專利名稱：數(shù)控振蕩器及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控振蕩器。
背景技術(shù)：
數(shù)控振蕩器是用于響應(yīng)于數(shù)字信號來合成一系列頻率的電子系統(tǒng)。由數(shù)控振蕩器產(chǎn)生的頻率范圍與輸入的數(shù)字信號的位分辨率以及用于控制數(shù)控振蕩器的時(shí)鐘有關(guān)。具體而言，作為奈奎斯特定理的結(jié)果，所產(chǎn)生的頻率小于用于控制數(shù)控振蕩器的時(shí)鐘頻率的一半。
圖1示出了由N位頻率字102(Freq(k))控制的數(shù)控振蕩器100。具體而言，頻率字102定義數(shù)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(shí)鐘控制以定義振蕩器100的時(shí)基。相位累加器101將輸入的頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相位信號103(Φ(k))。相位信號103被提供到相位振幅轉(zhuǎn)換器104。數(shù)字相位信號103通常在只讀存儲器(ROM)結(jié)構(gòu)中用作存儲位置的索引。ROM結(jié)構(gòu)在各個(gè)位置上的內(nèi)容包含對應(yīng)于sin(Φ(k))的數(shù)字值，以產(chǎn)生數(shù)字振幅信號105。數(shù)字振幅信號105被提供到數(shù)模轉(zhuǎn)換器106，從而產(chǎn)生其頻率與頻率字102相關(guān)的模擬波形。
如果需要較高的精確度，用于執(zhí)行相位到振幅轉(zhuǎn)換的ROM結(jié)構(gòu)的使用則需要略微大量的存儲器。通常，相位振幅轉(zhuǎn)換器104的實(shí)現(xiàn)方式截短相位信號103(即丟掉多個(gè)最低有效的位)，從而減少必需的存儲器數(shù)量。相位信號103的截短會在數(shù)字振幅信號105中產(chǎn)生誤差。數(shù)字振幅信號105中的該誤差還會在模擬輸出信號中產(chǎn)生雜散信號(spur)。
已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多機(jī)制來嘗試減輕由相位信號103的截短而產(chǎn)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(jìn)行編程?？商鎿Q地，如美國專利No.4,905,177所描述的，可以使用冪級數(shù)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(yīng)用三角展開來構(gòu)建改良的近似，其中三角展開的組合項(xiàng)被放置在各個(gè)ROM中以用于求和。而且，如美國專利No.5,757,253所描述的，可以應(yīng)用重復(fù)算法(repetitive algorithm)來產(chǎn)生改良的近似。雖然所有這些機(jī)制減輕了與截短相關(guān)聯(lián)的誤差，但是在數(shù)字振幅信號105中誤差的階數(shù)保持不變。誤差傳播到模擬輸出信號。

發(fā)明內(nèi)容
代表性實(shí)施例關(guān)注于數(shù)控振蕩器以及操作方法。代表性實(shí)施例能夠通過利用三角恒等式來減少數(shù)控振蕩器的ROM單元所使用的存儲器總量。在一個(gè)代表性實(shí)施例中，相位振幅轉(zhuǎn)換器接收來自相位累加器的數(shù)字相位信號(用Φ代表)。接收到的數(shù)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(zhuǎn)換器包括用于存儲對應(yīng)于Φ的最高有效位(用θc代表)的正弦和余弦值的第一組ROM單元。所述相位振幅轉(zhuǎn)換器包括用于存儲對應(yīng)于Φ的較低有效位(用θf代表)的正弦和余弦值的第二組ROM單元。由ROM單元獲得的正弦和余弦值被根據(jù)sin(θc)·cos(θf)+sin(θf)·cos(θc)而組合起來，從而產(chǎn)生數(shù)字振幅信號。此外，為了減少與ROM單元相關(guān)聯(lián)的存儲器量而使用三角恒等式，這不會降低相位到振幅轉(zhuǎn)換的精確度。具體而言，三角恒等式的使用不包含任意算術(shù)誤差。


圖1示出了已知的數(shù)控振蕩器。
圖2示出了根據(jù)一個(gè)代表性實(shí)施例的數(shù)控振蕩器。
