CN107885276A - 一种波形生成方法及生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波形生成方法。该方法是先通过仿真计算得到需要生成的波形所对应的波形数据，然后将这些波形数据存储到存储器，再通过寻址的方式从存储器中调用这些波形数据，并将波形数据输入到数模转换器，由数模转换器进行数模转换，进而输出需要生成的波形。通过这种方式，本发明能够同时输出多路波形，这些波形之间保持良好的时间同步特性，以及随着时间推移能够保持这种同步的稳定性，并且还具有实现方法简单易行、生成速度快、应用范围广等优势。另外，本发明还公开了一种波形生成装置。

Description

一种波形生成方法及生成装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种波形生成方法及生成装置。

背景技术

在电子技术领域中，波形生成有模拟合成和数字合成两种方式。其中，模拟合成主要是通过电阻和电容等分离电子元器件组成的振荡器，这种方式的稳定性较低。数字合成主要是通过数字电路和数模转换电路组合而成，这种方式具有较高的稳定性，但对数字电路的硬件资源消耗较多。

因此，对于数字合成的波形产生方法，需要根据波形生成特点尽可能减少对硬件资源的消耗。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种波形生成方法及生成装置，解决波形生成中存在的稳定性不强、不能多路同时输出、难以动态调整等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种波形生成方法，包括以下步骤：波形数据生成，将需要生成的波形先通过仿真计算得到对应的波形数据；波形数据存储，将该波形数据存储到存储器中；波形数据调用，通过寻址的方式从该存储器中调用该波形数据输出。

在本发明波形生成方法另一实施例中，在所述波形数据调用之后还包括波形数据转换，将该波形数据输入到数模转换器，由该数模转换器进行数模转换，进而输出需要生成的波形；在该波形数据存储中，该存储器的同一个存储地址中存储至少两路不同的该波形数据的样值数据；在该波形数据调用中，通过寻址方式从该存储器中同时调用该至少两路不同的该波形数据的该样值数据；在该波形数据转换中，将该至少两路不同的该波形数据的该样值数据同时输入到该数模转换器，由该数模转换器同时输出需要生成的至少两路不同的波形。

在本发明波形生成方法另一实施例中，该需要生成的波形包括同时输出的正弦波形和余弦波形，该正弦波形对应一路正弦波形数据，该余弦波形对应一路余弦波形数据，该正弦波形数据的该样值数据包括：

该余弦波形数据的该样值数据包括：

其中，N为该正弦波形和该余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数，N≥3。

在本发明波形生成方法另一实施例中，该正弦波形数据和该余弦波形数据均经过量化后存储到该存储器中，其中，该正弦波形数据的该样值数据量化为：

该余弦波形数据的该样值数据量化为：

其中，L＝2^q，q为量化的位数，q≥3，表示向下取整，并且，该存储器的存储地址M₀、M₁、…、M_N-1分别依次对应存储的该样值数据：

在本发明波形生成方法另一实施例中，该N＝4096，该q＝8、L＝256，该存储器的每一个存储地址对应的存储数据位为16位，其中前8位用于存储正弦波形数据的该样值数据，后8位用于存储余弦波形数据的该样值数据。

在本发明还提供了一种波形生成装置实施例，包括：

波形仿真计算器，对将需要生成的波形仿真计算，得到对应的波形数据；存储器，用于存储该波形数据；数模转换器，用于将该波形数据进行数模转换，进而输出需要生成的波形；控制器，用于将该波形数据从该波形仿真计算器存储到该存储器，以及通过寻址方式从该存储器中调用该波形数据输入到该数模转换器。

在本发明波形生成装置另一实施例中，该存储器的同一个存储地址中存储至少两路不同的该波形数据的样值数据，该控制器用于从该存储器中同时调用该至少两路不同的该波形数据的该样值数据输入到该数模转换器，由该数模转换器同时输出需要生成的至少两路不同的波形。

