JP2008522505A - 位相持続アジャイル信号発生方法、機器、およびコンピュータプログラム製品 - Google Patents

位相持続アジャイル信号発生方法、機器、およびコンピュータプログラム製品 Download PDF

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Abstract

位相持続アジャイル信号発生方法、機器、および/またはコンピュータプログラム製品は、直接ディジタルシンセサイザ(DDS)クロック速度を提供し、所望の出力周波数のための周波数同調ワード(FTW)を提供し、所望のDDS更新速度のためのDDS更新を提供し、所望のDDS更新速度のための等価周波数最下位ビット(LSB)を提供し、LSBアキュムレータの現在位相を提供し、DDSクロック速度、FTW、DDSへのDDS更新速度、所望のDDS更新速度のための等価LSB、およびLSBアキュムレータの現在位相に基づいて、所望の出力周波数のコヒーレント位相を生成する。コヒーレント位相は、FTWとLSBアキュムレータの現在位相とを乗算して得られた結果の小数部分とし得る。
【選択図】図1

Description

関連文献との相互参照
本明細書は、米国仮特許出願第60/631,602号明細書(2004年11月30日出願)の利益を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれている。
本発明は、全体的に、信号生成方法および装置、より詳細には、位相持続アジャイル信号発生方法、機器、および/またはコンピュータプログラム製品に関する。
信号周波数生成は、直接(direct:ダイレクト)ディジタル周波数合成、位相同期ループ周波数合成、フラクショナル−N周波数合成などを含むいくつかの方法で達成できる。ここ最近の集積回路技術の進歩により、信号周波数の生成に、直接ディジタルシンセサイザ(direct digital synthesizers :ダイレクトディジタルシンセサイザ (以下DDSと称する。))が広く使用されるようになってきた。これらDDSは、高い解像度および精度を有するプログラム可能なアナログ出力波形を生成し、かつ出力周波数の間を素早く切り替えることができる。DDSは、波形の数ポイントをディジタルフォーマットで格納していて、波形を生成する時にはこれらを呼び出すことにより、波形を生成する。DDSが1つの波形を完了する速度(rate : レイト)によって、出力周波数が決まる。
DDS出力周波数の変更は、位相アキュムレータの位相増分を変更することによって行われる。位相増分により、DDSがディジタル/アナログ変換器(DAC)に送信するデータポイント間のいくつのデータポイントをDDSがスキップするかが決まる。DDSは、スキップ値を累算して、DACに送信される値を決定する。このアキュムレータは、以前にプログラムされたすべての周波数の履歴を有する。DDS出力周波数が第1の周波数から実質的により高いまたはより低い第2の周波数に変更され、その後で第1の周波数に戻った場合には、2回目に発生した第1の周波数は、通常、1回目に発生した第1の周波数と同じ位相となっていない。その原因は、以前のすべての周波数の履歴が、DDSのアキュムレータ内に格納されているためである。DDSを他の任意の出力周波数にプログラムしてある場合には、DDSの出力周波数の位相を追跡して、DDS出力周波数の時間連続位相を維持することが望ましいであろう。DDS出力周波数を先のDDS出力周波数に再プログラムすると、まるで元の周波数から離脱しなかったかのように、位相が連続的となるであろう。
したがって、位相持続アジャイル信号発生方法(a phase persistent agile signal source method : 位相が変化せず、種々の状況に対応又は対処する能力を有する信号発生方法) 、機器、および/またはコンピュータプログラム製品が必要となる。
本発明の実施形態は、位相持続アジャイル信号発生方法、機器、および/またはコンピュータプログラム製品を提供する。位相持続アジャイル信号発生方法、機器、および/またはコンピュータプログラム製品は、直接ディジタルシンセサイザ(DDS)クロック速度(clock rate)を提供し、所望の出力周波数のための周波数同調ワード(frequency tuning word : FTW)を提供し、所望のDDS更新速度(update rate)のためのDDS更新を提供し、所望のDDS更新速度のための等価周波数(equivalent frequency)最下位ビット(LSB)を提供し、LSBアキュムレータの現在の位相(current phase)(以下、現在位相という。)を提供し、DDSクロックレイト、FTW、DDSへのDDS更新レイト、所望のDDS更新レイトのための等価LSB、およびLSBアキュムレータの現在位相に基づいて、所望の出力周波数のコヒーレント位相(coherent phase : ある信号が他の信号と固定した関係にある位相)を生成する。
