紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法

技术领域

本公开涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种可大面积压缩ROM尺寸的紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法。

背景技术

随着现代通信产业和混合信号领域的迅速发展，DDS(Direct DigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器)得到了更加广泛的应用，人们不断提高对信号源的各项标准，要求信号源更高的稳定性，频率切换速度、频率分辨率以及更小的尺寸。频率合成器在诸如灵活时钟合成、蜂窝基站跳频合成器和雷达系统等宽带频率生成应用中发挥主导作用。

传统的DDS输出信号的纯度取决于存储在只读存储器(ROM)中值的分辨率，增加ROM中数据的分辨率是可行的，但有时更高的分辨率意味着更大的ROM尺寸，然而随着ROM尺寸的增加，访问速度和最大输出频率就会降低，更大的ROM尺寸也意味着更高的功耗、更低的可靠性和更大的成本，因此在满足高分辨率的情况下压缩ROM的尺寸具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法，以缓解现有技术中DDS在满足ROM中高分辨率的情况下功耗较高、可靠性较低、成本更大等技术问题。

(二)技术方案

本公开的一个方面，提供一种紧凑型直接数字式频率合成器，包括：相位生成模块，用于对选取的频率控制字进行循环求和累加，得到完整周期的相位数据；正弦波生成模块，与所述相位生成模块相连，用于将相位数据转换成完整周期的数字正弦波数据；数模转换模块，与所述正弦波生成模块相连，用于将所述数字正弦波数据转换为模拟信号并输出；其中，所述相位数据包括映射数据所需地址位，以及控制所述正弦波的频率；所述正弦波生成模块，包括：第一补偿器，第二补偿器，第三补偿器，第一复用器，第二综合复用器，ROM查找表；其中，所述第一补偿器用于扩展四分之一周期到二分之一周期部分的正弦波数据，第二补偿器用于扩展四线近似算法中数据1/8周期到1/4周期的扩展，第三补偿器用于扩展1/2周期向整个周期的扩展；第一复用器用于调整MSB和第二个MSB的值以完成基于QLA算法后1/8周期到1/4周期的数据，第二综合复用器用于完成ROM表列地址位的选择以完成相位到幅度的映射；ROM查找表用于保存基于正弦对称算法、改进桑德兰算法、正弦相位差算法、四线近似算法、以及量化和误差ROM算法后的正弦波数据。

根据本公开实施例，所述相位生成模块，包括：

32位寄存器，用于存储32位的频率控制字；

复用器，用于选择32位的频率控制字；

加法器，用于将频率控制字与和位进行累加；

则正弦的频率为：

其中，Δp为频率控制字，f

根据本公开实施例，ROM查找表用于保存基于正弦对称算法、改进桑德兰算法、正弦相位差算法、四线近似算法、以及量化和误差ROM算法后的正弦波数据。

根据本公开实施例，所述正弦波生成模块还包括：正弦对称算法单元，改进桑德兰算法单元，正弦相位差算法单元，四线近似算法单元，量化和误差ROM算法单元，coarseROM，fine ROM；其中，

正弦对称算法单元，用于全周期的数据压缩，将整个周期的数据压缩至四分之一周期；

改进桑德兰算法单元，用于将四分之一正弦信息分置于coarseROM和fine ROM中，

根据：sin(α+β+γ)＝sin(α+β)cos(γ)+cos(α+β)sin(γ)

≈sin(α+β)+cos(α)sin(γ)；

四分之一正弦地址位等效为α+β+γ，其中α为最高有效位，β为中间位，γ为最低有效位，sin(α+β)保存在coarse ROM中，cos(α)sin(γ)保存在fine ROM中；

正弦相位差算法单元，根据：

sinθ为正弦波的幅度值，θ为coarse ROM的地址位，d(θ)为计算后所得差值；

四线近似算法单元用于进一步减小ROM表中所储存的幅度值，

根据：

q

根据：

sinθ的幅度值通过正弦相位差算法以及四线近似算法优化后，最大值仅为原来的0.055倍；

量化和误差ROM算法单元，用于存储sinθ经过以上算法优化后的幅度值，其中，包括对coarse ROM量化后的Q-ROM和E-ROM，以及对fine ROM量化后的Q-ROM和E-ROM，根据：

T＝2

计算ROM的总大小T，S为幅度量化后Q-ROM所对应的地址位，Q为Q-ROM的输出位，E-ROM为原始数据与量化后数据的误差，A为E-ROM的地址位，E位输出位。

根据本公开实施例，所述正弦对称单元利用正弦函数的四分之一对称性，在保存四分之一正弦信息的条件下通过改变地址最高有效位和次高有效位的值完成整个周期正弦数据的重建，实现数据的第一次压缩。

