CN102468845B - 一种消除数控振荡器的频率偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除数控振荡器的频率偏移的方法，该方法包括：根据数控振荡器中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，计算所述三种频率的公因子；从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率；根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，设置所述数控振荡器中的波形存储器和相位累加器。通过使用上述的方法，可有效地消除NCO的频率偏移，实现完全无频偏的NCO，提高NCO的杂散性能，降低NCO的设计复杂度，节约系统的资源，降低生产成本。

Description

一种消除数控振荡器的频率偏移的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是指一种消除数控振荡器的频率偏移的方法。

背景技术

目前，随着通信技术的飞速发展，数字技术已经越来越多地应用到各种通信产品之中。而随着数字频率合成技术的发展，数控振荡器（NCO）由于具有频率分辨率高、切换时间短、相位噪声低等特点，已经在通信系统中得到了非常广泛的应用。

在现有技术中，NCO是一种高精度的正、余弦数字信号发生器，可以将第一频率的输入信号转换成第二频率的输出信号，从而产生正交的正弦信号和余弦信号。一般来说，目前NCO的实现方法有三种：查表法、实时计算法以及上述两种方法的结合。以下将以查表法为例对NCO的结构和原理进行简单地介绍。

图1为现有技术中的数控振荡器的结构示意图。如图1所示，现有技术中的NCO一般包括：相位累加器101和波形存储器（ROM）102。NCO的工作原理一般为：首先根据各个正、余弦波相位计算好相位的正余弦函数值，并以相位为地址将上述正余弦函数值样本存储在ROM中；然后，相位累加器101接收外界输入的频率控制字，并在每一个时钟脉冲输入时，把所接收的频率控制字进行累加，得到每个时钟周期所对应的数字相位；接着，再以上述数字相位为地址，在ROM中所存储的正余弦函数值进行查找，得到与上述数字相位相对应的正余弦函数值，并最终输出与所查找的正余弦函数值相应的、正交的正弦信号和余弦信号。

在一般通信系统中，实际使用中的NCO一般都存在一定的频率偏移（可简称为频偏，下同），其原因在于：由于对于实际使用中的NCO的频率精度的要求很高，因此，在对NCO进行设计时，NCO的最小频率分辨率一般都被设计得很小（例如，一般都小于0.1Hz）。当NCO的最小频率分辨率很小时，必然要求NCO中的ROM中最好是能存储有所有的与各种相位对应的正余弦函数值。然而，由于系统资源有限，因此NCO中的ROM的存储容量不能太大，相位累加器的长度也不能很大，所以当NCO的最小频率分辨率很小时，ROM中不可能存储与所有可能的相位相对应的正余弦函数值，而只能存储一定数量的正余弦函数值。因此，此时NCO的输出信号的频率只能是与数字相位对应的相似的频率，而并不是准确的所需输出的频率，从而使得NCO的输出频率与所需输出的频率之间存在频率偏移。

由上可知，在现有技术中，实际使用中的NCO如果要达到系统的要求，都难以有效地消除频率偏移，以实现完全无频偏的NCO，从而降低了系统的性能，而且还需占用大量的系统资源；同时，现有技术中的NCO由于最小分辨率很小，因此设计复杂度也很大，从而也提高了相应的生产成本。

发明内容

本发明提供了一种消除数控振荡器的频率偏移的方法，从而消除NCO的频率偏移，实现了完全无频偏的NCO。

为达到上述目的，本发明中的技术方案是这样实现的：

一种消除数控振荡器的频率偏移的方法，该方法包括：

根据数控振荡器中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，计算所述三种频率的公因子；

从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率；

根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，计算一个完整的采样周期中的所有采样点的总数目；

在波形存储器中设置一个存储有预设数目的采样点数据的波形查找表，并根据所存储的采样点数据的数目设置所述相位累加器的长度。

所述中频频率和本振频率为所述数控振荡器中所使用的最小中频频率和最小本振频率；所述系统的输出频率为系统的最小输出频率。

所述计算所述三种频率的公因子包括：计算所述三种频率的最大公因子。

所述从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率包括：

从所计算的公因子中选择任意一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率。

所述从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率包括：

从所计算的公因子中选择最大公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率。

所述预设数目的采样点数据为一个完整的采样周期中的所有的采样点数据。

所述预设数目的采样点数据为一个完整的采样周期中的角度在[0，π/4]区间内的采样点数据。

综上可知，本发明中提供了一种消除数控振荡器的频率偏移的方法。在所述消除数控振荡器的频率偏移的方法中，由于将根据数控振荡器中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，计算所述三种频率的公因子；然后将所计算的公因子的值作为数控振荡器的最小频率分辨率；并根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，设置所述数控振荡器中的波形存储器和相位累加器，从而可有效地消除NCO的频率偏移，实现了完全无频偏的NCO，提高了NCO的杂散性能，降低了NCO的设计复杂度，节约了系统的资源，降低了生产成本。

