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TWI634751B - 無唯讀記憶體之直接頻率合成器 - Google Patents

無唯讀記憶體之直接頻率合成器 Download PDF

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TWI634751B
TWI634751B TW106120444A TW106120444A TWI634751B TW I634751 B TWI634751 B TW I634751B TW 106120444 A TW106120444 A TW 106120444A TW 106120444 A TW106120444 A TW 106120444A TW I634751 B TWI634751 B TW I634751B
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王朝欽
王登賢
劉運昇
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國立中山大學
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

一種直接頻率合成器包含一相位累加器及一相位振幅轉換器，該相位振幅轉換器具有一第一補數單元、一第一係數單元、一平方器、複數個第二係數單元、一第三係數單元及一第二補數單元，該第一補數單元耦接該相位累加器，該平方器耦接該第一補數單元及該第一係數單元，該些第二係數單元耦接該平方器，該第二補數單元耦接該些第二係數單元及該第三係數單元，其中，該第一係數單元、各該第二係數單元及該第三係數單元分別具有複數係數區段及一多工器，該多工器耦接該些係數區段，其中該些係數區段是根據一弦波之一曲率變化量進行非均分之分段。

Description

無唯讀記憶體之直接頻率合成器
本發明是關於一種直接頻率合成器，特別是關於一種無唯讀記憶體之直接頻率合成器。
請參閱台灣專利公告號I469528「直接頻率合成器」，該直接頻率合成器包含一相位累加器及一相位振幅轉換器，該相位振幅轉換器係具有一第一補數單元、一電性連接該第一補數單元之第一加法器、一電性連接該第一補數單元及該第一加法器之第二係數單元、一電性連接該第一加法器之平方器、一電性連接該第一補數單元及該平方器之第一係數單元、一電性連接該第一補數單元之第三係數單元、一電性連接該第一係數單元及該第三係數單元之第二加法器以及一電性連接該第二加法器之第二補數單元，請再參查該專利說明書之圖式第2圖，其中該直接頻率合成器對弦波的分段方式是相位介於0至π/8區分為1段，相位介於π/8至π/2則均等地區分為15段，讓該直接頻率合成器輸出之弦波的無雜散動態範圍(Spurious-free Dynamic Range,SFDR)達到68.67dBc，相較於0至π/2完全均等區分為16段之直接頻率合成器提昇了3.95dBc。
本發明的主要目的在於依據一弦波之曲率變化量進行非均分之分段，可大幅提昇該直接頻率合成器輸出弦波的SFDR，讓該直接頻率合成器能符合現代無線通訊及生醫工程對於高純度弦波之要求。
本發明之一種直接頻率合成器包含一相位累加器及一相位振幅轉換器，該相位累加器接收一頻率控制碼，該相位振幅轉換器具有一第一補數單元、一第一係數單元、一平方器、複數個第二係數單元、一第三係數單元及一第二補數單元，該第一補數單元耦接該相位累加器，該平方器耦接該第一補數單元及該第一係數單元，該些第二係數單元耦接該平方器，該第二補數單元耦接該些第二係數單元及該第三係數單元，其中，該第一係數單元、各該第二係數單元及該第三係數單元分別具有複數個係數區段及一多工器，該多工器耦接該些係數區段，其中該些係數區段是根據一弦波之一曲率變化量進行非均分之分段。