在本发明波形生成装置另一实施例中，该需要生成的波形包括同时输出的正弦波形和余弦波形，该正弦波形对应一路正弦波形数据，该余弦波形对应一路余弦波形数据，该正弦波形数据的该样值数据包括：

该余弦波形数据的该样值数据包括：

其中，N为该正弦波形和该余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数，N≥3。

在本发明波形生成装置另一实施例中，该正弦波形数据和该余弦波形数据均经过量化后存储到该存储器中，其中，该正弦波形数据的该样值数据量化为：

该余弦波形数据的该样值数据量化为：

其中，L＝2^q，q为量化的位数，q≥3，表示向下取整，并且，该存储器的存储地址M₀、M₁、…、M_N-1分别依次对应存储的波形数据的该样值数据是：

在本发明波形生成装置另一实施例中，该N＝4096，该q＝8、L＝256，该存储器的每一个存储地址对应的存储数据位为16位，其中前8位用于存储正弦波形数据的该样值数据，后8位用于存储余弦波形数据的该样值数据。

本发明的有益效果是：本发明波形生成方法和生成装置是先通过仿真计算得到需要生成的波形所对应的波形数据，然后将这些波形数据存储到存储器，再通过寻址的方式从存储器中调用这些波形数据，并将波形数据输入到数模转换器，由数模转换器进行数模转换，进而输出需要生成的波形。并且，由于存储器的位数能够进行扩展，同一个存储地址可以存储多路波形数据的样值数据，因此可以通过寻址方式从存储器中同时调用多路波形数据，同时输出多路波形，这些波形之间可以保持良好的时间同步特性。因此，本发明实施例具有波形生成的多样性，波形之间具有良好的同步特性，以及随着时间推移能够保持这种同步的稳定性，并且还具有实现方法简单易行、生成速度快、应用范围广等优势。

附图说明

图1是根据本发明波形生成方法一实施例的流程图；

图2是根据本发明波形生成方法另一实施例中波形示意图；

图3是根据本发明波形生成方法另一实施例中波形数据示意图；

图4是根据本发明波形生成方法另一实施例中波形数据存储示意图；

图5是根据本发明波形生成方法另一实施例中波形数据转换示意图；

图6是根据本发明波形生成方法另一实施例中波形数据示意图；

图7是根据本发明波形生成装置一实施例的组成框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明波形生成方法一实施例的流程图。在图1中，包括：

步骤S11：波形数据生成，将需要生成的波形先通过仿真计算得到对应的波形数据。

这里的波形数据主要是指与需要生成的波形相关的数据，这些数据能够直接对应波形的形态，如波形随时间变化的振幅值。另外，这些波形数据是波形离散化的数据，例如是对波形进行幅度采样后得到的数据，为了后续能够恢复波形，通常对波形的采样速率要满足奈奎斯特采样定理的要求。另外，这些波形数据也是对波形进行量化后的数据，经过量化以后能够以有限的数据位数来存储波形数据。优选的，波形数据还具有周期性的特点，就是能够通过周期性输出波形数据来生成所需的波形。

另外，仿真计算主要是通过计算机仿真软件，如matlab等软件将需要生成的波形通过仿真计算呈现出来，以及进行相关的离散采样和量化处理，得到与需要生成的波形相对应的波形数据。

图2显示了一组波形实施例的示意图。由图2可以看出，其中有第一波形11，第二波形12和第三波形13，这三个波形都具有明显的周期性，并且周期都是T0。其中，第一波形11是周期重复的方波信号，第二波形12是周期重复的锯齿波信号，第三波形13可以视为是一种经过数字调制的相位调制信号波形，其中第一个周期波形131可以代表数字“0”，第二周期波形132可以代表数字“1”，并且，第一个周期波形131与第二周期波形132的波形形状正好相反。可以看出这些波形具有周期重复性的特点，因此，只要能够产生出一个周期的波形，就可以不断重复该周期波形或者对该周期波形进行简单的变换(如正负变换)后可选择性的重复出现，即可连续不断的生成所需要的波形。

