DDS流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

摘要：分析了DDS中流水線結(jié)構(gòu)及輸入數(shù)據(jù)在其中移動(dòng)的特點(diǎn)，提出了一種DDS流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，給出了實(shí)現(xiàn)的方法并作了仿真，分析了對(duì)DDS電路性能的改進(jìn)方案。

關(guān)鍵詞：DDS 流水線 改進(jìn)的流水線結(jié)構(gòu)

DDS(Direct Digital Synthesizer)以其頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速率快及波形變換靈活等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、GPS、蜂窩基站有HDTV等領(lǐng)域。DDS相位字長(zhǎng)及運(yùn)算速度決定了DDS的性能[1]，相位累加器、移相加法器及LUT的字長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率分辨率及波形精度越高，相位截尾誤差越小[2]。目前DDS相位累加器的位數(shù)一般在32～48位之間;而時(shí)鐘頻率越高，輸出頻率的范圍越大。流水線是高速電路中一種常用的技術(shù)[3]，高速、高精度DDS的相位累加器、相移加法器、用于調(diào)幅及正交調(diào)制的乘法器都采用了流水線結(jié)構(gòu)。

普通的流水線結(jié)構(gòu)所占用的寄存器資源和其級(jí)數(shù)的平方比正比，無(wú)論是現(xiàn)有的專用DDS集成電路，還是采用FPGA等可編程器件實(shí)現(xiàn)，都將占用大量寄存器資源。其實(shí)，DDS中的輸入數(shù)據(jù)一般在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持不變?；谶@一特點(diǎn)，本文提出一種改進(jìn)的DDS流水線結(jié)構(gòu)，可以大大減少占用的寄存器資源。

1 問(wèn)題的提出

1.1 DDS結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是包含移相及調(diào)幅部分的相位累加型DDS的結(jié)構(gòu)框圖。每一時(shí)鐘周期，N位相位累加器PA與N位頻率控制字FW累加一次。其結(jié)果的高M(jìn)位作波形表LUT(Look-Up Table)的地址，如果加上PSR的值可實(shí)現(xiàn)移相，從LUT中讀出D位波形數(shù)據(jù)送DAC。若乘以AR的值還可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。改變FW的值可改變輸出頻率，改變PSR的值可實(shí)現(xiàn)調(diào)相，改變AR的值可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。一般情況下，F(xiàn)W、PSR及AR刷新頻率要比DDS系統(tǒng)時(shí)鐘慢得多。

1.2 DDS中流水線結(jié)構(gòu)

當(dāng)DDS的相位字長(zhǎng)較長(zhǎng)、速度較高時(shí)，相位累加器、移相加法器或其綜合及調(diào)幅乘法器一般都采用流水線結(jié)構(gòu)。以下僅以相位累加器為例，分析流水線的結(jié)構(gòu)、性能及其改進(jìn)。當(dāng)相位累加器采用m級(jí)n位流水線結(jié)構(gòu)時(shí)，有, 這里PA，F(xiàn)W分別是相位累加器的值和相位階距，PAm是各級(jí)加法器的部分和。其中，輸入緩沖流水線為m級(jí)n位，占用寄存器[(m-1)×m×n]/2 位，而相位累加器輸出的高M(jìn)位需m1=int[(m-1)/m]+1級(jí)流水線，占用[(m1-1) ×m1×n]/2+m1×(M mod m)(int[·]是取整運(yùn)算)。圖2、3分別是m=4、n=4、M=8時(shí)相位累加器的結(jié)構(gòu)及時(shí)序圖。此時(shí)，輸入流水線占用24位寄存器;m=8、n=4 時(shí)(32位相位累加器)，輸入流水線占用112位寄存器;m=12、n=4，(48位相位累加器)，占用264位寄存器;若選取m=48、n=1，則占用 1128位寄存器。如果省去輸入流水線，改變相位階距時(shí)，將導(dǎo)致相位紊亂。

2 改進(jìn)的流水線結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)及其工作原理

一般來(lái)說(shuō)，DDS控制數(shù)據(jù)刷新速率遠(yuǎn)低于系統(tǒng)時(shí)鐘。以相位累加器為例，進(jìn)入各組加法器的頻率控制字值，只在數(shù)據(jù)更新后的前m個(gè)時(shí)鐘周期變化。以后各個(gè)周期不再變化?；谶@種情況，可以對(duì)累加器進(jìn)行改進(jìn)，從而節(jié)省部分寄存器。圖4是改進(jìn)輸入流水線的相位累加器結(jié)構(gòu)圖，圖5是輸入數(shù)據(jù)及控制信號(hào)的時(shí)序圖。

