсемплинга.

- 27.09.2023 - Правка шейпера 3-го порядка

Шейпер 3-го порядка в проекте выполнен по схеме:

NTF шейпера на 1кГц сигнале:

Данный шейпер оптимизирован для работы на невысокой частоте семплирования (х16..х32) и с разрядностью данных не менее 7..8 бит.
На работы на более высоких ЧД при меньшей разрядности данных можно упростить коэф-т шейпера, улучшив SNR и сэкономив на логике. Для этого исключается слагаемое Gain3 (по схеме симулинка):

В проекте это слагаемое находится в файле DATA_READ.v:

Данное слагаемое отклоняет значение коэф-та от 3-х, создавая дополнительный полюс на NTF. После упрощения коэф-та NTF шейпера принимает вид классического модулятора 3-го порядка.

Можно также это слагаемое не удалять, а менять его величину (увеличивать сдвиг), двигая тем самым полюс NTF.

[свернуть]

- 28.09.2023 - Отрефакторил модули DATA_READ и SAI_OUTPUT. Поправил описание.
- 05.10.2023 - Поправил DF_CONTROL. Поправил описание.

[Alex]

Особенно если перевести выход в слейв и тактировать от ЦАП.

Тактировать мастерклоком само собой со стороны ЦАПа, а вот выход ASRC в слейве - это лишний геморрой. Чем его тактировать? Не многие ЦАПы умеют быть мастером и генерировать WCLK/BCLK.

[Turbo_man]

А где бы почитать про основы (принципы) функционирования ASRC? Как там идут расчёты внутри итд. Может и Алексей заинтересуется.

---------- Сообщение добавлено 17:00 ---------- Предыдущее сообщение было 16:57 ----------

Неужто это очень сложно? Ведь в ADAU1467 этих ASRC почти десяток.

---------- Сообщение добавлено 17:17 ---------- Предыдущее сообщение было 17:00 ----------

А какая точность измерения отношения частот ЧД реально требуется? Разницу в 1/100 Гц можно посчитать за 1.5 сек, если сравнивать BCLK. А если сравнивать MCLK, то будет ещё быстрее или точнее.

[Злой]

Не многие ЦАПы умеют быть мастером и генерировать WCLK/BCLK.

Я на логике делал, как в эвалюшене на ад1896

[Alex]

Я на логике делал,

Сделать не проблема, только зачем?
Нормальные ASRC (типа AK4137) прекрасно работают в мастере, тактируясь со стороны ЦАПа (например у меня в 1-м на АД1862).

[Злой]

Сделать не проблема, только зачем?

А это лет десять назад было, может и больше.

[Meta|_]

А если сделать всё же, то тогда можно будет сделать спдиф входы без фифо. И ген взять ровно 50МГц, как 1024фс для ЧД 48,828кГц. Безумная идея. Аудиогены исключить.

Небольшой спин-офф: ещё можно поставить генератор на частоту кратную 7056000Гц (НОК 44100 и 48000), тогда вместо переключения генераторов можно будет переключать коэффициенты ЦФ. И кстати, 7056000*7=49392000, это всего на 1.2% отличается от 50Мгц, то есть не труЪ хай-энд, но чтобы попробовать, думаю, годится.

[tomtit]

Небольшой спин-офф: ещё можно поставить генератор на частоту кратную 7056000Гц (НОК 44100 и 48000), тогда вместо переключения генераторов можно будет переключать коэффициенты ЦФ. И кстати, 7056000*7=49392000, это всего на 1.2% отличается от 50Мгц, то есть не труЪ хай-энд, но чтобы попробовать, думаю, годится.

Не..е, плохо получается, лучше 192*147=176.4*160=28224, но чего-то звёзды не сошлись, забросил.

[Turbo_man]

Купил вот такие платки. Как приедут отпишусь.

Платки приехали.
Вопрос сообществу: как ещё можно использовать SDRAM 256Mbit, что стоят на платке. ФИФО получается ну очень большим. Полный буфер выходит 128 секунд для 44100 Гц. Можно использовать только 1 банк из этого ОЗУ, он =1/4 ёмкости.

[Turbo_man]

Для эксперимента убрал аудио-гены на 1024Fs. Вместо них использовал 2 шт. PLL. Из 50МГц делаю 3072Fs для обеих сеток для семплирования потока спдиф. Для сетки х48 Kpll=59/20, а для х44 Kpll=65/24.
Погрешность для Fs уложилась в +14/-19 Гц. ФИФО сейчас мало для таких отклонений (для 44100 Гц примерно 4 минуты ФИФО 48х4096). Но далее будет SDRAM 256Мбит.
Сетки переключаю автоматически по встроенному частотомеру. Неиспользуемая в данный момент PLL подавляется.
Звук вполне годный.

---------- Сообщение добавлено 22:28 ---------- Предыдущее сообщение было 21:16 ----------

Временно вернулся на внешнее ОЗУ 1Мбит.