图3对应显示了图2所示波形对应的离散采样的示意图。可以看出第二波形22的采样间隔要小于第一波形21的采样间隔，而第三波形23的采样间隔又进一步小于第二波形22的采样间隔，采样间隔的选取主要是根据奈奎斯特采样定理来确定。当得到这些离散采样点后，进一步对这些采样点的取值进行量化，量化为可以用二进制数字“0”和“1”来表示的量化值，而这些波形一个周期内的量化值我们可以称之为该波形对应的波形数据，可以把这些波形数据存储。当需要产生波形时，就可以把这些波形数据调用出来，并且按照在波形中的前后顺序依次调用，调用的时间间隔可以对应为采样间隔或者更小的时间间隔，并且重复性、周期性的调用这些波形数据输出，就可以恢复出图3所示的离散采样波形。

图1中的步骤S12：波形数据存储，将所述波形数据存储到存储器中，以及步骤S13：波形数据调用，通过寻址的方式从所述存储器中调用所述波形数据。这两个步骤反映了上述波形数据存储和波形数据调用的过程。

可以看出，基于本发明上述实施例步骤，把需要生成的波形先通过仿真计算得到波形形状，如果该波形形状具有周期性的特点，则可以把该波形中重复周期出现的部分转换为对应的波形数据，该波形数据是经过采样、量化得到的。通常，该波形数据不需要占用大量的数据空间，因此便于进行存储。存储时只需要将存储地址与所存储的数据对应起来，例如按照存储地址递增的顺序连续存储波形数据，这样存储地址是连续的，波形数据也是连续的，当需要输出这些波形数据时，只需要周期重复性从这些地址中依次调用波形数据，就可以生成相应的波形。即使波形数据不是重复性出现，例如如图3中的第三波形23，但只要知道这些波形数据的存储地址就可以根据需要而有选择性调用对应的波形数据输出。因此，上述实施例可以产生多种周期性波形，可以通过仿真计算直接得到相应的波形数据，具有软件可编程的特点，适用于各种周期性波形，适用范围广。另外，通过对波形数据进行硬件存储和寻址调用的方式来产生波形输出，则具有输出控制简单易行、输出速度快，也具有输出波形幅度稳定的特点。

上述输出的波形数据适用于数字信号处理中输出离散的数字波形，在此基础上还可以输出模拟波形，为此图1中还给出了步骤S14：波形数据转换，将所述波形数据输入到数模转换器，由数模转换器进行数模转换，进而输出需要生成的波形。该步骤主要是完成数模转换的过程，就是将上述步骤输出的波形数据经过数模转换后生成连续的波形，相当于完成图3所示离散样点值向图2所示连续波形的转换过程。

基于图1所示实施例，进一步优选的，在图1中的步骤S12波形数据存储中，存储器的同一个存储地址中存储至少两路不同的波形数据的样值数据。

如图4所示，在存储器的地址ad1中存有两路不同的波形数据，即第一波形数据和第二波形数据，其中第一波形数据包括样值数据11，第二波形数据包括样值数据21。例如，当地址ad1对应的数据空间是16bit，可以将其中的高8位bit用于存储第一波形数据中的样值数据11，将低8位bit用于存储第二波形数据中的样值数据21。同理，存储器的地址ad2中存储有第一波形数据中的样值数据12，以及第二波形数据中的样值数据22。以此类推，共有N个地址，在存储器的地址adN中存储有第一波形数据中的样值数据1N，以及第二波形数据中的样值数据2N。

在输出样值数据时，可以连续对地址ad1、ad2、…、adN进行寻址，这样第一波形数据对应的样值数据11、样值数据12、…、样值数据1N就不断输出了，与此同时，第二波形数据对应的样值数据21、样值数据22、…、样值数据2N也同时不断输出了。并且，当寻址and结束后，返回重新对ad1进行寻址调用输出，以此循环往复。