在輸入數(shù)據(jù)D0～15(N)準(zhǔn)備好后，由外部控制系統(tǒng)向流水線刷新控制電路 CON發(fā)出一啟動(dòng)信號(hào)Start，CON在Start下降沿后的第一時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，輸入寫入脈沖WR0，將D0～3(N)寫入第一級(jí)流水線寄存器;第二時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，輸出寫入脈沖WR1，將D4～7(N)寫入第二級(jí)流水線寄存器;依次類推，到第四上升沿到來(lái)時(shí)，輸出寫入脈沖WR3，將 D12～15(N)寫入第四級(jí)流水線寄存器，完成一次數(shù)據(jù)的刷新。在以后的周期內(nèi)，這些數(shù)據(jù)將保持不變，直至新的Start到來(lái)。

改進(jìn)后的流水線所占用的寄存器位數(shù)和相位的字長(zhǎng)相等，

與流水線的級(jí)數(shù)無(wú)磁。相位字長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，這種改進(jìn)的效果是非常明顯的。

2.2 刷新控制器的設(shè)計(jì)

刷新控制器實(shí)質(zhì)上是一種陣發(fā)式脈沖分配器，由Start啟動(dòng)，當(dāng)完成一個(gè)周期的脈沖分配輸出后，便停止計(jì)數(shù)。陣發(fā)式脈沖分配器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法很多，以下是基于Altera的FPGA，以MAX+Plus Ⅱ的HDL實(shí)現(xiàn)的陣發(fā)式脈沖分配器，流水線中的寄存器為上升沿有效，延遲時(shí)間為12.5ns，速度可達(dá)80MHz(FLEX 10K20RC240-4)，圖6是其仿真結(jié)果。

(FLEX 10K20RC240-4)，圖6是其仿真結(jié)果。

SUBDESIGN control

(cp,start : INPUT;

q3,q2,q1,q0 : OUTPUT;)

VARIABLE

s:MACHINE OF BITS (q3,q2,q1,q0)WITH STATES

(s0=b0000,s1=b0001,s2=b0010,

s3=b0100,s4=b1000);

BEGIN

s.clk = cp;

s.reset = start;

TABLE s=>s;

s0=>s1;s1=>s2;s2=>s3;s3=>s4;s4=>s4;

END TABLE;

END;

2.3 性能改善

2.3.1 寄存器的減少

輸入流水線結(jié)構(gòu)改后后，寄存器的位數(shù)和相位累加器的位數(shù)呈線性關(guān)系，位數(shù)大大減少，特別是對(duì)級(jí)數(shù)較多的流水線，即使對(duì)寄存器密集型的FPGA，這也是有益的。

2.3.2 功耗降低

由于僅在刷新數(shù)據(jù)時(shí)，流水線中觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生改變，在以后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，狀態(tài)不再改變，這對(duì)降低電路功耗是有益的。

2.4 應(yīng)用

在刷新數(shù)據(jù)時(shí)，只要輸出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，使用方法和方案一樣便捷。啟動(dòng)信號(hào)通常由外部控制電路給出，上例中，

刷新動(dòng)作從啟動(dòng)信號(hào)Start后的第一個(gè)時(shí)鐘上升沿開始。

需要注意的是，在刷新數(shù)據(jù)時(shí)，每一組數(shù)據(jù)保持的時(shí)鐘周期數(shù)必須大于流水線的級(jí)數(shù)。上命名中，數(shù)據(jù)必須保持4個(gè)時(shí)鐘周期以上，否則高位數(shù)據(jù)將不能傳送到相應(yīng)級(jí)的累加器。

本文分析了高速DDS中的頻率控制字、相移字等輸入數(shù)據(jù)的變化特點(diǎn)。提出了一種 DDS流水線結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，給出了具體實(shí)現(xiàn)的方法及仿真，并成功地用于高頻高精度AWG的研制。用這種方法設(shè)計(jì)的DDS及NCO等電路，降低了寄存器的占用，也降低了系統(tǒng)的功耗，可有效提高電路的性能價(jià)格比。這種設(shè)計(jì)方法對(duì)其它的流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。