CN112104356A - 一种直接数字频率合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接数字频率合成方法，该方法首先将相位累加器的输出相位分为两个随机相位，然后分别将这两个随机相位再分解为多个有效相位位宽相等的相位，之后构建与上述有效相位位宽相等的相位一一对应的查找表，并进行查询，最后对查询结果进行多级信号合成，并将最终的合成信号送至数模转换器中输出。本发明的合成方法利用复数信号运算及欧拉公式法则，在不改变输出结果的同时实现了对多查找表的随机查询，有效解决了目前直接数字频率合成器因量化误差引入的信号杂散问题，提高了信号杂散抑制比，而且本发明采用多查找表的方法节省查找表资源，节约直接数字频率合成器的应用成本，扩展了其应用范围。
Description
技术领域
本发明属于数字信号处理领域，具体涉及一种基于多相查找表的直接数字频率合成方法。
背景技术
雷达、通信等领域目前大量使用数字信号处理器件，直接数字频率合成器(DDS)为典型的数字信号处理器件之一。现有的直接数字频率合成器基本都采用查找表LUT和数模转换器DAC来产生输出信号，查找表LUT和数模转换器等数字器件自身均存在量化误差和相位截断误差，这些误差将会导致直接数字频率合成器产生的波形信号都具有较大的杂散。
然而在现代信号系统中，对直接数字频率合成器的输出波形提出了更高的要求，要求抑制直接数字频率合成器的输出波形杂散。虽然目前在直接数字频率合成设计中已经采用了抑制其输出杂散的设计方法，比如抖动法、互质法等，但这些方法的杂散的抑制比还是很低，不能对输出波形杂散有效抑制，进而导致了直接数字频率合成器的应用范围受到限制，尤其一些对输出杂散控制要求比较高的场合。
除此之外，现有的直接数字频率合成方法均采用直接寻址方式进行查找表查询，当输入信号的位宽较大时，建立的查找表的寻址深度也很大，这将导致直接数字频率合成器在一些资源有限的场合无法应用，即使可以使用，它的应用成本也会大大增加。
因此，亟需一种直接数字频率合成方法，该方法能用较简单的方法实现输出信号杂散的有效抑制，且通过该合成方法得到的直接数字频率合成器能够节省资源，降低成本，从而扩展直接数字频率合成的应用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于多相查找表的直接数字频率合成方法，该方法简单易操作，通过该方法得到的直接数字频率合成器对信号输出杂散有很好的抑制作用，且能够节省查找表资源。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种直接数字频率合成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.将给定的频率控制字输入相位累加器进行累加积分，获得位宽为M的输出相位φ0；
b.将相位φ0分解为两个随机相位φ1和φ2；
c.将随机相位φ1和φ2分别进行等位宽分解，分解为多个有效相位位宽均为N的等位宽相位，其中，N满足M＝2x*N，(x＝1，2，3......)；
d.构建与等位宽相位一一对应的查找表；
e.查询查找表；
f.将查询结果进行信号合成，获得最终信号；
g.将最终信号送至数模转换器中输出。
优选的，所述步骤b中相位φ0分解为随机相位的方法是：首先使用本原多项式产生一个随机相位φ1，当φ0≥φ1时，随机相位φ2为：φ2＝φ0-φ1；当φ0＜φ1时，随机相位φ2为：φ2＝φ0+2M-φ1。
优选的，所述随机相位φ1和φ2的位宽均为M。
优选的，所述的步骤c中相位等位宽分解的方式为：按照随机相位φ1和φ2的二进制数的奇偶位进行分解或者按照随机相位φ1和φ2的二进制数从高位到低位的顺序进行分解。
优选的，所述的步骤d中构建查找表的方法为：
首先，取深度为2N的查找表，查找表地址从
到
接着，根据相位等位宽分解的方式，对上述查找表地址进行相应的空位插“0”或补“0”，得到位宽为M的查找表地址序列；
最后，将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到对应的查找表。
优选的，步骤f中所述的信号合成方法为：将查找表输出信号进行多次、分层次的两两合成，直至合成一个最终信号。
优选的，所述的信号合成的方式为：信号两两直接相乘或信号两两共轭相乘。
本发明有益效果是：1.本发明公开的直接数字频率合成方法简单易实现，该方法通过多查找表寻址的方式进行信号查询，节省了查找表资源；2.本发明公开的直接数字频率合成方法采用了相位随机分解方式，通过这种相位分解方式得到的每个查找表的地址信息都是随机变化的，从而可以将输出的信号的杂散平均分散到信号的所有频谱上，极大的提高了杂散抑制比，从而扩展了直接数字频率合成器的应用。
附图说明
图1为本发明的直接数字频率合成方法的流程框图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示的一种直接数字频率合成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.将给定的频率控制字输入相位累加器进行累加积分，获得位宽为M的输出相位φ0；
b.将相位φ0分解为两个随机相位φ1和φ2；
c.将随机相位φ1和φ2分别进行等位宽分解，分解为多个有效相位位宽均为N的等位宽相位，其中，N满足M＝2x*N，(x＝1，2，3......)；
d.构建与等位宽相位一一对应的查找表；
e.查询查找表；
f.将查询结果进行信号合成，获得最终信号；