DDS更新速度は、DDSクロック速度の約数である。使用できる最大DDS更新速度を、適応可能なすべての内部DDSレジスタに書き込むのに必要な時間、およびDDS更新コマンドがDDSの出力に伝播するのに必要な時間によって決めることができる。所望のDDS更新速度の等価周波数LSBは、FTWのLSB(通常は1)にDDSクロック速度を乗算して、DDS更新速度で除算することによって取得することができる。LSBアキュムレータの現在位相と等価周波数LSBとを加算したものが、LSBアキュムレータの現在位相とすることができる。コヒーレント位相は、FTWとLSBアキュムレータの現在位相との乗算から得られた積の端数部分または小数部分(fractional portion:フラクショナルポーション)とすることができる。コヒーレント位相の小数部分は、DDS内の位相レジスタのサイズすなわち桁数に合わせてLSBが切り捨てられた、360度より小さい積の部分とすることができる。
本発明の実施形態は、位相持続アジャイル信号発生方法、機器、および/またはコンピュータプログラム製品である発明である。本明細書に開示されている本発明は、勿論、多くの異なる形での実施形態が可能である。本発明の好ましい実施形態を、図に示しかつ、以下、詳細に説明する。しかし、本明細書で開示したものは、本発明の原理の例示であり、本発明は例示した実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。
図面を参照して説明すると、図1は、本発明の実施形態による位相持続アジャイル信号発生回路100を示している。位相持続アジャイル信号発生回路100は、等価(相当ともいう。:equivalent)位相アキュムレータ150とDDS170とを含む。位相持続アジャイル信号発生回路100を、DDSプロセスの限度内において任意のおよびすべての周波数に対して位相追跡を実行できるよう構成してもよい。これにより、それぞれの周波数は、DDSが他の任意の周波数にプログラムされている間、それぞれの時間連続位相を維持することが可能となる。周波数が先の周波数に再プログラムされた場合、まるで元の周波数から離脱しなかったかのように、位相は連続的となる。
位相持続アジャイル信号発生回路100を、ユーザの要望により、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、ディジタル信号処理マイクロプロセッサ、複数の離散的ディジタル論理ブロック回路、ソフトウェア、これらの組合せなどの形態の回路として構成することができる。DDS170を、任意の所望のDDS回路の形態で構成できる。DDS170には、位相アキュムレータ、位相/振幅変換回路、およびディジタル/アナログ変換器(DAC)を含ませることができる構成要素を有する。DDS170は、所望の周波数の出力信号を生ずる。この所望の出力周波数は、基準クロック周波数および周波数レジスタ内にプログラムされた2進数に依存する。この2進数は、周波数同調ワード(FTW)132と呼ばれる。FTWの信号132は、位相アキュムレータに主要入力信号を供給する。位相/振幅回路にルックアップテーブルを使用する場合には、位相アキュムレータは、ルックアップテーブルの位相(位相角)アドレスを計算する。ルックアップテーブルは、その位相(位相角)アドレスに対応する振幅のディジタル値を出力する。
DACは、振幅のディジタル値を、これに対応するアナログ電圧値または電流値に変換する。たとえば、固定周波数の正弦波を生成するためには、定数値(たとえば、FTW132によって決められた位相増分)を、各クロックサイクル毎に位相アキュムレータに加える。位相増分が大きいと、位相アキュムレータは、ルックアップテーブルでの処理を迅速に進めて、高周波数の出力波形を生成する。位相増分が小さいと、位相アキュムレータは、より多くの処理回数を経て、より低い周波数の出力波形を生成する。
等価位相アキュムレータには、FTW132をプログラミングするためのプログラマブルレジスタを含ませることができる。等価位相アキュムレータは、DDS170が生成できる最低周波数の位相を追跡するための、加算(ADD)論理回路112とレジスタ(REG)114とを備えた、最下位ビット(LSB)アキュムレータ110を有する。所望のDDS更新速度のための等価(相当ともいう。:equivalent)周波数LSBの信号122が、ADD論理回路112に入力信号として供給される。LSBアキュムレータの現在位相124は、ADD論理回路112内で所望のDDS更新速度のための等価周波数LSB122に加算されて、次のDDS更新のためにLSBアキュムレータの現在位相の信号124を生成する。