圖3示出了根據(jù)另一代表性實(shí)施例的IQ數(shù)控振蕩器。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖2示出的一個(gè)代表性實(shí)施例，數(shù)控振蕩器200接收輸入數(shù)字信號102(Freq(k))來控制振蕩器的操作頻率。輸入數(shù)字信號102使用位寬48位的總線來傳輸。相位累加器101對輸入數(shù)字信號102進(jìn)行累加，從而產(chǎn)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(yīng)于位[27:0]的總線210的線路被終止，而沒有連接到相位振幅轉(zhuǎn)換器250。被截短的信號212(Φ′(k))對應(yīng)于位[47:28]。該截短是根據(jù)與后續(xù)相位到振幅轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的所需精確度水平而發(fā)生的。在可替換的實(shí)施例中，可以將來自相位累加器101的所有位都用于相位到振幅轉(zhuǎn)換。如下面將更詳細(xì)描述的，假設(shè)用于相位到振幅轉(zhuǎn)換的位數(shù)相同，代表性實(shí)施例可以減少ROM存儲器的數(shù)量，而不會出現(xiàn)任意算術(shù)誤差。
此外，截短信號212被分成“粗糙”部分(θc)和“精細(xì)”部分(θf)?？偩€210的對應(yīng)于“粗糙”位[47:38]的線路和對應(yīng)于“精細(xì)”位[37:28]的線路被提供到相位振幅轉(zhuǎn)換器250內(nèi)分離的組件。
相位振幅轉(zhuǎn)換器250能夠減小ROM單元201-204的尺寸，而不會降低數(shù)字振幅信號211(V(k))的計(jì)算精度。具體而言，相位振幅轉(zhuǎn)換器250使用等式(1)的三角恒等式。
(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(shí)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，并且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(yīng)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(yīng)的余弦值。因此，總線210的與位[47:38]相關(guān)聯(lián)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(dāng)?shù)恼液陀嘞抑?。ROM單元203和204分別存儲與Φ′的最低有效位(θf)相關(guān)聯(lián)的正弦和余弦值。總線210的與位[37:28]相關(guān)聯(lián)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(dāng)?shù)恼液陀嘞抑怠?br> 使用等式(1)的三角恒等式，來自ROM單元201的正弦值和來自ROM單元204的余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的余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(chǎn)生數(shù)字振幅信號211(V(k))。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)106將數(shù)字振幅信號211轉(zhuǎn)換成模擬信號?？商鎿Q地，在數(shù)模轉(zhuǎn)換之前，可能發(fā)生其他處理。例如，如果特定應(yīng)用需要，則可以在數(shù)字域中執(zhí)行振幅調(diào)制。相似地，可以通過適當(dāng)?shù)靥幚硐辔恍盘?03來執(zhí)行相位調(diào)制。可以通過適當(dāng)?shù)靥幚眍l率輸入數(shù)字信號102來執(zhí)行頻率調(diào)制。
通過根據(jù)圖2所示的代表性實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)相位振幅轉(zhuǎn)換器250，ROM單元201-204包括了略微少量的存儲器。具體而言，如果采用單個(gè)ROM單元來提供對N位相位信號的相位到振幅轉(zhuǎn)換，該單個(gè)ROM則需要2N個(gè)條目。相位振幅轉(zhuǎn)換器250的實(shí)現(xiàn)方式使用四個(gè)分離的ROM單元。這四個(gè)ROM單元中的每一個(gè)都包括2N/2個(gè)條目。這樣，存儲器節(jié)省總量為0.25×2N/2＝2N/2-2。對于N＝20，在存儲器總量中的減少因子是256。而且，除代表性實(shí)施例之外，還可以使用已知的用于使用正弦函數(shù)在0到2π上的對稱性來減小ROM單元的存儲器需求的技術(shù)。
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(zhuǎn)換器250使用的等式(1)是三角恒等式，并且不是一種近似。這樣，與ROM單元204-204相關(guān)聯(lián)的存儲器量的減少不會導(dǎo)致相位到振幅轉(zhuǎn)換中的任意誤差。相反，減少用于相位到振幅轉(zhuǎn)換的存儲器數(shù)量的已知近似方法包含固有的算術(shù)誤差。通過實(shí)現(xiàn)圖2所示的數(shù)控振蕩器200，并且通過利用合適的特性(精確度、線性、穩(wěn)定特性、時(shí)間特性等等)使用DAC 106，對于100MHz或更高頻率的操作，可以獲得在-90dBc數(shù)量級上或者更好的雜散電平。圖2所示的各種數(shù)字信號的位分辨率對于雜散電平的降低不重要。根據(jù)適合于特定應(yīng)用的代表性實(shí)施例，可以做出其他合適的位選擇。
