CN105450224B - 直接数字频率合成方法和直接数字频率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直接数字频率合成方法，包括以下步骤：相位累加模块根据频率合成字计算得到第一相位；根据所述第一相位，通过预设的正弦查找表查找得到幅度值；根据所述幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位；若所述第二相位小于第一相位，则对所述幅度值进行调整后输出；否则输出原幅度值；数模转换器根据输出的幅度值进行数模转换得到正弦波输出；其中，对于N位的相位累加模块和D位的数模转换器，所述预设的相位查找表包含2^D‑1‑1个对应于0～2^D‑1‑2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N‑2位存储。还公开一种应用上述方法的直接数字频率合成器。上述方法和合成器可以以较低的成本提高频率调节精度。

Description

直接数字频率合成方法和直接数字频率合成器

技术领域

本发明涉及数字信号处理，特别是涉及一种直接数字频率合成方法和一种直接数字频率合成器。

背景技术

在一些需要进行正弦波的频率调节的应用中，对频率的可调性要求很高。例如PZT架构的陀螺仪传感器的共振频率的调节，其频率的可调性要达到0.1赫兹以下。DDS(DirectDigital Synthesizer，直接数字频率合成)提供了一种以数字方式来精确控制正弦频率的方法。

DDS的工作原理是基于正弦波每隔2π相角循环一次的特性，利用相位累加模块(N位)来等分0～2π相位为2^N个单元，再根据不同的频率要求，每隔一段时间增加一个频率控制字的角度到相位累加模块中，可以由相位累加模块输出的相角经正弦查表得出信号幅度，经数模转换得到正弦波的输出。其中相位累加模块的溢出代表一个2π相角的循环。

对于一个频率控制字为M的一次调节，经N位的相位累加模块的处理，DDS最终正弦波的频率f_o与工作基频f_c具有如下关系：

f_o＝(M×f_c)/2^N。

当2^N/M为整数时，该次调节不会出现相位截断，而其他情况则会因为相位截断会有大大小小的误差。因此，传统的DDS实际上能够输出的频率精度十分有限，也限制了其应用范围。

另一方面，如上所述，目标信号的幅度生成是通过正弦查找表实现的。基于传统的DDS，仍然可以通过减少相位累加模块舍弃相位的位数，增加正弦查找表的大小，从而减少相位舍弃误差。但是正弦查找表的深度是与地址位数成指数关系的，无法使用的合理的成本来构建一个庞大的正弦查找表以降低相位误差。

发明内容

基于此，有必要提供一种低成本且可以减少相位截断误差的直接数字频率合成

一种直接数字频率合成方法，包括以下步骤：

相位累加模块根据频率合成字计算得到第一相位；

根据所述第一相位，通过预设的正弦查找表查找得到幅度值；

根据所述幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位；

若所述第二相位小于第一相位，则对所述幅度值进行调整后输出；否则输出原幅度值；

数模转换器根据输出的幅度值进行数模转换得到正弦波输出；

其中，对于N位的相位累加模块和D位的数模转换器，所述预设的相位查找表包含2^D-1-1个对应于0～2^D-1-2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N-2位存储。

在其中一个实施例中，和是相位累加模块在第一象限的相邻数值，获得所述预设的相位查找表的步骤包括：

从为0开始，判断是否与相等，若二者不相等，则将的末N-2位存入所述相位查找表，并将和同时增加1后再判断是否与2^D-1-2相等；若与相等，直接将和同时增加1后再判断是否与2^D-1-2相等；如果不等于2^D-1-2，再判断是否与相等；

如此反复直至等于2^D-1-2。

在其中一个实施例中，所述根据所述幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位的步骤包括：

根据相位累加模块的高二位和相位查找表输出的0～π/2之间的相位值还原得到位于第一至第四象限的相位边界值。

在其中一个实施例中，对所述幅度值进行的调整包括增加或减少预设值。

一种直接数字频率合成器，包括：

相位累加模块，用于根据输入的频率控制字计算得到第一相位；

正弦计算模块，用于根据所述第一相位计算得到幅度值；

其特征在于，还包括：

幅度修正模块，用于根据由第一相位得到的幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位，若所述第二相位小于第一相位，则对所述幅度值进行调整后输出；否则输出原幅度值；