所望のDDS更新速度Mのための等価周波数LSB122は、FTW132のLSBとDDSクロック速度160とを掛け合わせてすなわち乗算して、DDS更新速度で割ったものに等しい。LSBアキュムレータの現在位相124にFTW132を乗算して、コヒーレント位相の信号を生じさせる。コヒーレント位相の小数部分はDDS170の位相レジスタに書き込まれ、FTW132は周波数レジスタに書き込まれる。FTW132とLSB位相アキュムレータの現在位相124とを乗算して、DDSクロック速度、FTW、DDSへのDDS更新速度、所望のDDS更新速度用の等価LSB、およびLSBアキュムレータの現在位相に基づいて、コヒーレント位相140を生じさせる。FTWの信号132、コヒーレント位相の信号140、DDSクロックの信号160、およびDDS更新の信号は、DDS170に供給される。
FTW132とDDS170の位相アキュムレータの時間とを乗算して、現在プログラムされている周波数の瞬時位相を作成する。この時間は、DDSクロックの信号160の期間すなわち周期とそのクロック信号の発生数との積である。この機能は、連続的な位相制御を維持するために、等価位相アキュムレータ回路150内で繰り返される。FTW132の乗算は、個別のオペレーションへと抽出することにより、1つの位相アキュムレータが、DDS170が生成し得る任意の周波数の位相を追跡できるようにする。LSBアキュムレータ110を、DDSクロック160の分数値(a division)で計時してもよい。その理由は、DDSアキュムレータと同じ速度でLSBアキュムレータ110を計時する必要がないしまた現実的ではないからである。LSBアキュムレータ110のサイズすなわち桁数は、DDS170の位相アキュムレータの桁数に等しい。DDS170に送信されたFTW132の乗算値とLSBアキュムレータ110の現在位相の瞬時値は、これらの値内のすべてのビットを利用して、連続的な位相制御に必要な精密度を維持する。FTW132のいくつかの最上位ビット(MSB)を、それらが乗算器のサイズを減らすのに利用されない場合(常にゼロ)には、ドロップオフ(drop off)することができる。積の小数部分を、DDS170の位相アキュムレータ内にロードすることができる。DDS170が位相アキュムレータにロードするためのアクセスを許可しない場合、位相アキュムレータをリセットし、コヒーレント位相の小数部分を、DDS170の位相オフセットレジスタ内にロードしなければならない。コヒーレント位相の小数部分のLSBをドロップ(drop)して、DDS170の位相オフセットレジスタのサイズすなわち桁数に一致させることができる。
一例として挙げる下記の表は、アナログデバイス社の商品名AD9858の装置において10MHzと45MHzとの間で信号を切り換えるために、10MHz信号のための公知のDDS位相と本発明のコヒーレント位相アルゴリズムによって計算された位相との比較を示している。AD9858は、1GHz速度で計時される、32ビットの位相アキュムレータを含む。公知の位相は、32ビットレジスタにFTW132を累算することによって生成される。FTW132は、所望の出力周波数と232とを乗算して、その結果を1eで除算したものに等しい。この例においては、位相ワードを、累算されたFTWの先頭14ビットと定義する。度で表される位相は、位相ワードに360を乗算して、214で除算することより、位相ワードから求めることができる。
計算された位相は、本発明の実施形態によるコヒーレント位相アルゴリズムによって生成される。このアルゴリズムにおいては、32ビットカウンタが、240ナノ秒(ns)毎に240ずつ増分する。このカウンタのカウント数に32ビットのFTW132を乗算して、現在のFTW132用のコヒーレント位相を求める。この乗算は、63からゼロまでのビットのラベルが付けられた、64ビットの結果を生成する。31から18までのビットは、14ビットの位相ワードに等しい。この方法では、時間のみを累算するので、位相カウント数に周波数を乗算することにより、240ns間隔で、任意の周波数に対するコヒーレント位相を求めることができる。240nsの間隔は、必要なすべてのDDS170レジスタへの書込みの速さおよびDDS170における命令された更新の待ち時間で決まる。より速いカウンタは、ナノ秒毎に1の値まで累算できる。これにより、ナノ秒毎にコヒーレント位相を決定することができる。カウンタの速さおよび/またはその累算される値を変更することにより、任意のインターフェースの速さおよびDDS170の出力待ち時間に対するコヒーレント位相を生成することができる。これにより、この方法を、AD9858のDDS装置だけでなく、任意のDDS装置にも適応させることができる。
Figure 2008522505