圖3示出了根據(jù)一個(gè)代表性實(shí)施例的IQ數(shù)控振蕩器300。IQ數(shù)控振蕩器300的前端與數(shù)控振蕩器200的前端相似。IQ數(shù)控振蕩器300的輸出與數(shù)控振蕩器200的輸出有所不同。具體而言，IQ數(shù)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?yàn)椴恍枰郊拥腞OM單元來產(chǎn)生I和Q信道，因此IQ數(shù)控振蕩器300的配置是高效的。通過使用相同的ROM單元來創(chuàng)建I和Q信道，與單個(gè)ROM查找實(shí)現(xiàn)方式相比的存儲器減少可以進(jìn)一步提高到2N/2-1。
為了在數(shù)字域中計(jì)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(chǎn)生。I信道(Vcos(k)308)由加法器306產(chǎn)生，該加法器306將乘法器301的輸出的負(fù)值與乘法器304的輸出相加。利用DAC 106a對Q信道執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。同樣，由DAC 106b對I信道執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。適應(yīng)于特定應(yīng)用，在數(shù)模轉(zhuǎn)換之前，可能在數(shù)字域中出現(xiàn)其他合適的信號處理。
代表性實(shí)施例能夠減少用于數(shù)控振蕩器的ROM單元的存儲器總量。代表性實(shí)施例還能夠通過用三角恒等式取代數(shù)值近似，來以更精確的方式執(zhí)行相位到振幅轉(zhuǎn)換。此外，與相位到振幅轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的精確度減輕了在從數(shù)控振蕩器中得到的模擬信號中出現(xiàn)的雜散信號的影響。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控振蕩器，包括相位累加器，用于接收輸入的數(shù)字字；以及相位振幅轉(zhuǎn)換器，該相位振幅轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器計(jì)算所述第一和第二相位信號中的每一個(gè)的正弦值和余弦值，所述相位振幅轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生(i)所述第一相位信號的正弦值和所述第二相位信號的余弦值的乘積與(ii)所述第二相位信號的正弦值和所述第一相位信號的余弦值的乘積的和，其中所述相位振幅轉(zhuǎn)換器將所述和作為振幅信號輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)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(quán)利要求2所述的數(shù)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(quán)利要求2所述的數(shù)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(gè)最高有效位，并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(gè)較低有效位。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)控振蕩器，其中所述相位振幅轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)只讀存儲器單元，用于獲得正弦和余弦值。
6.一種使用數(shù)字電路來產(chǎn)生振蕩器信號的方法，包括響應(yīng)于輸入的數(shù)字信號來操作累加器邏輯，從而產(chǎn)生第一數(shù)字相位信號；將所述第一數(shù)字相位信號劃分成第二和第三數(shù)字相位信號；計(jì)算對于所述第二數(shù)字相位信號的第一正弦和余弦值；計(jì)算對于所述第三數(shù)字相位信號的第二正弦和余弦值；并且操作加法器對(i)所述第一正弦值和所述第二余弦值的乘積與(ii)所述第二正弦值和所述第一余弦值的乘積求和，來產(chǎn)生輸出數(shù)字值，從而產(chǎn)生數(shù)字振幅信號。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括操作數(shù)模轉(zhuǎn)換器對所述輸出數(shù)字值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生所述振蕩器信號。
8.如權(quán)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(shù)字相位信號，所述第一組位是所述第一數(shù)字相位信號的最高有效位。