g.将最终信号送至数模转换器中输出。
步骤b中相位φ0分解为随机相位的方法是：首先使用本原多项式产生一个随机相位φ1，当φ0≥φ1时，随机相位φ2为：φ2＝φ0-φ1；当φ0＜φ1时，随机相位φ2为：φ2＝φ0+2M-φ1，M为相位φ0的位宽。
所述随机相位φ1和φ2的位宽均与相位φ0的位宽相等，均为M。
步骤c中相位等位宽随机分解的方式为：按照随机相位φ1和φ2的二进制数位的奇偶位进行等位宽相位分解，或者按照随机相位φ1和φ2的二进制数从高位到低位的顺序进行分解。
按随机相位二进制数的奇偶位进行分解的具体操作为：对于任意位宽的随机相位A，其对应的二进制相位地址值为：[a2M-1，a2M-2，......a1，a0]，抽取该地址值的偶数位为相位查询地址表1，即addr1：[a2M-2，.....a2，a0]，抽取其奇数位为相位查询地址表2，即addr2：[a2M-1，a2M-3，......a1]；
若随机相位A位宽较大，也可以进行两级或者多级奇偶位相位等位宽分解。
以将一个随机相位分解为两个等位宽相位为例，来说明按随机相位二进制数的高低位进行分解的具体操作为：对于任意位宽的随机相位B，其对应的二进制相位地址值为：[b2M-1，b2M-2，......b1，b0]，按位宽等份，抽取二进制表的高位为相位查询地址表1，即addr1：[b2M-1，b2M-2，......，bM]，相应其地位为相位查询地址表2，即addr1：[bM-1，bM-2，......，b0]，查询地址表1和查询地址表2的位宽均相等。
所述的步骤d中构建查找表的方法为：
首先，取深度为2N的查找表，查找表地址从
到
接着，根据相位等位宽分解的方式，对上述查找表地址进行相应的空位补“0”，得到位宽为M的查找表地址序列；
最后，将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到对应的查找表。
具体的，以将一个随机相位分解为两个等位宽相位为例，说明上述查找表的构建方式：
奇查找表构建方式：对深度为2S的查找表地址序列
到
进行空位插“0”，从查找表地址序列中的每一个地址的最高位的前一位空位开始，按高位到低位的顺序对查找表地址中的所有空位插“0”，得到位宽为M的奇查找表地址序列
到
接着将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到的所有数据组成奇查找表。
偶查找表构建方式：对深度为2S的查找表地址序列
到
进行空位插“0”，从查找表地址序列中的每一个地址的最低位的后一位空位开始，按低位到高位的顺序对查找表地址中的所有空位插“0”，得到位宽为M的偶查找表地址序列为
到
接着将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到的所有数据组成偶查找表。
高位查找表构建方式：对深度为2S的查找表地址序列
到
中的每一个地址的高位进行补“0”，得到位宽为M的偶查找表地址序列为
到
接着将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到的所有数据组成低位查找表。
低位查找表构建方式：对深度为2S的查找表地址序列
到
中的每一个地址的低位进行补“0”，得到位宽为M的高位查找表地址序列
到
接着将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到的所有数据组成高位查找表。
由此可以知道，若相位等位宽分解时将随机相位分解为两个以上的偶数数目的等位宽相位时，其查找表的构建方式如下：
假设相位等位宽分解将位宽为M的随机相位按从高位到地位分解为n个位宽为m的等位宽相位，则有
n≥2，且n为偶数，
则n个等位宽相位对应的查找表的构建方式为：
最高m位的相位对应的查找表为：
对深度为2m的查找表地址序列
到
中的每一个地址的最低位的后一位空位开始补
个“0”，得到位宽为M的高位查找表地址序列
到
接着将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到的所有数据组成高位查找表。
M-m位至M-2m位相位对应的查找表为：
对深度为2m的查找表地址序列
到
中的每一个地址的最高位前的空位补m个“0”，最低位后的空位补
个“0”，得到得到位宽为M的查找表地址序列
到
接着将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到的所有数据组成高位查找表。
根据上述方法建立查找表后，进行等位宽相位查表。
若等位宽相位是按随机相位φ1和φ2二进制数的奇偶位分解得到的，则由奇数位组成的等位宽相位查询上述方法构建的奇查找表，由偶数位组成的等位宽相位查询上述方法构建的偶查找表；
按等位宽相位是按随机相位φ1和φ2二进制数的高低位分解得到的，则由高位组成的等位宽相位查询上述方法构建的对应的高位查找表，由低位组成的等位宽相位查询上述方法构建的对应的低位查找表。
步骤f信号合成方式为：将查找表输出信号进行多次、分层次的两两合成，直至合成一个最终信号为止。信号合成的方式为：信号两两直接相乘或信号两两共轭相乘。
本合成方法构建的查找表为复数查找表，信号合成是以信号的复数形式进行，因此，通过查找表复数乘法运算，可获得最终信号的值。如公式(1)所示，对于0到22M-1的任意相位A，满足A＝B+C时，相位A均可以通过相位B和C的复数表达式相乘得到。