本発明の実施形態のコンピュータプログラム製品は、本発明の方法を実行する位相持続アジャイル信号発生命令をコンピュータ読取可能媒体に具体化したものである。図2を参照して説明すると、位相持続アジャイル信号発生命令は、プロセッサによって実行されると、種々のステップ処理200を実行する。すなわち、この処理では、DDSクロック速度を提供し(ステップ210)、所望のDDS更新速度用のDDS更新を提供し(ステップ220)、所望の出力周波数用のFTWを提供し(ステップ230)、所望のDDS更新速度用の等価LSBを提供し(ステップ240)、LSBアキュムレータの現在の位相を決定し(ステップ250)、提供されたFTW用のコヒーレント位相を決定し(ステップ260)、FTWの信号、コヒーレント位相の信号、DDSクロック速度の信号、およびDDSへのDDS更新速度の信号を供給し(ステップ270)、DDSクロック速度、FTW、DDSへのDDS更新速度、所望のDDS更新速度用の等価LSB、およびLSBアキュムレータの現在位相に基づいて、位相コヒーレントのアジャイル信号を生成する(ステップ280)ことができる。コンピュータプログラム製品は、上述した位相持続アジャイル信号の発生源の機能を達成する。
本明細書の最後の付属文書Aは、位相コヒーレンシーシミュレーションコードの一例を示している。付属文書Bは、コヒーレント位相アルゴリズムコードの一例を示している。付属文書Cは、位相アキュムレータコードのための自動テストベンチの一例を示している。付属書類A、B、およびCに示されているコードは、単なる例示であり、ユーザの要望に従って、任意の所望のコードで構成することができる。
要約すると、本発明の実施形態による、位相持続アジャイル信号発生方法、機器、および/またはコンピュータプログラム製品は、DDSクロック速度を提供し、所望の出力周波数のためのFTWを提供し、所望のDDS更新速度のためのDDS更新を提供し、所望のDDS更新速度のための等価周波数LSBを提供し、LSBアキュムレータの現在位相を提供し、DDSクロック速度、FTW、DDSへのDDS更新速度、所望のDDS更新速度のための等価LSB、およびLSBアキュムレータの現在位相に基づいて、所望の出力周波数のコヒーレント位相を生成する。
等価周波数を提供するステップを設けることにより、FTWのLSB(通常は1)にDDSクロック速度を乗算し、それをDDS更新速度で除算することにより、所望のDDS更新速度の等価周波数LSBを得ることができる。現在位相を提供するステップを設けることにより、LSBアキュムレータの現在位相を所望のDDS更新のための等価周波数LSBに加算することができる。コヒーレント位相を生成するステップを設けることにより、FTWにLSBアキュムレータの現在位相を乗算し、その結果の小数部分を利用することにより、コヒーレント位相を生成することができる。コヒーレント位相の小数部分は、DDS内の位相レジスタのサイズすなわち桁数に合わせてLSBが切り捨てられた、360度より小さい積の部分とすることができる。
本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明したが、当業者には、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ、それらの要素を等価物に置き換えてもよいことが理解されよう。さらに、本質的な教示から逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況または材料を適応させるよう、多くの修正形態が作られることもある。
本発明による位相持続アジャイル信号発生装置を示すブロック図である。 本発明による位相持続アジャイル信号発生装置のプロセスの流れ図である。
Figure 2008522505
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Claims (20)

  1. 位相持続アジャイル信号発生方法であって、
    直接ディジタルシンセサイザ(DDS)クロック速度を提供し、
    所望の出力周波数のための周波数同調ワード(FTW)を提供し、
    所望のDDS更新速度のためのDDS更新を提供し、
    前記所望のDDS更新速度のための等価周波数最下位ビット(LSB)を提供し、
    LSBアキュムレータの現在位相を提供し、
    少なくとも、前記DDSクロック速度、FTW、前記DDSへのDDS更新速度、前記所望のDDS更新速度のための等価LSB、および前記LSBアキュムレータの現在位相に基づいて、前記所望の出力周波数のコヒーレント位相を生成することと、を含む方法。
  2. 前記等価周波数を提供するステップは、前記FTWの前記LSBに前記DDSクロック速度を乗算し、および前記DDS更新速度で除算することにより、前記所望のDDS更新速度の前記等価周波数LSBを取得することをさらに含む請求項1に記載の方法。
  3. 前記現在位相を提供するステップは、前記LSBアキュムレータの前記現在位相を前記所望のDDS更新のための前記等価周波数LSBに加算することをさらに含む請求項1に記載の方法。
