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�(shù)字控制振蕩器
閱讀�10641時間�2011-05-20 22:07:47

  �(shù)字控�振蕩�即NCO(N umerically Controlled Oscillator)是用于產生一個理想的、數(shù)字可控的正弦或余弦波的數(shù)字控制式振蕩器,其實�(xiàn)方法有實時計算法和查表法等多�。NCO的目標是產生頻率可變的正、余弦波樣本�(n=0�1�2.)。式�,fLO為本地振蕩頻率,fS為輸入信號的采樣頻率�

概述

  在實際的通信系統(tǒng)中,攜帶�(shù)字信息的信號通常是由某種類型的載波調制方式發(fā)送的,傳送信號的帶寬限制在以載波為中心的一個頻段上,如雙邊帶調制,或在鄰近載波的頻段上,如單邊帶調制。無論何種調制方�,在�(fā)送端均需要一個高頻載波將信息調制上去,以減小信號衰落,相干解調時在接收端也需要一個與�(fā)送端同頻同相的高頻載波將信息從高頻上解調下來。為了產生這個高頻載�,在�(shù)字電路中是采用數(shù)控振蕩器(NCO),也稱為直接�(shù)字頻率合成器〔DDS),它的輸出頻率和相位可以受人為控�,從而滿足各種需��

  實時計算法的正弦波樣本以實時計算產生,該方法因其計算需要耗費很多時間,因而只能產生較低頻率的正弦�,而且存在計算精度與計算時間的矛盾。由于在需要產生高速的正交信號�,實時計算法將無法實�(xiàn)。因�,在實際應用中一般采用最有效、最簡單的查表法,即事先根據(jù)各個NCO正弦波的相位計算好相位的正弦�,并按相位作為地址信息存儲該相位的正弦值數(shù)�(jù)�

組成

  �(shù)控振蕩器一般由基準時鐘(fclk)、相位字寄存�、相位累加器以及幅度/相位轉換電路等部分組成�

  1.相位累加器對輸入頻率控制字M不斷累加,得到以該頻率字為步進的�(shù)字相��

  2.函數(shù)�(fā)生模�,對當前相位進行對應幅度轉換�,可以輸出任意函�(shù)的波彀�

  函數(shù)�(fā)生模塊最直接的實�(xiàn)方法是只讀存儲器查找表(ROM LUT)�,將�、余弦波形的抽樣存放在ROM�,并通過一個DAC周期地進行輸出,從而產生輸出波彀如輸出信號幅度位數(shù)為a,相位地址位數(shù)n所需查找表的大小為a×2n。結合上文結論可�,頻率分辨率越高,所需要的ROM越大,和n為指�(shù)增長關系。可�,ROM LUT法很難兼顧功�、性能、成本三方面,而CORDIC算法的應用能夠很好地解決這一問題�

  3.相位相加器將相位寄存器中的數(shù)字相位與相位控制字相加,得到偏移后的當前相位�

  設系�(tǒng)的時鐘頻率為fc,頻率控制字為M,相位寄存器位數(shù)為N,則�(shù)控振蕩器輸出信號頻率�。根�(jù)Nyquist抽樣定理,fs值為1/2fc,而在實際設計�,一般不應大于時鐘頻率的1/4。其頻率分辨率為,根�(jù)此式,在系統(tǒng)時鐘頻率不變的情況下,相位寄存器位數(shù)N越大,產生信號的頻率分辨率越��

性能參數(shù)

  NCO的性能指標包括信號頻率分辨�、信噪比(SNR)、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)和輸出的信號正交�。這些性能指標取決于NCO的數(shù)�(jù)位數(shù)。NCO的數(shù)�(jù)位數(shù)包括用于表示相位�(shù)�(jù)的位�(shù)n和表示相位的正弦值數(shù)�(jù)的位�(shù)nb,二者之間存在nb取決于n的關�,且前者必須能夠表示相位變化時其相位正弦值變化的最小值和值。而這又分為兩種情況�

  種情況是相位最小變化值的正弦值最小變化發(fā)生在π/2-△φ~π/2,π/2~π/2+△φ,3π/2-△φ~3π/2�3π/2�3π/2+△�,同時其相位的取值是�0�2π間且等間隔地分為2n爪取值點,因此,由正弦波的特性可知:只需要討論相位在π/2-△φ與π/2取值點的正弦值之��

  第二種情況是相位最小變化值的正弦值的變化�(fā)生在0~△φ,π-△φ~π,π~π+△��2π-△φ~2π取值點�。該情況可以通過類似于種情況的推導方法得��

  NCO的噪聲是因為存在正弦值的量化誤差而引入的,且量化誤差由表示正弦值的位數(shù)決定�

原理

  下圖� NCO 的工作原理框�:

數(shù)字控制振蕩器的原理

  �(shù)控振蕩器一般由基準時鐘(fclk)、相位字寄存�、相位累加器以及幅度/相位轉換電路等部分組�。在基準時鐘的作用下,每一個時鐘周期存貯在相位字寄存器里的值都由相位累加器進行累加,相位果加器的輸出作為查找表的輸�,從而得到相對應的幅度值。根�(jù)奈奎斯特采樣定律,輸出信號的頻率應小于基準時鐘的 1/2�

  相位累加器輸�(△�)的數(shù)值和系統(tǒng)的頻�(fclk)決定了輸出頻�(fout),它門的關系如�:

  N是相位寄存器的位�(shù),N 值的大小決定了頻率分辨率(fres ),有

  在這里假設,fclk=128MHz, N=32,可以計算出 NCO 的頻率分辨率

  fres=0.0298Hz

  相位累加器是決定 NCO 電路性能的一個關鍵部�。我們可以采用了Altera的加法器宏功能模塊形成一�32bit的累加器,它以流水線處理方式進行工作�

  相位/� 度轉換電路是NCO 電路中的另一個關鍵部分,在設計中面臨的主要問題就是資源的開銷�

  一般電路采用ROM 結構,相位累加器的輸出是一種數(shù)字式鋸齒�,通過取它的若干位作為 ROM的地址輸人,而后通過查表和運�,ROM就能輸出所需波形的量化數(shù)�(jù)�

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