本案之該直接頻率合成器藉由該第一係數單元、該些第二係數單元及該第三係數單元以該弦波之曲率變化量進行分段，可使該直接頻率合成器之輸出較為符合理想之弦波而可適用於現代之通訊系統及生醫工程。
請參閱第1圖，其為本發明之一第一實施例，一種直接頻率合成器100的電路圖，該直接頻率合成器100包含一相位累加器110及一相位振幅轉換器120，該相位累加器110接收一頻率控制碼FCW並輸出一相位訊號，該相位振幅轉換器120電性連接該相位累加器110以接收該相位訊號。
請參閱第1圖，該相位累加器110具有一加法器111及一暫存器112，該加法器111接收該頻率控制碼FCW，該暫存器112電性連接該加法器111，該暫存器112用以儲存該加法器111之輸出，且該暫存器112之輸出再回傳至該加法器111與輸入訊號相加，使該相位累加器110對該頻率控制碼FCW累加，以提供該相位振幅轉換器120所需之相位訊號。
在本實施例中，該頻率控制碼FCW為32位元，該相位累加器110對該頻率控制碼FCW進行累加後以相位截斷技術(Phase truncation)取最高之20位元作為相位訊號傳送至該相位振幅轉換器120，其中，20位元中的最高有效位元MSB (Most significant bit)用以控制該相位振幅轉換器120之一第二補數單元126輸出上下對稱之訊號，而20位元中的次高有效位元2 ndMSB用以控制該相位振幅轉換器120之一第一補數單元121輸出左右對稱之訊號。
在本實施例中，較佳的，該相位振幅轉換器120是以拋物線內插法(Parabolic Interpolation)進行取樣，其取樣方程式為： 其中 為一第二係數， 為一輸入訊號， 為一第一係數， 為一第三係數， 為該弦波於π/2相位中根據曲率變化量所分段之數量， 為第i個分段。由於弦波具有左右及上下對稱之特性，因此，僅須對π/2相位進行取樣即可合成完整週期之弦波。
為達成上述之取樣，該相位振幅轉換器120具有該第一補數單元121、一第一係數單元122、一平方器123、複數個第二係數單元124、一第三係數單元125及一第二補數單元126，其中該第一補數單元121耦接該相位累加器110，以接收相位訊號剩餘之18位元，且該第一補數單元121受該次高有效位元2 ndMSB控制，而輸出左右對稱之訊號。
請參閱第2圖，其為一弦波及其曲率於相位0至π/2之間的關係圖，可以看到弦波之曲率於相位小0.4時的變化並不大，接著在相位大於0.4時曲率急劇的上升，最後在相位大於1.4後曲率的變化再度趨於平緩，因此，本發明是根據該弦波之一曲率變化量進行非均分之分段，請參閱第3圖，為該弦波之曲率變化量與相位之間的關係圖，本發明是將曲率之變化量較大的區間分段為較多的區段，以避免曲率變化量過大導致弦波與拋物線之間誤差過大的情形發生，在本實施例中，較佳的，在曲率於相位0至π/2之間，該弦波之曲率變化量於0.4以下之一個區間分段為一個區段，該弦波之曲率變化量介於0.4至0.6之一區間分段為一個區段，該弦波之曲率變化量介於0.6至0.8之一區間分段為兩個區段，該弦波之曲率變化量介於0.8至1.0之一區間分段為三個區段，該弦波之曲率變化量大於1.0之一區間分段為一個區段，由於該弦波之曲率變化量的最大值約位於相位1.1，因此，在相位小於及大於相位1.1可分別分段為8個區段，因此，相位0至π/2之間總共分為16個區段，該第一係數單元122、該第二係數單元124及該第三係數單元125均依此方式進行分段。
請參閱第1圖，該第一係數單元122具有複數個第一係數區段122a及一多工器122b，該多工器122b電性連接該些第一係數區段122a，該些第一係數區段122a是根據上述該弦波之該曲率變化量進行非均分之分段，因此，該第一係數單元122具有16個該第一係數區段122a，該多工器122b受該相位訊號之第3至第6高有效位元3 nd~6 ndMSB控制，以決定輸出哪個該第一係數區段122a之該第一係數 b i 。