模数转换模块，用于根据所述幅度值进行数模转换得到正弦波输出；

其中，对于N位的相位累加模块和D位的数模转换器，所述预设的相位查找表包含2^D-1-1个对应于0～2^D-1-2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N-2位存储。

在其中一个实施例中，所述相位查找表中存储0～π/2之间的相位值及对应的幅度值，对0～π/2之间的多个依次相邻的相角，若其对应的幅值相等，则将该幅值与该多个依次相邻的相角中最大的相角对应存储。

在其中一个实施例中，所述幅度修正模块包括：

存储单元，用于存储相位查找表；

相位调适比较单元，用于根据所述相位查找表获取第二相位，并与所述第一相位比较；

正弦调适单元，用于根据所述相位调适比较单元的比较结果对所述幅度值进行调整。

在其中一个实施例中，所述相位调适比较单元包括：

第一选择器，用于根据相位累加模块的高二位选择0、π和2π中的一个；其中当高二位为01或10时，第一选择器的输出均为π；

第二选择器，用于根据相位累加模块的次高位选择相位查找表的原始输出或原始输出的负值，

第一加法器，用于将第一选择器和第二选择器的输出结果相加；

比较器，用于将所述第一加法器的输出结果与相位累加模块的输出结果进行比较，并输出比较结果。

在其中一个实施例中，所述正弦调适单元包括：

第三选择器，用于根据所述相位调适比较单元的比较结果选择调整值；

第二加法器，用于将第三选择器和正弦计算模块的输出结果相加并输出。

由于传统DDS的处理总是存在相位截断误差，而上述直接数字频率合成方法和直接数字频率合成器，通过对相角的再次比较和处理，能够反映出相位截断的程度，对截断较多的情况进行补偿可减小误差、提高精度。同时，在正弦查找表中经常会是以多个相位对应于同一个正弦值,正弦查找表的深度至少要高于正弦输出的分辨率4倍以上。如果通过增加其精度来减小截断误差，其成本相对较高。而新增的相位查找表是以一个正弦值对应一个相位边界值的方式来建表，因此相位查找表的深度与正弦输出的分辨率相当，可以基于所需的正弦分辨率有效的消除相位误差，而成本也不会很高。

附图说明

图1为一实施例的直接数字频率合成方法流程图；

图2为获得相位查找表的流程图；

图3为一实施例的直接数字频率合成器模块图；

图4为图3中相位调适比较单元的模块图；

图5为图3中正弦调适单元的模块图。

具体实施方式

如图1所示，为一实施例的直接数字频率合成方法流程图。该方法包括以下步骤。

步骤S101：相位累加模块根据频率合成字计算得到第一相位。在DDS中，频率合成字也叫频率控制码，是用户输入的用于控制频率调节的数据。频率合成字存储在频率控制寄存器中。相位累加模块根据频率合成字在每个时钟周期内进行累加，得到一个相位值，本实施例中称为第一相位。

步骤S102：根据所述第一相位，通过预设的正弦查找表查找得到幅度值。预设的正弦查找表是以相位为地址、幅度值为内容的查找表。传统一般采用具有相关功能的芯片实现。在此不赘述。

步骤S103：根据所述幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位。

步骤S104：比较第二相位和第一相位，若第二相位小于第一相位，则执行步骤S105，否则执行步骤S106。

步骤S105：对所述幅度值进行调整后输出。若第二相位小于第一相位，则表示相位截断过多，需要对其幅度值进行一定的补偿以对应到正确的相位或与正确相位更加接近的相位。其中的补偿值是定值。

步骤S106：输出原幅度值。

步骤S107：数模转换器根据输出的幅度值进行数模转换得到正弦波输出。

其中，对于N位的相位累加模块和D位的数模转换器，所述预设的相位查找表包含2^D-1-1个对应于0～2^D-1-2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N-2位存储。

由于传统DDS的处理不包括步骤S103～S106，因此在获得幅值时，总是存在相位截断误差。而通过步骤S103～S106对相角的再次比较和处理，能够反映出相位截断的程度，对截断较多的情况进行补偿可减小误差、提高精度。同时，在正弦查找表中经常会是以多个相位对应于同一个正弦值,正弦查找表的深度至少要高于正弦输出的分辨率4倍以上。如果通过增加其精度来减小截断误差，其成本相对较高。而新增的相位查找表是以一个正弦值对应一个相位边界值的方式来建表，因此相位查找表的深度与正弦输出的分辨率相当，可以基于所需的正弦分辨率有效的消除相位误差，而成本也不会很高。