[dortonyan]

Временно вернулся на внешнее ОЗУ 1Мбит.

Это получше SDRAM. 256Мбит для фифо избыточно.

А вообще вот Сергей пишет, что можно и свой VCXO собирать:

VCXO тогда можно сделать свой и очень крутой.

Может в самом деле сообразить какой-нить ген на "трехточке" с подстройкой варикапом и буфером на AUP вентиле?

[Turbo_man]

Это получше SDRAM. 256Мбит для фифо избыточно.

В принципе да, но хочется использовать плату по максимуму. Да и освоить интерфейс с внешней SDRAM для ФИФО тоже интересно в образовательных целях.

---------- Сообщение добавлено 00:11 ---------- Предыдущее сообщение было 00:08 ----------

сообразить какой-нить ген на "трехточке" с подстройкой варикапом

Лет 10 назад Сергей мне тоже советовал сделать VCXO, но тогда он говорил про кварц между 2-х эмиттеров 2-х транзисторов генератора. Я тогда до конца не врубился про схему генератора, а чуть позже ASRC или ФИФО пришло.

---------- Сообщение добавлено 00:16 ---------- Предыдущее сообщение было 00:11 ----------

Свой VCXO получится на 256, 384 или 512Fs, и его всё равно придётся умножать на PLL, хотя это и не страшно.

---------- Сообщение добавлено 00:19 ---------- Предыдущее сообщение было 00:16 ----------

Алексей, а свежий софт Xilinx поддерживает графическое редактирование? Интересна платка

https://aliexpress.ru/item/100500596...00035059024749

[tomtit]

Лет 10 назад Сергей мне тоже советовал сделать VCXO, но тогда он говорил про кварц между 2-х эмиттеров 2-х транзисторов генератора.

В такой схеме довольно сложно добиться достаточно широкого диапазона перестройки кварца. Он будет всегда генерировать очень близко к последовательному резонансу. Придётся добавлять катушки для компенсации ёмкости кристаллодержателя и для расширения резонансного интервала. Всё это не очень хорошо сказывается на фазовом шуме. Зачастую хороший металлический корпус-экран у заводского генератора даёт лучший результат, чем изощрённая схемотехника.

[dortonyan]

Алексей, а свежий софт Xilinx поддерживает графическое редактирование? Интересна платка

Не знаю, по идее должен быть.
Я только один раз пробовал собирать свой верилоговский проект в ихнем ISE.

Зачастую хороший металлический корпус-экран у заводского генератора даёт лучший результат, чем изощрённая схемотехника.

В данном случае вопрос не в наилучшести, а тупо в доступности. Хорошие VCXO на нужные частоты днем с огнем не сыщешь, даже в американских магазинах.
Вот и остается только "колхозить" на россыпи.

[Turbo_man]

Как приемлимый вариант, я решил ген 50Мгц на демоплатке заменить на 45.1584Мгц для сетки х44 (она для меня важнее). А для сетки х48 синтезировать PLL через 160/147. Квартус это позволяет. А вот для XILINX так не выходит. Там множители/делители ограничены 128(?).
Кроме того, в сети нашёлся верилоговский проект управления SDRAM на 256Мбит. Так что и это надеюсь осилить (ФИФО на SDRAM).

---------- Сообщение добавлено 09:38 ---------- Предыдущее сообщение было 09:32 ----------

Платки на ARTIX-е приехали, тоже буду пытаться их приспособить. Немного по верилогу продвинулся. Так глядишь и GOWIN-овские платки тоже запоют.

[Turbo_man]

Удалось запустить ФИФО на SDRAM 256Mb. Прикольно. Выключаешь источник и всё ещё слушаешь кусок трека на 2 минуты. Кварц 50МГц заменён на 45.158Мгц. 49.152 МГц получаю от PLL, как выше уже написал. Немного помучился с клоками для модуля sdram control. Пришлось ещё сформировать клоки 3072фс со сдигом на 90 градусов (позже цифра изменилась на 90...135гр.). Иначе модуль не хотел функционировать нормально. Своя логика фифо работает на клоке без сдвига.

---------- Сообщение добавлено 15:00 ---------- Предыдущее сообщение было 14:52 ----------

16-бит данные для sdram сформировал так. Старшие 8 бит отдал левому каналу, младшие 8 бит правому. Соответственно полный семпл занимает в ОЗУ 3 слова по 16 бит.

[dortonyan]

16-бит данные для sdram сформировал так. Старшие 8 бит отдал левому каналу, младшие 8 бит правому. Соответственно полный семпл занимает в ОЗУ 3 слова по 16 бит.

При таких объемах памяти можно не мелочиться. Паковать данные сразу в 32 бита.

[Turbo_man]

Паковать данные сразу в 32 бита.

Согласен, тогда бы и режим burst=4 хорошо подошёл, но этот модуль sdram controller-а не поддерживает его. Т.е. адрес передается с каждой операцией записи-чтения. Нет автоинкремента адреса.