該平方器123耦接該第一補數單元121及該第一係數單元122，以接收該第一補數單元121之輸出及該第一係數單元122經由一加法器相加之訊號，該平方器123將該加法器相加之訊號相乘，以達成平方之功效。
該些第二係數單元124耦接該平方器123以接收該平方器123輸出之平方訊號，各該第二係數單元124具有複數個第二係數區段124a及一多工器124b，該多工器124b耦接該些第二係數區段124a，該些第二係數區段124a是用以將該平方訊號進行移位，在本實施例中，共具有15個該第二係數單元124，以15個該第二係數單元124之各該第二係數區段124a對該平方訊號進行移位而達成乘法。各該第二係數單元124之該些第二係數區段124a是根據上述該弦波之該曲率變化量進行非均分之分段，因此，各該第二係數單元124具有16個該第二係數區段124a，該些多工器124b受該相位訊號之第3至第6高有效位元3 nd~6 ndMSB控制，以決定進行哪個該第二係數區段124a之該第二係數 a i 的移位。
該第三係數單元125具有複數個第三係數區段125a及一多工器125b，該多工器125b電性連接該些第三係數區段125a，該些第三係數區段125a是根據上述該弦波之該曲率變化量進行非均分之分段，因此，該第三係數單元125具有16個該第三係數區段125a，該多工器125b受該相位訊號之第3至第6高有效位元3 nd~6 ndMSB控制，以決定輸出哪個該第三係數區段125a之該第三係數 c i 。
該第二補數單元126耦接該些第二係數單元124及該第三係數單元125，以接收該些第二係數單元124及該第三係數單元125經由複數個加法器相加之訊號，且該第二補數單元126受該最高有效位元MSB控制，而輸出上下對稱之訊號，該訊號即為完整之弦波訊號。
請參閱第4圖，其為本發明之一第二實施例，其與第一實施例的差異在於其另包含有一第一管線暫存器127、一第二管線暫存器128、一第三管線暫存器129及一第四管線暫存器130，該第一管線暫存器127電性連接該相位累加器110，該第二管線暫存器128電性連接該第一係數單元122及該第一補數單元121，該第三管線暫存器129電性連接該平方器123，該第四管線暫存器130電性連接該些第二係數單元124，其中該第四管線暫存器130為一五階管線暫存器，藉該些管線暫存器可有效地提昇整體之該直接頻率合成器100的操作速度。
請參閱第5圖，為本發明之該直接頻率合成器100輸出之弦波的SFDR，可知本案之該直接頻率合成器100藉由該第一係數單元122、該些第二係數單元124及該第三係數單元125以該弦波之曲率變化量進行分段，可使該直接頻率合成器100輸出之弦波的SFDR達95.16 dBc，相較於先前技術顯著提昇了26.49 dBc，本發明之該直接頻率合成器100之確實較為理想而可適用於現代之通訊系統及生醫工程。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100‧‧‧直接頻率合成器
110‧‧‧相位累加器
111‧‧‧加法器
112‧‧‧暫存器
120‧‧‧相位振幅轉換器
121‧‧‧第一補數單元
122‧‧‧第一係數單元
122a‧‧‧第一係數區段
122b‧‧‧多工器
123‧‧‧平方器
124‧‧‧第二係數單元
124a‧‧‧第二係數區段
124b‧‧‧多工器
125‧‧‧第三係數單元
125a‧‧‧第三係數區段
125b‧‧‧多工器
126‧‧‧第二補數單元
127‧‧‧第一管線暫存器
128‧‧‧第二管線暫存器
129‧‧‧第三管線暫存器
130‧‧‧第四管線暫存器
FCW‧‧‧頻率控制碼
第1圖：依據本發明之第一實施例，一種直接頻率合成器的電路圖。
第2圖：依據本發明之第一實施例，一弦波及其曲率的關係圖。
第3圖：依據本發明之第一實施例，對該弦波之曲率進行分段之示意圖。
第4圖：依據本發明之第二實施例，一種直接頻率合成器的電路圖。
第5圖：本發明之該直接頻率合成器輸出之弦波的SFDR。