进一步优选的，在图1中的步骤S13波形数据调用中，通过寻址方式从所述存储器中同时调用所述至少两路不同的所述波形数据的样值数据。以及在图1中的步骤S14波形数据转换中，将所述至少两路不同的所述波形数据的样值数据同时输入到所述数模转换器，由所述数模转换器同时输出需要生成的至少两路不同的波形。

基于图4，当存储器的一个存储地址同时存储两个波形数据对应的样值数据时，可以通过寻址调用的方式同时输出这两个样值数据。如图5所示，该存储器51的数据线是16位数据线，包括高8位数据线511和低8位数据线512，并且这16位数据线同时连接到数模转换器52。因此，存储器51的一个存储地址存储有16bit的数据，可以将其中的高8bit作为一路波形数据对应的样值数据，低8bit作为另一路波形数据对应的样值数据，当寻址调用时这16bit数据同时出现在16位数据线上，而这16位数据线直接与数模转换器52相连，数据就可以同时直接传输给数模转换器52，由数模转换器52同时进行数模转换处理，输出两路波形。当然，对于这16bit数据还可以分成4路，每一路占用4个bit位，这样可以同时输出4路波形。也可以分成3路，其中两路各占用4bit，第3路占用8bit。

可以看出，通过上述方式可以实现一次寻址调用可以至少同时输出两路波形，这样就使得输出的波形数量增加，另外一方面也可以使得输出的波形在时间上保持严格的同步，在一些对多路波形输出时相互之间的相位关系有严格要求的场景中能够保证这些波形的相互关系具有稳定性和持续性。另外，通过将存储器的数据线与数模转换器的输入口直接相连，保证了样值数据直接作为数模转换器的输入数据，提高了数据传输和转换效率。

进一步优选的，在通信调制解调技术领域中，特别是在无线电信号解调中，通常需要的本振信号是两路相位正交的具有相同频率的信号，本发明提供了这种应用的实施例。因此，这里需要生成的波形包括同时输出的正弦波形和余弦波形，正弦波形对应一路正弦波形数据，余弦波形对应一路余弦波形数据，正弦波形数据的样值数据包括余弦波形数据的样值数据包括其中，N为正弦波形和所述余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数，N≥3。

如图6所示，包括正弦波形61和余弦波形62，这两个波形具有相同的周期，在一个周期内分成均等的N个相位，即相位间隔是2π/N，这样就可以得到离散的样值数据，对于正弦波而言，在其一个周期内离散后的正弦波形数据的样值数据包括：

对于余弦波而言，在其一个周期内离散后的余弦波形数据的样值数据包括：

从图6可以看出，正弦波形61和余弦波形62的各个样值数据是一一对应的，再利用这些样值数据恢复这两个波形时，这些样值数据必须要做到同时输出和同时进行数模转换，这样才能保证两个波形在同一时刻均具有正交的相位关系(波形相位相差π/2)。否则，随着时间推移，两个波形的相位关系会发生改变。这里对N的取值也进行了限定，如果N值小于3，则会出现一个正弦波形61或余弦波形62的周期内，所得的样值数据太少，而不能满足恢复正弦波形61或余弦波形62的需要，通常N值的选取也是根据奈奎斯特采样定理决定的。

进一步的，为了便于在存储器中对这些样值数据进行存储，需要对样值数据进行量化，其中，正弦波形数据中的样值数据量化为：

余弦波形数据中的样值数据量化为：

其中，L＝2^q，q为量化的位数，q≥3，表示向下取整。显然，这里量化的位数q值越大，则量化的精度越高，表示向下取整则表示取值只取整数位，对小数位则舍去。

进一步的，得到这些量化后的样值数据后，则在存储器的存储地址M₀、M₁、…、M_N-1分别依次对应存储：

由此，可以通过循环往复调用地址M₀、M₁、…、M_N-1，就可以实现同时输出正弦波形和余弦波形的上述样值数据，如同时输出再同时输出如此等等，再同时输出

优选的，上述N＝4096，所述q＝8、L＝256，所述存储器的每一个存储地址对应的存储数据位为16位，其中前8位用于存储正弦波形数据的样值数据，后8位用于存储余弦波形数据的样值数据。