附图说明

图1为现有技术中的数控振荡器的结构示意图。

图2为本发明中的消除数控振荡器的频率偏移的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明提供了一种消除数控振荡器的频率偏移的方法，在该方法中，将根据数控振荡器中所使用的中频频率、本振频率以及系统中输出频率，计算所述三种频率的公因子；然后将所计算的公因子的值作为数控振荡器的最小频率分辨率；并根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，设置所述数控振荡器中的波形存储器和相位累加器，从而有效地消除了NCO的频率偏移，实现了完全无频偏的NCO；此外，还可以大大降低NCO的设计复杂度，节约系统的资源，从而降低生产成本。

图2为本发明中的消除数控振荡器的频率偏移的方法的流程示意图。如图2所示，在本发明中的消除数控振荡器的频率偏移的方法中，主要包括如下所述的步骤：

步骤201，根据NCO中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，计算所述三种频率的公因子。

在本步骤中，将首先获取NCO中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，然后再计算上述这三种频率的公因子。

例如，在TD-SCDMA系统中，空口输出的频率并不是任意的。根据协议的要求，空口输出的频率必须是200KHz的整数倍，由此可知，系统的最小输出频率为200KHz。例如，在一般的TD-SCDMA系统中的射频拉远单元（RRU，RemoteRadio Unit）系统中，从基带到射频的频率转换过程一般包括：先通过数字上变频（DUC）中的NCO将各个载波信号从基带的频谱上以零频为中心搬开，再通过一次频率变换将上述分离后的载波信号的中心频率从零频变换为中频频率f_IF；由于通信系统中一般采用带通采样，所以中频频率f_IF的值一般为

（其中，f_s为采样频率）；最后，再根据系统的本振频率f_L0将上述已变换为中频频率的载波信号变换成射频输出端的射频信号，该射频信号的输出频率f_rf。因此，最后的系统输出频率f_rf可以用如下所述的公式表示：

f_rf＝f_nco+f_IF+f_L0  （1）

其中，由于根据协议要求，TD-SCDMA系统中系统输出频率f_rf必须是200KHz的整数倍，因此必然有：f_rf＝0.2a(MHz)，其中，a为正整数；另外，在TD-SCDMA系统中，中频频率f_IF和系统的本振频率f_L0一般均为预先设置的固定值，例如，由于TD-SCDMA系统中的码片速率为1.28MHz，因此f_IF和f_L0一般都被设置为1.28MHz的整数倍，因此必然有：f_IF＝1.28c(MHz)以及f_L0＝1.28d(MHz)，其中，b和c均为正整数，也就是说，最小中频频率和最小本振频率均为1.28MHz。

所以，在本发明的具体实施例中，可根据上述的中频频率、本振频率和系统的输出频率，计算这三种频率的公因子（即计算1.28c、1.28d和0.2a的公因子，单位为MHz），计算结果的单位可以是MHz、KHz或其它便于计算上述公因子的单位。例如，当系统的输出频率、中频频率、本振频率分别为系统的最小输出频率0.2MHz、最小中频频率1.28MHz和最小本振频率1.28MHz时（即a＝c＝d＝1时），如果以1KHz为最小的单位，则通过计算得到的这三种频率的公因子将分别为40KHz、20KHz、10KHz、8KHz、5KHz、4KHz、2KHz和1KHz，其中，40KHz为最大公因子。

此外，在本发明的具体实施例中，所述计算所述三种频率的公因子也可以是只计算这三种频率的最大公因子，此时，上述实施例中的计算结果将为40KHz。

步骤202，从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述NCO的最小频率分辨率。

在本步骤，可以从步骤201中所计算的上述三种频率的公因子中任意选择一个公因子的值作为数控振荡器的最小频率分辨率。其中，在本发明的较佳实施例中，所选择的公因子可以是最大公因子。另外，如果在步骤201中仅计算了上述三种频率的最大公因子，则在本步骤中可以直接将所计算的最大公因子的值作为数控振荡器的最小频率分辨率。

例如，当上述所计算的最大公因子的值为40KHz时，所述数控振荡器的最小频率分辨率即为40KHz，此时，根据上述公式（1）可得：

f_rf＝0.04MHz*A_rf＝0.04MHz*(B_nco+C_IF+D_L0)＝f_nco+f_IF+f_L0  （2）

其中，A_rf、B_nco、C_IF和D_L0均为正整数。

步骤203，根据所述最小频率分辨率和所述NCO的采样频率，设置所述NCO中的波形存储器和相位累加器。

由于数控振荡器的最小频率分辨率已经被确定，因此在本步骤中，可以根据上述NCO的最小频率分辨率以及NCO的采样频率，设置该NCO中的波形存储器和相位累加器。

具体来说，在本发明的具体实施例中，可先根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，计算一个完整的采样周期中的所有采样点的总数目；然后再在ROM中设置一个存储有预设数目的采样点数据的波形查找表，并根据所存储的采样点数据的数目设置相位累加器的长度。其中，在本发明的具体实施例中，上述预设数目的采样点数据可以是一个完整的采样周期中的所有的采样点数据。