Claims (7)

  1. 一種直接頻率合成器，其包含：一相位累加器，接收一頻率控制碼；以及一相位振幅轉換器，具有一第一補數單元、一第一係數單元、一平方器、複數個第二係數單元、一第三係數單元及一第二補數單元，該第一補數單元耦接該相位累加器，該平方器耦接該第一補數單元及該第一係數單元，該些第二係數單元耦接該平方器，該第二補數單元耦接該些第二係數單元及該第三係數單元；其中，該第一係數單元、各該第二係數單元及該第三係數單元分別具有複數個係數區段及一多工器，該多工器耦接該些係數區段，其中該些係數區段是根據一弦波之一曲率變化量進行非均分之分段，其中該弦波之曲率變化量於0.4以下之一個區間分段為一個該係數區段，該弦波之曲率變化量介於0.4至0.6之一區間分段為一個該係數區段，該弦波之曲率變化量介於0.6至0.8之一區間分段為兩個該係數區段，該弦波之曲率變化量介於0.8至1.0之一區間分段為三個該係數區段，該弦波之曲率變化量大於1.0之一區間分段為一個該係數區段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直接頻率合成器，其另包含有一第一管線暫存器、一第二管線暫存器、一第三管線暫存器及一第四管線暫存器，該第一管線暫存器電性連接該相位累加器，該第二管線暫存器電性連接該第一係數單元及該第一補數單元，該第三管線暫存器電性連接該平方器，該第四管線暫存器電性連接該些第二係數單元。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之直接頻率合成器，其中該第四管線暫存器為一五階管線暫存器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直接頻率合成器，其中共具有15個該 第二係數單元，其中該些第二係數單元藉由對訊號移位而達成乘法。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之直接頻率合成器，其中該相位振幅轉換器是以拋物線內插法(Parabolic Interpolation)進行取樣，其取樣方程式為： 其中a i 為一第二係數，x為一輸入訊號，b i 為一第一係數，c i 為一第三係數，M為該弦波之π/2相位的曲率變化量所分段之數量，i為第i個分段。
  6. 一種直接頻率合成器，其包含：一相位累加器，接收一頻率控制碼；以及一相位振幅轉換器，具有一第一補數單元、一第一係數單元、一平方器、複數個第二係數單元、一第三係數單元及一第二補數單元，該第一補數單元耦接該相位累加器，該平方器耦接該第一補數單元及該第一係數單元，該些第二係數單元耦接該平方器，該第二補數單元耦接該些第二係數單元及該第三係數單元；其中，該第一係數單元、各該第二係數單元及該第三係數單元分別具有複數個係數區段及一多工器，該多工器耦接該些係數區段，其中該些係數區段是根據一弦波之一曲率變化量進行非均分之分段，且另包含有一第一管線暫存器、一第二管線暫存器、一第三管線暫存器及一第四管線暫存器，該第一管線暫存器電性連接該相位累加器，該第二管線暫存器電性連接該第一係數單元及該第一補數單元，該第三管線暫存器電性連接該平方器，該第四管線暫存器電性連接該些第二係數單元。
  7. 一種直接頻率合成器，其包含：一相位累加器，接收一頻率控制碼；以及一相位振幅轉換器，具有一第一補數單元、一第一係數單元、一平方器、複 數個第二係數單元、一第三係數單元及一第二補數單元，該第一補數單元耦接該相位累加器，該平方器耦接該第一補數單元及該第一係數單元，該些第二係數單元耦接該平方器，該第二補數單元耦接該些第二係數單元及該第三係數單元；其中，該第一係數單元、各該第二係數單元及該第三係數單元分別具有複數個係數區段及一多工器，該多工器耦接該些係數區段，其中該些係數區段是根據一弦波之一曲率變化量進行非均分之分段，且共具有15個該第二係數單元，其中該些第二係數單元藉由對訊號移位而達成乘法。
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