---------- Сообщение добавлено 20:28 ---------- Предыдущее сообщение было 20:21 ----------

Сейчас сделал лаг при чтении 1 сек (~44100 семплов, точнее 131070/3=43690). Но и это многовато. Есть ещё такой момент, что при переходах 44<-->192 и обратно слышна изменённая скорость воспроизведения этого лага (эффект буратино и карабаса). Надо ресетить адресные счётчики при каждом изменении Fs.

---------- Сообщение добавлено 20:54 ---------- Предыдущее сообщение было 20:28 ----------

Добавлю пару фоток.




---------- Сообщение добавлено 26.07.2024 в 18:37 ---------- Предыдущее сообщение было 25.07.2024 в 20:54 ----------

Чёрт, капризная схема оказалась. При любых изменениях в схеме после компиляции перестаёт нормально работать.
Что же там такого уникального получилось, не пойму? Удалось добиться нормальной работы и для генератора 50МГц для обеих сеток, но схема такая же капризная. Даже не даёт увеличить лаг до 2-х секунд (сейчас 1 сек). Т.е. сдвинуть старт чтения из буфера на 1 двоичный разряд счётчика записи.

---------- Сообщение добавлено 18:43 ---------- Предыдущее сообщение было 18:37 ----------

при переходах 44<-->192 и обратно слышна изменённая скорость воспроизведения этого лага (эффект буратино и карабаса). Надо ресетить адресные счётчики при каждом изменении Fs.

Это только при извлечении входного кабеля, т.е. при пропадании входного сигнала. При нормальном переключении треков с пульта всё нормально и так.

[Turbo_man]

Чёрт, капризная схема оказалась.

Вроде поборол там все болячки.
Выкладываю для общества свой рабочий проект ФИФО на SDRAM 256Mb на базе контроллера с гитхаба. Может кому-то и пригодится. В папочке проекта есть и PLL-ка для сетки 48х. Я её тоже положил, но не задействовал для упрощения. Запуск чтения буфера задержан на 2 сек (лаг). Можно самостоятельно поменять.

---------- Сообщение добавлено 16:16 ---------- Предыдущее сообщение было 16:12 ----------

Если кто-то не поленится и переделает модуль фифо полностью на верилоге, то прошу тут его и разместить.

---------- Сообщение добавлено 17:09 ---------- Предыдущее сообщение было 16:16 ----------

Поскольку время записи в и чтения из ОЗУ для каждого семпла 48 бит примерно по 200нсек, то ограничений по частоте Fs я не вижу. Проверял до 192кГц, т.к. у меня основное применение фифо для спдифа. Но можно и для Аманерок (или иных юсб-модулей) в режиме мастер тоже попробовать до 768кГц.

---------- Сообщение добавлено 20:23 ---------- Предыдущее сообщение было 17:09 ----------

Но и 1536кГц тоже по времени проходят, т.к. период 650нсек.

[tomtit]

Offтопик:
Недавно нашёл немного времени и поигрался с демо-платой на Gowin FPGA.
Куплена на алиэкспрессе пару лет назад. Что-типа Танг-Нано, самая дешёвая для GW1N-9.
Был очень приятно удивлен скоростью работы софта. Он очень незатейливый, маленький по размеру и работает удивительно быстро, раз в 10 быстрее Xilinx. Попробовал собрать свой последний сигма-дельта ДАК.
К моему огромному удивлению сразу получил играющий ДАК.
Софт сыроват, много непонятных вопросов, например явно заниженный результат диагностики тайминга, пишет, что максимальная частота 37мегегерц, а корректно работает на 50. В общем, у Xilinx и Altera появился более чем достойный конкурент.Теперь есть возможность сделать всю цифровую часть Хи-энд в одной маленькой QFN32, да ещё и флешка у неё внутри с конфигурацией имеется.

[dortonyan]

Offтопик:

Был очень приятно удивлен скоростью работы софта. Он очень незатейливый, маленький по размеру и работает удивительно быстро, раз в 10 быстрее Xilinx. Попробовал собрать свой последний сигма-дельта ДАК.

Это не у говина скоростной софт, а у ксайлинса тормозной.
У латтиса и альтеры сборка тоже довольно быстрая. Хотя конечно зависит от серии и объема выбранной FPGA.

Софт сыроват, много непонятных вопросов, например явно заниженный результат диагностики тайминга, пишет, что максимальная частота 37мегегерц, а корректно работает на 50.

У меня при сборке латтисовских lcmxo2 было аналогично. Там надо смотреть под какие условия идет расчет таймингов. По умолчанию - худший случай, т.е. максимальная температура и минимальное напряжение питания.

В общем, у Xilinx и Altera появился более чем достойный конкурент.Теперь есть возможность сделать всю цифровую часть Хи-энд в одной маленькой QFN32, да ещё и флешка у неё внутри с конфигурацией имеется.

У латтиса то же самое уже давно (в виде серий machxo2/3..). Они конечно подороже говина, но и софт у них получше, больше опций.