9.如權(quán)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(shù)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(shù)字相位信號。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述計(jì)算第一正弦和余弦值和計(jì)算第二正弦和余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(nèi)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(shù)控振蕩器，包括用于累加數(shù)字信號，從而產(chǎn)生第一數(shù)字相位信號的裝置；以及用于使用從所述第一數(shù)字相位信號中獲得的第二和第三數(shù)字相位信號來產(chǎn)生數(shù)字振幅信號的裝置，其中所述用于產(chǎn)生的裝置將所述數(shù)字振幅信號作為(i)所述第二數(shù)字相位信號的正弦值和所述第三數(shù)字相位信號的余弦值的乘積與(ii)所述第三數(shù)字相位信號的正弦值和所述第二數(shù)字相位信號的余弦值的乘積的和來計(jì)算。
12.如權(quán)利要求11所述的數(shù)控振蕩器，還包括耦合到所述用于累加的裝置的總線，該總線用于傳輸所述第一數(shù)字相位信號。
13.如權(quán)利要求12所述的數(shù)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(jì)算元件和第一余弦計(jì)算元件，并且所述總線中的第二組線路被耦合到第二正弦計(jì)算元件和第二余弦計(jì)算元件。
14.如權(quán)利要求13所述的數(shù)控振蕩器，其中所述第一和第二正弦計(jì)算元件和所述第一和第二余弦計(jì)算元件包括各自的只讀存儲器單元。
15.如權(quán)利要求14所述的數(shù)控振蕩器，其中所述第一和第二正弦計(jì)算元件和所述第一和第二余弦計(jì)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(tǒng)，包括相位累加器，用于接收輸入的數(shù)字字；以及相位振幅轉(zhuǎn)換器，該相位振幅轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器計(jì)算所述第一相位信號的第一正弦和余弦值，以及所述第二相位信號的第二正弦和余弦值，所述相位振幅轉(zhuǎn)換器對(i)所述第一正弦值和所述第二余弦值的乘積與(ii)所述第二正弦值和所述第一余弦值的乘積求和，從而產(chǎn)生第一輸出信號，所述相位振幅轉(zhuǎn)換器將(i)所述第一和第二正弦值的乘積從(ii)所述第一和第二余弦值的乘積中減去，從而產(chǎn)生第二輸出信號。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，還包括存儲了正弦和余弦值的多個(gè)只讀存儲器單元。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，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(gè)最高有效位來定義，并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(gè)較低有效位來定義。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)只讀存儲器單元中的第一對只讀存儲器單元存儲了對應(yīng)于所述最高有效位的正弦和余弦值，并且所述多個(gè)只讀存儲器單元中的第二對只讀存儲器單元存儲了對應(yīng)于所述較低有效位的正弦和余弦值。
20.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，還包括第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將所述第一輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將所述第二輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明關(guān)注于數(shù)控振蕩器。該數(shù)控振蕩器包括相位累加器，用于接收輸入的數(shù)字字；以及相位振幅轉(zhuǎn)換器，該相位振幅轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器計(jì)算第一和第二相位信號中的每一個(gè)的正弦值和余弦值，所述相位振幅轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生(i)第一相位信號的正弦值和第二相位信號的余弦值的乘積與(ii)第二相位信號的正弦值和第一相位信號的余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(yōu)先權(quán)日2004年6月14日
發(fā)明者布雷恩·M·米勒 申請人:安捷倫科技有限公司