本实施例中，参考图2，采用如下方法获得预设的相位查找表。

和是相位累加模块在第一象限的相邻数值。从为0开始(此时为1)，判断是否与相等，若二者不相等，则将的末N-2位存入所述相位查找表，并将和同时增加1后再判断是否与2^D-1-2相等；若与相等，直接将和同时增加1后再判断是否与2^D-1-2相等；如果不等于2^D-1-2，再判断是否与相等。如此反复直至等于2^D-1-2。

进一步地，基于上述获得相位查找表的方法，相位查找表可以输出0～π/2之间的相位，实际仅占据第一象限。步骤S103得到第二相位时，还需要根据相位累加模块的高二位和相位查找表输出的0～π/2之间的相位值还原得到位于第一至第四象限的真实相位。例如相位累加模块的高二位可以用00、10、01、11区分出四种情况，分别对应于该相角处于四个象限的其中哪一个。

如图3所示，为一实施例的直接数字频率合成器。该直接数字频率合成器10包括相位累加模块100、正弦计算模块200、幅度修正模块300和模数转换模块400。相位累加模块100根据频率控制字得到第一相位，然后通过正弦计算模块200以预设的正弦查找表获得幅度值，然后幅度修正模块300以预设的相位查找表根据该幅度值获得第二相位，并通过比较第二相位和第一相位的差值情况对该幅度值进行调整以减少第一相位的截断误差。

相位累加模块100用于根据输入的频率控制字计算得到第一相位。在DDS中，频率合成字也叫频率控制码，是用户输入的用于控制频率调节的数据。频率合成字存储在频率控制寄存器中。相位累加模块根据频率合成字在每个时钟周期内进行累加，得到一个相位值，本实施例中称为第一相位。必要时，还相位累加模块100还可接收相位控制字，对初始相位进行调节。

正弦计算模块200用于根据所述第一相位计算得到幅度值。本实施例中，正弦计算模块200根据所述第一相位，通过预设的正弦查找表查找得到幅度值。预设的正弦查找表是以相位为地址、幅度值为内容的查找表。传统一般采用具有相关功能的芯片实现。在此不赘述。

幅度修正模块300用于根据由第一相位得到的幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位，若所述第二相位小于第一相位，则对所述幅度值进行调整后输出；否则输出原幅度值。

具体地，幅度修正模块300包括存储单元310、相位调适比较单元320和正弦调适单元330。存储单元310用于存储相位查找表。其中，对于N位的相位累加模块100和D位的数模转换模块400，所述预设的相位查找表包含2^D-1-1个对应于0～2^D-1-2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N-2位存储。所述相位查找表中存储0～π/2之间的相位值及对应的幅度值，对0～π/2之间的多个依次相邻的相角，若其对应的幅值相等，则将该幅值与该多个依次相邻的相角中最大的相角对应存储，例如若相角2/2^N、3/2^N、4/2^N、5/2^N对应于相同的幅值，则将5/2^N与该幅值对应存储。得到相位查找表的方法可参考图2。

相位调适比较单元320用于根据所述相位查找表获取第二相位，并与所述第一相位比较。正弦调适单元330用于根据所述相位调适比较单元的比较结果对所述幅度值进行调整。

请参考图4，本实施例中，相位调适比较单元320包括第一选择器321、第二选择器322、第一加法器323以及比较器324。

第一选择器321用于根据相位累加模块100的高二位选择0、π和2π中的一个；其中当高二位为01或10时，第一选择器的输出均为π。可以理解，选择值和高二位的对应关系还可以是其他情况。

第二选择器322用于根据相位累加模块100的次高位选择相位查找表的原始输出或原始输出的负值。即第二选择器322可以输出或

第一加法器323用于将第一选择器321和第二选择器322的输出结果相加。

比较器324用于将第一加法器323的输出结果与相位累加模块100的输出结果进行比较，并输出比较结果。

可以看到，当相位累加模块100的高二位为01时，其次高位为1，第一选择器321的输出为π，第二选择器322的输出为则第一加法器323的输出为可以得到第二象限的相位。得到其他象限的相位依此类推。

请参考图5，本实施例中，正弦调适单元330包括第三选择器331和第二加法器332。第三选择器331用于根据相位调适比较单元320的比较结果选择调整值。第二加法器332用于将第三选择器331和正弦计算模块200的输出结果相加并输出。