  4. 前記コヒーレント位相を生成するステップは、前記FTWに前記LSBアキュムレータの前記現在位相を乗算し、およびその結果の小数部分を利用することにより、前記コヒーレント位相を生成することをさらに含む請求項1に記載の方法。
  5. 前記コヒーレント位相の前記小数部分は、360度からなるフルサイクルの何分の一かであるところの、前記コヒーレント位相の部分である請求項4に記載の方法。
  6. 等価アキュムレータと、
    前記等価位相アキュムレータに通信可能に接続された直接ディジタルシンセサイザ(DDS)とを備えた、位相持続アジャイル信号発生装置であって、
    前記位相持続アジャイル信号発生装置は、前記DDSが別の出力周波数にプログラムされ、かつ次いで元の周波数に戻ったとき、前記DDSの出力周波数を位相追跡して前記DDSの出力周波数の時間連続位相を維持するよう構成されている装置。
  7. 前記等価アキュムレータは、最下位ビット(LSB)アキュムレータを備えている請求項6に記載の装置。
  8. 前記LSBアキュムレータは、
    周波数同調ワード(FTW)をプログラミングするためのプログラマブルなレジスタと、
    加算論理回路と、
    所望のDDS更新速度のためのDDS更新が発生した時に現在位相を格納するためのレジスタとを備えている請求項7に記載の装置。
  9. 前記加算論理回路は、前記所望のDDS更新速度のための等価周波数LSBの信号を受信する請求項8に記載の装置。
  10. 前記装置は、前記周波数同調ワードの最下位ビットに直接ディジタルシンセサイザクロック速度を乗算し、および直接ディジタルシンセサイザ更新速度で除算することにより、所望のDDS更新速度用の等価周波数最下位ビットを取得するように構成されている請求項6に記載の装置。
  11. 前記装置は、前記最下位ビットアキュムレータの現在位相を所望のDDS更新のための前記等価周波数最下位ビットに加算するように構成されている請求項7に記載の装置。
  12. 前記装置は、前記周波数同調ワードに前記LSBアキュムレータの現在位相とを乗算し、およびその結果の小数部分を利用することにより、コヒーレント位相を生成するように構成されている請求項6に記載の装置。
  13. 前記コヒーレント位相の小数部分は、フルサイクルが360度からなる場合に、フルサイクルの何分の一かであるところの、前記コヒーレント位相の部分である請求項11に記載の装置。
  14. 直接ディジタルシンセサイザ(DDS)クロック速度を提供するステップと、
    所望の出力周波数のための周波数同調ワード(FTW)を提供するステップと、
    所望のDDS更新速度のためのDDS更新を提供するステップと、
    所望のDDS更新速度のための等価周波数最下位ビット(LSB)を提供するステップと、
    LSBアキュムレータの現在位相を提供するステップと、
    前記DDSクロック速度、FTW、前記DDSへのDDS更新速度、前記所望のDDS更新速度のための等価LSB、および前記LSBアキュムレータの現在位相に基づいて、前記所望の出力周波数のコヒーレント位相を生成するステップとを実行するための位相持続アジャイル信号発生命令を有するコンピュータ読取可能媒体を含むコンピュータプログラム製品。
  15. 前記等価周波数を提供するステップは、前記FTWの前記最下位ビットに前記DDSクロック速度を乗算し、および前記DDS更新速度で除算することにより、前記所望のDDS更新速度のための前記等価周波数最下位ビットを取得することをさらに含む請求項14に記載のコンピュータプログラム製品。
  16. 前記現在位相を提供するステップは、前記LSBアキュムレータの前記現在位相を所望のDDS結果のための前記等価周波数最下位ビットに加算することをさらに含む請求項14に記載のコンピュータプログラム製品。
  17. 前記コヒーレント位相を生成するステップは、前記FTWに前記LSBアキュムレータの前記現在位相を乗算し、およびその結果の小数部分を利用することにより、前記コヒーレント位相を生成することをさらに含む請求項14に記載のコンピュータプログラム製品。
  18. 前記コヒーレント位相の前記小数部分は、フルサイクルが360度からなる場合に、フルサイクルの何分の一かであるところの、前記コヒーレント位相の部分である請求項17に記載のコンピュータプログラム製品。
  19. コヒーレント位相アルゴリズムコードをさらに含む請求項14に記載のコンピュータプログラム製品。
  20. 位相コヒーレンシーシミュレーションコードと位相アキュムレータコードのための自動テストベンチとをさらに含む請求項14に記載のコンピュータプログラム製品。
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