根据本公开实施例，四分之一的正弦信息通过改进桑德兰算法将分别存入coarseROM和fine ROM实现数据的第二次压缩；

Coarse ROM中的数据依次与正弦相位差算法和四线近似算法所代表的近似正弦值作差，所得误差值进一步通过量化误差ROM算法将数据存储到Q-ROM和E-ROM实现coarseROM的最后压缩；

fine ROM中的数据通过量化误差ROM算法将数据存储到Q-ROM和E-ROM实现fineROM的压缩。

根据本公开实施例，在对频率控制字循环求和的过程中相位生成模块生成一个周期的相位值。

根据本公开实施例，量化和误差ROM算法单元中E-ROM的尺寸小于Q-ROM。

本公开的另一方面，提供一种基于以上任一项所述紧凑型直接数字式频率合成器的正弦数据压缩方法，包括：利用相位生成模块进行频率控制字的累加，得到得到完整周期的相位数据，所述相位数据包括映射数据所需地址位；利用正弦对称算法对整个周期的相位数据压缩到四分之一周期，并取出最高两个有效位完成从四分之一周期到整个周期数据的重建。

根据本公开实施例，上述数据压缩方法，包括：相位累加阶段，相位分割阶段，数据压缩阶段，数据重建阶段；其中：

在相位累加阶段，通过32位寄存器接入复用器，复用器连接内置寄存器的加法器，循环累加后的数据截取高16位数据有效位接入改进桑德兰算法单元；

在相位分割阶段，16位地址位等效为α+β+γ，将α接入carese ROM以及fine ROM的行编码器，β、γ接入第二综合复用器；

在数据压缩阶段，正弦相位差算法单元的输出与四线近似算法单元的数据做差后保存在coarse ROM中，coarse ROM和fine ROM分别接入量化误差算法算元；

数据重建阶段，改进桑德兰算法单元的输出接入第一补偿器，其中高有效位α接入行编码器，coarse ROM与fine ROM中Q-ROM共用同一个行编码器；β接入coase ROM所述第二综合复用器，γ接入fine ROM所述第二综合复用器；α+β接入第二补偿器，所述第二补偿器接入第一复用器；α+β、第一复用器、coase ROM、fine ROM接入综合加法器，所述综合加法器接入第三补偿器。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够满足存储在只读存储器(ROM)中值的分辨率情况；

(2)功耗低，可靠性高，对存储正弦数据的静态存储器的尺寸进行压缩并完成全周期正弦波的重建，使得尺寸压缩达到95％、具有较高的输出带宽；

(3)成本低。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例提供的紧凑型直接数字式频率合成器的组成框图；

图2示意性示出了根据本公开实施例提供的紧凑型直接数字式频率合成器的工作原理图。

图3示意性示出了根据本公开实施例提供的正弦波生成模块的工作原理及组成图。

具体实施方式

本公开提供了一种紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法，能够满足存储在只读存储器(ROM)中值的分辨率情况下，具有更低的功耗和成本，具有更高的可靠性。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种紧凑型直接数字式频率合成器，结合图1和图3所示，所述紧凑型直接数字式频率合成器，包括：

相位生成模块，用于对选取的频率控制字进行循环求和累加，得到完整周期的相位数据；

正弦波生成模块，与所述相位生成模块相连，用于将相位数据转换成完整周期的数字正弦波；

数模转换模块，用于将所述数字正弦波转换为模拟信号并输出；

其中，所述相位数据包括映射数据所需地址位，以及控制正弦波的频率。

其中，所述相位生成模块，包括：

32位寄存器，用于存储32位的频率控制字；

复用器，用于选择32位的频率控制字；

加法器，用于将频率控制字与和位进行累加；

则正弦的频率为：

其中，Δp为频率控制字，f

相位累加器(加法器)对32位的频率控制字进行累加求和，取16位的最高有效位进行相位截断，然后在这16位的数据中分别取出最高和次高有效位分别用于控制正弦数据增长或减小的单调性以及数据在第一、二和第三、四象限的正负。相位累加器的输出形状为直角三角形的一个斜边，取出最高两位有效位后输出形状变为4个锯齿状小三角形，然后将14位数据以及第二个MSB(Most Significant Bit，最高有效位)输入进第一补偿器，输出形状两个等腰三角形的斜边，经过ROM表后输出形状为两个正半周期的圆弧，然后将MSB和ROM的输出连接第二补偿器输出为一个完整周期的数字正弦波，自此完成整个周期正弦数据的重建，第二补偿器连接数模转换器将数字信号转换为模拟信号。

所述正弦波生成模块，包括：第一补偿器，第二补偿器，第三补偿器，第一复用器，第二综合复用器，ROM查找表；

其中，所述第一补偿器用于扩展四分之一周期到二分之一周期部分的正弦波数据，第二补偿器用于扩展四线近似算法中数据1/8周期到1/4周期的扩展，第三补偿器用于扩展1/2周期向整个周期的扩展；第一复用器用于调整最高和次高有效位的值以完成基于QLA算法后1/8周期到1/4周期的数据，第二综合复用器用于完成ROM表列地址位的选择以完成相位到幅度的映射；ROM查找表用于保存基于正弦对称算法、改进桑德兰算法、正弦相位差算法、四线近似算法、以及量化和误差ROM算法后的正弦波数据。

