數控振蕩器及操作方法
2023-10-08 22:16:59 2
專利名稱：數控振蕩器及操作方法
技術領域：
本發明涉及數控振蕩器。
背景技術：
數控振蕩器是用於響應於數位訊號來合成一系列頻率的電子系統。由數控振蕩器產生的頻率範圍與輸入的數位訊號的位解析度以及用於控制數控振蕩器的時鐘有關。具體而言，作為奈奎斯特定理的結果，所產生的頻率小於用於控制數控振蕩器的時鐘頻率的一半。
圖1示出了由N位頻率字102(Freq(k))控制的數控振蕩器100。具體而言，頻率字102定義數控振蕩器100所需的操作頻率。頻率字102被提供到相位累加器101，該相位累加器101由時鐘控制以定義振蕩器100的時基。相位累加器101將輸入的頻率數據轉換成相位信號103(Φ(k))。相位信號103被提供到相位振幅轉換器104。數字相位信號103通常在只讀存儲器(ROM)結構中用作存儲位置的索引。ROM結構在各個位置上的內容包含對應於sin(Φ(k))的數字值，以產生數字振幅信號105。數字振幅信號105被提供到數模轉換器106，從而產生其頻率與頻率字102相關的模擬波形。
如果需要較高的精確度，用於執行相位到振幅轉換的ROM結構的使用則需要略微大量的存儲器。通常，相位振幅轉換器104的實現方式截短相位信號103(即丟掉多個最低有效的位)，從而減少必需的存儲器數量。相位信號103的截短會在數字振幅信號105中產生誤差。數字振幅信號105中的該誤差還會在模擬輸出信號中產生雜散信號(spur)。
已經實現了許多機制來嘗試減輕由相位信號103的截短而產生的誤差。例如，如美國專利No.4,855,946所描述的，可以利用加法校正因子對附加的ROM進行編程。可替換地，如美國專利No.4,905,177所描述的，可以使用冪級數展開來近似誤差。如1984年8月的IEEE Journal of Solid-State Circuits，VOL SC-19，No.4中由David Sutherland等人編著的「CMOS/SOS Frequency Synthesizer LSI Circuit for Spread SpectrumCommunications」中所描述的，可以應用三角展開來構建改良的近似，其中三角展開的組合項被放置在各個ROM中以用於求和。而且，如美國專利No.5,757,253所描述的，可以應用重複算法(repetitive algorithm)來產生改良的近似。雖然所有這些機制減輕了與截短相關聯的誤差，但是在數字振幅信號105中誤差的階數保持不變。誤差傳播到模擬輸出信號。
發明內容
代表性實施例關注於數控振蕩器以及操作方法。代表性實施例能夠通過利用三角恆等式來減少數控振蕩器的ROM單元所使用的存儲器總量。在一個代表性實施例中，相位振幅轉換器接收來自相位累加器的數字相位信號(用Φ代表)。接收到的數字相位信號可以是來自相位累加器的所有位的截短，或者可以包括來自相位累加器的所有位。所述相位振幅轉換器包括用於存儲對應於Φ的最高有效位(用θc代表)的正弦和餘弦值的第一組ROM單元。所述相位振幅轉換器包括用於存儲對應於Φ的較低有效位(用θf代表)的正弦和餘弦值的第二組ROM單元。由ROM單元獲得的正弦和餘弦值被根據sin(θc)·cos(θf)+sin(θf)·cos(θc)而組合起來，從而產生數字振幅信號。此外，為了減少與ROM單元相關聯的存儲器量而使用三角恆等式，這不會降低相位到振幅轉換的精確度。具體而言，三角恆等式的使用不包含任意算術誤差。
圖1示出了已知的數控振蕩器。
圖2示出了根據一個代表性實施例的數控振蕩器。
圖3示出了根據另一代表性實施例的IQ數控振蕩器。
具體實施例方式