模数转换模块400用于根据所述幅度值进行数模转换得到正弦波输出。该幅度值可以是修正后的(表示相位截断过大)，也可以是原幅度值(表示相位截断不大)。

由于传统DDS的处理不包括幅度修正模块300，因此在获得幅值时，总是存在相位截断误差。而通过幅度修正模块300对相角的再次比较和处理，能够反映出相位截断的程度，对截断较多的情况进行补偿可减小误差、提高精度。同时，在正弦查找表中经常会是以多个相位对应于同一个正弦值,正弦查找表的深度至少要高于正弦输出的分辨率4倍以上。如果通过增加其精度来减小截断误差，其成本相对较高。而新增的相位查找表是以一个正弦值对应一个相位边界值的方式来建表，因此相位查找表的深度与正弦输出的分辨率相当，可以基于所需的正弦分辨率有效的消除相位误差，而成本也不会很高。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种直接数字频率合成方法，包括以下步骤：

相位累加模块根据频率合成字计算得到第一相位；

根据所述第一相位，通过预设的正弦查找表查找得到幅度值；

根据所述幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位；

若所述第二相位小于第一相位，则对所述幅度值进行调整后输出；否则输出原幅度值；

数模转换器根据输出的幅度值进行数模转换得到正弦波输出；

其中，对于N位的相位累加模块和D位的数模转换器，所述预设的相位查找表包含2^D-1-1个对应于0～2^D-1-2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N-2位存储。

2.根据权利要求1所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，和是相位累加模块在第一象限的相邻数值，获得所述预设的相位查找表的步骤包括：

从为0开始，判断是否与相等，若二者不相等，则将的末N-2位存入所述相位查找表，并将和同时增加1后再判断是否与2^D-1-2相等；若与相等，直接将和同时增加1后再判断是否与2^D-1-2相等；如果不等于2^D-1-2，再判断是否与相等；

如此反复直至等于2^D-1-2。

3.根据权利要求2所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，所述根据所述幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位的步骤包括：

根据相位累加模块的高二位和相位查找表输出的0～π/2之间的相位值还原得到位于第一至第四象限的相位边界值。

4.一种直接数字频率合成器，包括：

相位累加模块，用于根据输入的频率控制字计算得到第一相位；

正弦计算模块，用于根据所述第一相位计算得到幅度值；

其特征在于，还包括：

幅度修正模块，用于根据由第一相位得到的幅度值，通过预设的相位查找表查找得到第二相位，若所述第二相位小于第一相位，则对所述幅度值进行调整后输出；否则输出原幅度值；

模数转换模块，用于根据所述幅度值进行数模转换得到正弦波输出；

其中，对于N位的相位累加模块和D位的数模转换器，所述预设的相位查找表包含2^D-1-1个对应于0～2^D-1-2幅度的相位边界值记录，每个相位边界值采用N-2位存储。

5.根据权利要求4所述的直接数字频率合成器，其特征在于，所述相位查找表中存储0～π/2之间的相位值及对应的幅度值，对0～π/2之间的多个依次相邻的相角，若其对应的幅值相等，则将该幅值与该多个依次相邻的相角中最大的相角对应存储。

6.根据权利要求4所述的直接数字频率合成器，其特征在于，所述幅度修正模块包括：

存储单元，用于存储相位查找表；

相位调适比较单元，用于根据所述相位查找表获取第二相位，并与所述第一相位比较；

正弦调适单元，用于根据所述相位调适比较单元的比较结果对所述幅度值进行调整。

7.根据权利要求6所述的直接数字频率合成器，其特征在于，所述相位调适比较单元包括：

第一选择器，用于根据相位累加模块的高二位选择0、π和2π中的一个；其中当高二位为01或10时，第一选择器的输出均为π；

第二选择器，用于根据相位累加模块的次高位选择相位查找表的原始输出或原始输出的负值，

第一加法器，用于将第一选择器和第二选择器的输出结果相加；

比较器，用于将所述第一加法器的输出结果与相位累加模块的输出结果进行比较，并输出比较结果。

8.根据权利要求6所述的直接数字频率合成器，其特征在于，所述正弦调适单元包括：

第三选择器，用于根据所述相位调适比较单元的比较结果选择调整值；

第二加法器，用于将第三选择器和正弦计算模块的输出结果相加并输出。