如图3所示，正弦波生成模块包括正弦对称算法单元、改进桑德兰算法单元、正弦相位差算法单元、四线近似算法单元以及量化误差ROM算法单元。其中，正弦对称算法单元用于完成四分之一周期数据到全周期数据的扩展。改进桑德兰算法单元用于将存储四分之一周期数据的ROM分成coarse ROM和fine ROM分别存放。正弦相位差算法单元和四线近似算法单元用于对coarse ROM中的数据进一步压缩，此时coarse ROM存储作差后的误差值。量化和误差ROM算法单元用于对此时coarse ROM和fine ROM中的数据进行量化以再次缩减地址位和数据位。

具体的过程可以为：

改进桑德兰算法通过将地址位分割成α、β、γ：根据：

sin(α+β+γ)＝sin(α+β)cos(γ)+cos(α+β)sin(γ)

≈sin(α+β)+cos(α)sin(γ)；

四分之一正弦地址位等效为α+β+γ，其中α为最高有效位，β为中间位，γ为最低有效位，sin(α+β)保存在coarse ROM中，cos(α)sin(γ)保存在fine ROM中；coarse ROM对应的地址位为α和β，fine ROM对应的地址位为α和γ，所以原ROM中的大部分数据本存储在coarse ROM中。

粗ROM中的数据通过正弦相位差算法与四线近似算法继续压缩。其中：正弦相位差算法单元，根据：

d(θ)正弦相位差所代表的函数，其中，θ为α+β所对应的地址位，sinθ为0到π/2范围内正弦波的(sin函数)的幅度值，

根据：

其中q

减去正弦相位差和四线近似算法的幅度之后，最大幅值仅有原来的0.055倍。其中四线近似算法的q

根据：

T＝2

其中S为Q-ROM的地址位，Q为输出。A为E-ROM的地址位，E为输出；

本公开另一方面，还提供一种基于紧凑型直接数字式频率合成器的正弦数据压缩方法，包括：利用相位生成模块进行频率控制字的累加，得到用于ROM表寻址的地址位；利用正弦对称算法对整个周期的数据压缩到四分之一周期，并去取出最高两个有效位完成从四分之一周期到整个周期数据的重建；利用改进桑德兰算法将保存四分之一周期正弦信息的ROM分成两个ROM表coarse ROM和fine ROM分别保存；利用正弦相位差和四线近似算法对coarse ROM的尺寸进一步压缩，此时的coarse ROM保存作差后的误差值；利用量化误差ROM算法分别对coarse ROM与fine ROM进行量化，并将量化后的数据保存在Q-ROM，量化所产生的的误差保存在E-ROM；

根据本公开实施例，上述数据压缩方法，包括：相位累加阶段，相位分割阶段，数据压缩阶段，数据重建阶段；其中：

在相位累加阶段，通过32位寄存器接入复用器，复用器连接内置寄存器的加法器，循环累加后的数据截取高16位数据有效位接入改进桑德兰算法单元；

在相位分割阶段，16位地址位等效为α+β+γ，将α接入carese ROM以及fine ROM的行编码器，β接入coarse ROM的列编码器，γ接入fine ROM的列编码器；

在数据压缩阶段，正弦相位差算法单元的输出与四线近似算法单元的数据做差后保存在coarse ROM中，coarse ROM和fine ROM分别接入量化误差算法算元；

数据重建阶段，改进桑德兰算法单元的输出接入第一补偿器，其中高有效位α接入行编码器，coarse ROM与fine ROM中Q-ROM共用同一个行编码器；β接入coase ROM所述第二综合复用器，γ接入fine ROM所述第二综合复用器；α+β接入第二补偿器，所述第二补偿器接入第一复用器；α+β、第一复用器、coase ROM、fine ROM接入综合加法器，所述综合加法器接入第三补偿器。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开紧凑型直接数字式频率合成器及正弦数据压缩方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种紧凑型直接数字式频率合成器，包括：相位生成模块，用于对频率控制字进行累加，取累加后的数据作为波形存储器的相位采样地址；正弦波生成模块，用于将保存在静态存储器(ROM)里的正弦波形采样值经查找表找出，包括ROM查找表、第一补偿器，第二补偿器，第三补偿器以及第一复用器，第二综合复用器；其中第一补偿器用于扩展1/4周期到1/2周期部分的正弦波数据，第二补偿器用于扩展QLA中sine数据1/8周期到1/4周期的扩展，第三补偿器用于扩展1/2周期向整个周期的扩展；第一复用器用于调整最高和次高有效位的值以完成QLA中1/8周期到1/4周期的数据；第二综合复用器于大ROM中列地址位的选择；ROM用于存储经采样后正弦波的幅度值；本发明对存储正弦数据的静态存储器的尺寸进行压缩并完成全周期正弦波的重建，尺寸压缩达到95％、具有较高的输出带宽。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。