現在參考圖2示出的一個代表性實施例，數控振蕩器200接收輸入數位訊號102(Freq(k))來控制振蕩器的操作頻率。輸入數位訊號102使用位寬48位的總線來傳輸。相位累加器101對輸入數位訊號102進行累加，從而產生相位信號103(Φ(k))。相位信號103在位寬48位的總線210上傳輸。
如圖2所示，相位信號103被截短。具體而言，對應於位[27:0]的總線210的線路被終止，而沒有連接到相位振幅轉換器250。被截短的信號212(Φ′(k))對應於位[47:28]。該截短是根據與後續相位到振幅轉換相關聯的所需精確度水平而發生的。在可替換的實施例中，可以將來自相位累加器101的所有位都用於相位到振幅轉換。如下面將更詳細描述的，假設用於相位到振幅轉換的位數相同，代表性實施例可以減少ROM存儲器的數量，而不會出現任意算術誤差。
此外，截簡訊號212被分成「粗糙」部分(θc)和「精細」部分(θf)。總線210的對應於「粗糙」位[47:38]的線路和對應於「精細」位[37:28]的線路被提供到相位振幅轉換器250內分離的組件。
相位振幅轉換器250能夠減小ROM單元201-204的尺寸，而不會降低數字振幅信號211(V(k))的計算精度。具體而言，相位振幅轉換器250使用等式(1)的三角恆等式。
(1)sin(Φ′)＝sin(θc+θf)＝sin(θc)·cos(θf)+sin(θf)·cos(θc)，其中Φ′＝θc+θf。
在圖2所示的實施例中，相位信號103的位[47:28]由Φ′代表，Φ′中的最高有效位由θc代表，並且Φ′中的最低有效位由θf代表。ROM單元201存儲了與Φ′的最高有效位(θc)所定義的值相對應的正弦值。同樣，ROM單元202存儲了與Φ′的最高有效位(θc)所定義的值相對應的餘弦值。因此，總線210的與位[47:38]相關聯的線路205被耦合到ROM單元201和202，以使用被傳送的位作為索引來獲得適當的正弦和餘弦值。ROM單元203和204分別存儲與Φ′的最低有效位(θf)相關聯的正弦和餘弦值。總線210的與位[37:28]相關聯的線路206被耦合到ROM單元203和204，以使用被傳送的位作為索引來獲得適當的正弦和餘弦值。
使用等式(1)的三角恆等式，來自ROM單元201的正弦值和來自ROM單元204的餘弦值被提供到乘法器207。來自ROM單元203的正弦值和來自ROM單元202的餘弦值被提供到乘法器208。來自乘法器207和208的乘積由加法器209求和，從而產生數字振幅信號211(V(k))。數模轉換器(DAC)106將數字振幅信號211轉換成模擬信號。可替換地，在數模轉換之前，可能發生其他處理。例如，如果特定應用需要，則可以在數字域中執行振幅調製。相似地，可以通過適當地處理相位信號103來執行相位調製。可以通過適當地處理頻率輸入數位訊號102來執行頻率調製。
通過根據圖2所示的代表性實施例來實現相位振幅轉換器250，ROM單元201-204包括了略微少量的存儲器。具體而言，如果採用單個ROM單元來提供對N位相位信號的相位到振幅轉換，該單個ROM則需要2N個條目。相位振幅轉換器250的實現方式使用四個分離的ROM單元。這四個ROM單元中的每一個都包括2N/2個條目。這樣，存儲器節省總量為0.25×2N/2＝2N/2-2。對於N＝20，在存儲器總量中的減少因子是256。而且，除代表性實施例之外，還可以使用已知的用於使用正弦函數在0到2π上的對稱性來減小ROM單元的存儲器需求的技術。
此外，存儲器總量的減少不會帶來精確度的下降。具體而言，由相位振幅轉換器250使用的等式(1)是三角恆等式，並且不是一種近似。這樣，與ROM單元204-204相關聯的存儲器量的減少不會導致相位到振幅轉換中的任意誤差。相反，減少用於相位到振幅轉換的存儲器數量的已知近似方法包含固有的算術誤差。通過實現圖2所示的數控振蕩器200，並且通過利用合適的特性(精確度、線性、穩定特性、時間特性等等)使用DAC 106，對於100MHz或更高頻率的操作，可以獲得在-90dBc數量級上或者更好的雜散電平。圖2所示的各種數位訊號的位解析度對於雜散電平的降低不重要。根據適合於特定應用的代表性實施例，可以做出其他合適的位選擇。