图6只是示例性说明，在实际应用中，可以根据需要对正弦波形和余弦波形进行调整，例如二者的周期可以不同，相位关系也不一定局限于正交的π/2的相位关系，也可以是π或其他相位关系。由此可见，利用本发明实施例可以实现多种波形以多种周期、多种相位关系同时输出，因此在波形选择、波形相互之间的关系等方面具有可选择性，而在时间上又能够严格保证这种关系随着时间的推移始终保持不变。

基于同一构思，本发明还提供了一种波形生成装置。如图7所示，该装置包括波形仿真计算器71，对将需要生成的波形仿真计算，得到对应的波形数据；存储器72，用于存储波形数据；数模转换器73，用于将波形数据进行数模转换，进而输出需要生成的波形；控制器74，用于将波形数据从波形仿真计算器71存储到存储器72，以及通过寻址方式从存储器72中调用波形数据输入到数模转换器73。

这里，波形仿真计算器71可以通过通用计算机实现，因此波形仿真计算器71在控制器74的控制下可以通过网口或者串口，将波形数据存储到存储器72中。例如在实际应用中，可以把波形仿真计算器71量化后的波形数据的样值数据直接写入txt文件，然后再生成coe文件，就可以存入硬件存储器中了。并且，随着FPGA等可编程数字电路的广泛使用，可以对存储器72的存储空间进行扩展，即同一个存储地址可以对应的数据位数既可以是8位，也可以是16位、32位等，这样通过一次寻址调用，可以并行同时输出的数据可以有多位。另外，存储器72和数模转换器73直接通过数据总线的方式进行互连，即存储器72的数据线直接与数模转换器73的DA输入接口相连，而存储器72的读写脉冲信号同时作为驱动数模转换器73数据读入信号，在控制器74的控制下实现波形数据从存储器72中读入到数模转换器73中。

优选的，存储器72中存储至少两路不同的波形数据，控制器74用于从存储器72中同时调用至少两路不同的波形数据输入到数模转换器73，由数模转换器73同时输出需要生成的至少两路不同的波形。

进一步优选的，数模转换器73需要生成的波形包括同时输出的正弦波形和余弦波形，正弦波形对应一路正弦波形数据，余弦波形对应一路余弦波形数据，正弦波形数据包括余弦波形数据包括其中，N为正弦波形和余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数，N≥3。

进一步优选的，在波形仿真计算器71中正弦波形数据和余弦波形数据均经过量化后存储到存储器72，其中，正弦波形数据量化为：

余弦波形数据量化为：

其中，L＝2^q，q为量化的位数，q≥3，表示向下取整，并且，存储器72的存储地址M₀、M₁、…、M_N-1分别依次对应存储的波形数据是：

优选的，在波形仿真计算器71中，正弦波形和余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数N＝4096，量化位数q＝8、L＝256，存储器72的每一个存储地址对应的存储数据位为16位，其中前8位用于存储正弦波形数据，后8位用于存储余弦波形数据。

图7所示实施例与上述波形产生方法实施例是基于同一构思，相关内容可以参考上述波形产生方法实施例的说明，此处不再赘述。

由此可见，本发明波形生成方法和生成装置是先通过仿真计算得到需要生成的波形所对应的波形数据，然后将这些波形数据存储到存储器，再通过寻址的方式从存储器中调用这些波形数据，并将波形数据输入到数模转换器，由数模转换器进行数模转换，进而输出需要生成的波形。并且，由于存储器的位数能够进行扩展，同一个存储地址可以存储多路波形数据的样值数据，因此可以通过寻址方式从存储器中同时调用多路波形数据，同时输出多路波形，这些波形之间可以保持良好的时间同步特性。因此，本发明实施具有波形生成的多样性，波形之间具有良好的同步特性，以及随着时间推移能够保持这种同步的稳定性，并且还具有实现方法简单易行、生成速度快、应用范围广等优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种波形生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