例如，当NCO的最小频率分辨率为40KHz，采样频率为30.72MHz时，根据上述最小频率分辨率和采样频率可知，在一个完整的采样周期中，所有的采样点的总数目为：30.72/0.04＝768（个）。因此，只需在ROM中设置一个存储有768个40KHz的采样点数据的波形查找表，并设置一个长度为n＝Roundup（log₂768）＝10比特（bit）的相位累加器（其中，“Roundup”表示向上取整的运算），即可通过查表的方法使得该NCO可以输出具有40KHz的任意整数倍的频率的输出信号。具体的查表方法可以使用现有技术中常用的查表方法，在此不再赘述。

由上可知，由于上述NCO的最小频率分辨率远远大于现有技术中的NCO的最小频率分辨率（一般小于0.1Hz），一个完整采样周期中的采样点的总数目较少，因此可以在上述NCO的波形存储器中存储所有采样点的数据，从而使得该NCO的输出信号的频率必然是所需要的40KHz的整数倍的频率，而不会出现其它数值的频率，从而有效地消除了NCO的频率偏移，实现了完全无频偏的NCO；同时，也大大简化了该NCO的设计过程，大大降低NCO的设计复杂度；另外，由于一个完整采样周期中的采样点的总数目较小，因此波形存储器的存储空间也比较小，从而使得相位累加器的长度也可以大为减小，例如，当采样点的总数目为768时，相位累加器的长度可以仅为10比特（而现有技术中的相位累加器的长度一般为32比特以上），从而可以大大节约系统的资源，降低生产成本。

进一步地，在本发明的具体实施例中，还可以利用正弦函数和余弦函数的特性，对波形存储器的存储空间的大小进行进一步的优化。例如，由于NCO可以同时输出正弦信号和余弦信号，而根据正弦函数和余弦函数的联合图象可知，在[0，π/4]的区间内，正、余弦函数的幅值都已经出现过一次，至于其它的角度在[π/4，2π]区间内的各个采样点的正弦值和余弦值，则可以通过相应的三角变换公式变换到[0，π/4]区间内的正弦值和余弦值，因此，上述波形存储器中的波形查找表中所存储的预设数目的采样点数据可以仅仅是角度在[0，π/4]区间内的采样点的正弦值和余弦值，也就是说，上述预设数目的采样点数据为一个完整的采样周期中的角度在[0，π/4]区间内的采样点数据；此时，所存储的采样点的数目为一个完整的采样周期中的所有采样点的总数目的八分之一。例如，当所有采样点的总数目为768时，所存储的采样点的数目为768/8＝96（个）。如果使用一个16比特的无符号数来量化采样点的正弦值或余弦值，则该波形查找表所需要的存储空间仅为（96×32）bit。因此，相对于现有技术来说，本发明中的波形存储器所占用的系统资源将非常小。

此外，由于本发明中的NCO可以输出完全无频偏的频率，因此，该NCO的最终输出误差仅仅取决于该NCO输出的量化位数，从而可使得该NCO具有很好的杂散性能。例如，当使用16比特的无符号数来进行量化时，所导致的量化误差为：

$10\log \left(\frac{1}{12}{\left(2^{-16}\right)}^2\right)=-107.12\mathrm{dBFs}$

其中，dbFs表示以满刻度为零电平的分贝数，可简称为满刻度分贝值。例如，低于满刻度20db的信号便是-20dbFs。

相对于现有技术来说，上述量化误差远远小于现有技术中的输出误差，因此，本发明中的NCO还将具有很好的杂散性能。

综上可知，在本发明的实施例中提出了上述的消除数控振荡器的频率偏移的方法。在上述消除数控振荡器的频率偏移的方法中，由于将根据数控振荡器中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，计算所述三种频率的公因子；然后将所计算的公因子的值作为数控振荡器的最小频率分辨率；并根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，设置所述数控振荡器中的波形存储器和相位累加器，从而有效地消除了NCO的频率偏移，实现了完全无频偏的NCO，并大大提高了NCO的杂散性能，因而大大提高了系统的性能；同时，还可以大大降低NCO的设计复杂度，节约系统的资源，从而降低生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种消除数控振荡器的频率偏移的方法，其特征在于，该方法包括：

根据数控振荡器中所使用的中频频率、本振频率以及系统的输出频率，计算所述三种频率的公因子；

从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率；

根据所述最小频率分辨率和所述数控振荡器的采样频率，计算一个完整的采样周期中的所有采样点的总数目；

在波形存储器中设置一个存储有预设数目的采样点数据的波形查找表，并根据所存储的采样点数据的数目设置所述相位累加器的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述中频频率和本振频率为所述数控振荡器中所使用的最小中频频率和最小本振频率；所述系统的输出频率为系统的最小输出频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述三种频率的公因子包括：

计算所述三种频率的最大公因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率包括：

从所计算的公因子中选择任意一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所计算的公因子中选择一个公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率包括：

从所计算的公因子中选择最大公因子的值作为所述数控振荡器的最小频率分辨率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述预设数目的采样点数据为一个完整的采样周期中的所有的采样点数据。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述预设数目的采样点数据为一个完整的采样周期中的角度在[0，π/4]区间内的采样点数据。

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