圖3示出了根據一個代表性實施例的IQ數控振蕩器300。IQ數控振蕩器300的前端與數控振蕩器200的前端相似。IQ數控振蕩器300的輸出與數控振蕩器200的輸出有所不同。具體而言，IQ數控振蕩器300提供了一條Q信道(Vsin(k)307)和一條I信道(Vcos(k)308)。因為不需要附加的ROM單元來產生I和Q信道，因此IQ數控振蕩器300的配置是高效的。通過使用相同的ROM單元來創建I和Q信道，與單個ROM查找實現方式相比的存儲器減少可以進一步提高到2N/2-1。
為了在數字域中計算I和Q信道，ROM單元201和203的輸出被提供到乘法器301。ROM單元201和204的輸出被提供到乘法器302。而且，ROM單元202和ROM單元203的輸出被提供到乘法器303。ROM單元204和ROM單元202的輸出被提供到乘法器304。Q信道(Vsin(k)307)由加法器305使用乘法器302和303的輸出來產生。I信道(Vcos(k)308)由加法器306產生，該加法器306將乘法器301的輸出的負值與乘法器304的輸出相加。利用DAC 106a對Q信道執行數模轉換。同樣，由DAC 106b對I信道執行數模轉換。適應於特定應用，在數模轉換之前，可能在數字域中出現其他合適的信號處理。
代表性實施例能夠減少用於數控振蕩器的ROM單元的存儲器總量。代表性實施例還能夠通過用三角恆等式取代數值近似，來以更精確的方式執行相位到振幅轉換。此外，與相位到振幅轉換相關聯的精確度減輕了在從數控振蕩器中得到的模擬信號中出現的雜散信號的影響。
權利要求
1.一種數控振蕩器，包括相位累加器，用於接收輸入的數字字；以及相位振幅轉換器，該相位振幅轉換器操作上耦合到所述相位累加器，以接收第一相位信號和第二相位信號，所述相位振幅轉換器計算所述第一和第二相位信號中的每一個的正弦值和餘弦值，所述相位振幅轉換器產生(i)所述第一相位信號的正弦值和所述第二相位信號的餘弦值的乘積與(ii)所述第二相位信號的正弦值和所述第一相位信號的餘弦值的乘積的和，其中所述相位振幅轉換器將所述和作為振幅信號輸出。
2.如權利要求1所述的數控振蕩器，其中所述第一和第二相位信號是從所述相位累加器的輸出信號中獲得。
3.如權利要求2所述的數控振蕩器，其中所述第一和第二相位信號是從來自所述相位累加器的所述輸出信號的截短中獲得。
4.如權利要求2所述的數控振蕩器，其中所述第一相位信號包括來自所述相位累加器的所述輸出信號的多個最高有效位，並且所述第二相位信號包括來自所述相位累加器的所述輸出信號的多個較低有效位。
5.如權利要求1所述的數控振蕩器，其中所述相位振幅轉換器包括多個只讀存儲器單元，用於獲得正弦和餘弦值。
6.一種使用數字電路來產生振蕩器信號的方法，包括響應於輸入的數位訊號來操作累加器邏輯，從而產生第一數字相位信號；將所述第一數字相位信號劃分成第二和第三數字相位信號；計算對於所述第二數字相位信號的第一正弦和餘弦值；計算對於所述第三數字相位信號的第二正弦和餘弦值；並且操作加法器對(i)所述第一正弦值和所述第二餘弦值的乘積與(ii)所述第二正弦值和所述第一餘弦值的乘積求和，來產生輸出數字值，從而產生數字振幅信號。
7.如權利要求6所述的方法，還包括操作數模轉換器對所述輸出數字值進行轉換，從而產生所述振蕩器信號。