波形数据生成，将需要生成的波形先通过仿真计算得到对应的波形数据；

波形数据存储，将所述波形数据存储到存储器中；

波形数据调用，通过寻址的方式从所述存储器中调用所述波形数据输出。

2.根据权利要求1所述的波形生成方法，其特征在于，在所述波形数据调用之后还包括：波形数据转换，将所述波形数据输入到数模转换器，由所述数模转换器进行数模转换，进而输出需要生成的波形；

在所述波形数据存储中，所述存储器的同一个存储地址中存储至少两路不同的所述波形数据的样值数据；

在所述波形数据调用中，通过寻址方式从所述存储器中同时调用所述至少两路不同的所述波形数据的所述样值数据；

在所述波形数据转换中，将所述至少两路不同的所述波形数据的所述样值数据同时输入到所述数模转换器，由所述数模转换器同时输出需要生成的至少两路不同的波形。

3.根据权利要求2所述的波形生成方法，其特征在于，所述需要生成的波形包括同时输出的正弦波形和余弦波形，所述正弦波形对应一路正弦波形数据，所述余弦波形对应一路余弦波形数据，所述正弦波形数据的所述样值数据包括：

所述余弦波形数据的所述样值数据包括：

其中，N为所述正弦波形和所述余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数，N≥3。

4.根据权利要求3所述的波形生成方法，其特征在于，所述正弦波形数据和所述余弦波形数据均经过量化后存储到所述存储器中，其中，所述正弦波形数据的所述样值数据量化为：

所述余弦波形数据的所述样值数据量化为：

其中，L＝2^q，q为量化的位数，q≥3，表示向下取整，并且，所述存储器的存储地址M₀、M₁、…、M_N-1分别依次对应存储的所述样值数据：

5.根据权利要求4所述的波形生成方法，其特征在于，所述N＝4096，所述q＝8、L＝256，所述存储器的每一个存储地址对应的存储数据位为16位，其中前8位用于存储正弦波形数据的所述样值数据，后8位用于存储余弦波形数据的所述样值数据。

6.一种波形生成装置，其特征在于，包括：

波形仿真计算器，对将需要生成的波形仿真计算，得到对应的波形数据；

存储器，用于存储所述波形数据；

数模转换器，用于将所述波形数据进行数模转换，进而输出需要生成的波形；

控制器，用于将所述波形数据从所述波形仿真计算器存储到所述存储器，以及通过寻址方式从所述存储器中调用所述波形数据输入到所述数模转换器。

7.根据权利要求6所述的波形生成装置，其特征在于，所述存储器的同一个存储地址中存储至少两路不同的所述波形数据的样值数据，所述控制器用于从所述存储器中同时调用所述至少两路不同的所述波形数据的所述样值数据输入到所述数模转换器，由所述数模转换器同时输出需要生成的至少两路不同的波形。

8.根据权利要求7所述的波形生成装置，其特征在于，所述需要生成的波形包括同时输出的正弦波形和余弦波形，所述正弦波形对应一路正弦波形数据，所述余弦波形对应一路余弦波形数据，所述正弦波形数据的所述样值数据包括：

所述余弦波形数据的所述样值数据包括：

其中，N为所述正弦波形和所述余弦波形在一个波形周期内均匀分成的个数，N≥3。

9.根据权利要求8所述的波形生成装置，其特征在于，所述正弦波形数据和所述余弦波形数据均经过量化后存储到所述存储器中，其中，所述正弦波形数据的所述样值数据量化为：

所述余弦波形数据的所述样值数据量化为：

其中，L＝2^q，q为量化的位数，q≥3，表示向下取整，并且，所述存储器的存储地址M₀、M₁、…、M_N-1分别依次对应存储的波形数据的所述样值数据是：

10.根据权利要求9所述的波形生成装置，其特征在于，所述N＝4096，所述q＝8、L＝256，所述存储器的每一个存储地址对应的存储数据位为16位，其中前8位用于存储正弦波形数据的所述样值数据，后8位用于存储余弦波形数据的所述样值数据。