假设相位A位宽为4M，其对应的查找表寻址深度为24M，将其分解为位宽为M的4个等位宽相位，若实现上述4M位宽的相位A的寻址，只需要采用4张2M深度的查找表进行寻址即可，这样可大量节省查找表资源。
实施例1
本实施例相位等位宽分解以随机相位二进制数的奇偶位分解方式为例，按以下步骤进行直接数字频率合成：
a.设置频率控制字的相位位宽为20比特，将其输入相位累加器，按照时钟节拍进行累加积分，得到输出相位，本实施例取输出相位为1024。
b.相位随机分解。使用本原多项式产生的随机相位I，取随机相位I为566，相应的随机相位II的地址为1024-566＝458；将两相位分别按照位宽为20比特进行量化得到：随机相位I 566对应二进制相位地址表为：(0000000000-1000110110)，随机相位II 458对应二进制相位地址表为：(0000000000-0111001010)；
c.按奇偶位分解方式再进行相位等位宽分解。
对随机相位I 566进行等位宽分解，分解为两个位宽均为10的相位，抽取566二进制相位地址表的偶数位(00000-10101)，将其作为查询地址1，抽取566二进制相位地址表的奇数位(00000-00110)，将其作为查询地址2。
同理对随机相位II 458进行分解，得到查询地址3(00000-01011)，查询地址4(00000-11000)
d.构建查找表。取深度为210的查找表A，查找表A对应地址从(00000-00000)至(11111-11111)。随机相位等位宽分解是按奇偶位进行分解，因此，需要构建相应的奇偶查找表。
将查找表A的地址从最低位后的空位开始，由低位到高位对查找表地址中所有空位插“0”，获得其对应的数据序列为A11：(0000000000-0000000000)至(1010101010-1010101010)；将查找表A的地址从最高位前的空位开始，由高位到低位对查找表地址中所有空位插“0”，其对应的数据序列为A12：(0000000000-0000000000)至(0101010101-0101010101)；之后将上述数据序列分别进行幅相逆变换，以
数据序列作为查找表数据，获得复数形式的偶查找表A1，以
数据序列作为查找表数据，获得复数形式的奇查找表A2。
e.取步骤c中的分解得到的等位宽相位查询地址1和3在查询上述构建的复数偶查找表A1，等位宽相位查询地址2和4查询上述构建的复数奇查找表A2中进行查询，得到每个相位地址对应复数值。
f.将查询得到的随机相位I 566对应复数值进行复数相乘，将随机相位II 458查询得到的复数值进行复数相乘，再将各自复数运算后的复数再进行相乘进行信号合成。
g.将最终的合成结果送至数模转换器中输出。
从上述实施例中，可以看出，位宽为20比特的相位，在现有的直接数字频率合成器中所需要的查找表的寻址深度为220，本发明中进行奇偶分解后，奇偶查找表的位宽只要10比特，只需要用4张寻址深度为210的查找表即可实现位宽为20比特的相位的查找功能，节省了查找空间。该实施例的杂散抑制比为91.4，相比不进行随机相位分解直接寻址的杂散抑制比73.8，提高了17.6。
Claims (7)
1.一种直接数字频率合成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.将给定的频率控制字输入相位累加器进行累加积分，获得位宽为M的输出相位φ0；
b.将相位φ0分解为两个随机相位φ1和φ2；
c.将随机相位φ1和φ2分别进行等位宽分解，分解为多个有效相位位宽均为N的等位宽相位，其中，N满足M＝2x*N，(x＝1，2，3……)；
d.构建与等位宽相位一一对应的查找表；
e.查询查找表；
f.将查询结果进行信号合成，获得最终信号；
g.将最终信号送至数模转换器中输出。
2.根据权利要求1所述直接数字频率合成方法，其特征在于，所述步骤b中相位φ0分解为随机相位的方法是：首先使用本原多项式产生一个随机相位φ1，当φ0≥φ1时，随机相位φ2为：φ2＝φ0-φ1；当φ0＜φ1时，随机相位φ2为：φ2＝φ0+2M-φ1。
3.根据权利要求2所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，所述随机相位φ1和φ2的位宽均为M。
4.根据权利要求1所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，所述的步骤c中相位等位宽分解的方式为：按照随机相位φ1和φ2的二进制数的奇偶位进行分解，或者按照随机相位φ1和φ2的二进制数从高位到低位的顺序进行分解。
5.根据权利要求1所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，所述的步骤d中构建查找表的方法为：
首先，取深度为2N的查找表，查找表地址从
到
接着，根据相位等位宽分解的方式，对上述查找表地址进行相应的空位补“0”，得到位宽为M的查找表地址序列；
最后，将补“0”后的查找表地址序列分别进行幅相逆变换得到对应的查找表。
6.根据权利要求1所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，所述步骤f中所述的信号合成方法为：将查找表输出信号进行多次、分层次的两两合成，直至合成一个最终信号。
7.根据权利要求6所述的直接数字频率合成方法，其特征在于，所述的信号合成的方式为：信号两两直接相乘或信号两两共轭相乘。
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