8.如權利要求6所述的方法，其中所述劃分步驟包括選擇第一組位作為所述第二數字相位信號，所述第一組位是所述第一數字相位信號的最高有效位。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述劃分步驟包括選擇所述第一數字相位信號中與所述最高有效位相鄰的第二組位作為所述第三數字相位信號。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述計算第一正弦和餘弦值和計算第二正弦和餘弦值的步驟包括使用所述第二和第三相位信號作為指向只讀存儲器單元內位置的索引，來獲得在所述只讀存儲器單元中存儲的值。
11.一種數控振蕩器，包括用於累加數位訊號，從而產生第一數字相位信號的裝置；以及用於使用從所述第一數字相位信號中獲得的第二和第三數字相位信號來產生數字振幅信號的裝置，其中所述用於產生的裝置將所述數字振幅信號作為(i)所述第二數字相位信號的正弦值和所述第三數字相位信號的餘弦值的乘積與(ii)所述第三數字相位信號的正弦值和所述第二數字相位信號的餘弦值的乘積的和來計算。
12.如權利要求11所述的數控振蕩器，還包括耦合到所述用於累加的裝置的總線，該總線用於傳輸所述第一數字相位信號。
13.如權利要求12所述的數控振蕩器，其中所述總線中的第一組線路被耦合到第一正弦計算元件和第一餘弦計算元件，並且所述總線中的第二組線路被耦合到第二正弦計算元件和第二餘弦計算元件。
14.如權利要求13所述的數控振蕩器，其中所述第一和第二正弦計算元件和所述第一和第二餘弦計算元件包括各自的只讀存儲器單元。
15.如權利要求14所述的數控振蕩器，其中所述第一和第二正弦計算元件和所述第一和第二餘弦計算元件使用在所述總線的所述第一和第二組線路上接收到的位作為索引來獲得所述只讀存儲器單元的位置中所存儲的值。
16.一種系統，包括相位累加器，用於接收輸入的數字字；以及相位振幅轉換器，該相位振幅轉換器操作上耦合到所述相位累加器，以接收第一相位信號和第二相位信號，所述相位振幅轉換器計算所述第一相位信號的第一正弦和餘弦值，以及所述第二相位信號的第二正弦和餘弦值，所述相位振幅轉換器對(i)所述第一正弦值和所述第二餘弦值的乘積與(ii)所述第二正弦值和所述第一餘弦值的乘積求和，從而產生第一輸出信號，所述相位振幅轉換器將(i)所述第一和第二正弦值的乘積從(ii)所述第一和第二餘弦值的乘積中減去，從而產生第二輸出信號。
17.如權利要求16所述的系統，還包括存儲了正弦和餘弦值的多個只讀存儲器單元。
18.如權利要求17所述的系統，其中所述第一相位信號由來自所述相位累加器的輸出信號的多個最高有效位來定義，並且所述第二相位信號由來自所述相位累加器的所述輸出信號中的多個較低有效位來定義。
19.如權利要求18所述的系統，其中所述多個只讀存儲器單元中的第一對只讀存儲器單元存儲了對應於所述最高有效位的正弦和餘弦值，並且所述多個只讀存儲器單元中的第二對只讀存儲器單元存儲了對應於所述較低有效位的正弦和餘弦值。
20.如權利要求16所述的系統，還包括第一數模轉換器，用於將所述第一輸出信號轉換成模擬信號；第二數模轉換器，用於將所述第二輸出信號轉換成模擬信號。
全文摘要
在一個實施例中，本發明關注於數控振蕩器。該數控振蕩器包括相位累加器，用於接收輸入的數字字；以及相位振幅轉換器，該相位振幅轉換器操作上耦合到相位累加器，以接收第一相位信號和第二相位信號，所述相位振幅轉換器計算第一和第二相位信號中的每一個的正弦值和餘弦值，所述相位振幅轉換器產生(i)第一相位信號的正弦值和第二相位信號的餘弦值的乘積與(ii)第二相位信號的正弦值和第一相位信號的餘弦值的乘積這兩者之和。
文檔編號H03L7/00GK1716760SQ200510072068
公開日2006年1月4日 申請日期2005年5月25日 優先權日2004年6月14日
發明者布雷恩·M·米勒 申請人:安捷倫科技有限公司