直接数字频率合成器产生精准频率的方法

摘要

本发明提出的直接数字频率合成器产生精准频率的方法，旨在提供一种当产生的输出频率f

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要应用于高精度导航和高精度遥测领域中，直接频率合成 器由系统时钟产生直扩码频率或者中频频率，当计算出的频率控制字F_word为小 数时，直接数字频率合成器仍然能够产生精准频率的方法

背景技术

直接频率合成器DDS频率合成技术是把一系列数字量形式的信号通过数/模 转换器转换成模拟量形式的信号,DDS本质上是一种高分辨率的数字分频器，通 过频率调节字来分频系统时钟，以输出所需的频率。DDS的结构有很多种，其基 本的电路原理如图2所示，主要由固定频率字寄存器、相位累加器、相位寄存 器、波形查找表、模数转换器、低通滤波器组成，其中，DDS在系统时钟信号f_s的控制下，通过由频率控制字控制的相位累加器输出相位码，将存储于波形存 储器中的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经D/A转换和低通滤波后输 出波形。

在图2所示的现有技术中，DDS输出信号的频率f_o与输入系统时钟频率f_s以及频率控制字F_word之间的关系式：

$F_{\mathrm{word}}=\frac{f_o}{f_s}\times 2^N---\left(1\right)$

其中，f_o是DDS输出频率,f_s是DDS输入频率,N为相位累加器的位数，频 率控制字为F_word。f_o是已知的需要产生的频率，f_s、2^N也都是已知的，通过 公式(1)可以计算出频率控制字F_word，计算出来的F_word可能是带小数的数值， 但是直接数字频率合成器使用的频率控制字是整数，必须进行取整，因此，就 有数据取舍，最后得到的输出频率就和所需要的频率有一定的误差，导致最终 使用该时钟信号的相位测距时产生误差，误差积累后导致测距值不可用，所以 传统的直接数字频率合成器不能产生精准的输出时钟信号。因此，上述现有技 术在需要产生任意频率的输出信号时，如果由公式(1)求算出来的频率控制字 F_word为小数，则不能产生精准输出频率，所以，传统直接数字频率合成器无法 完成所需的要求。

高精度导航和高精度遥测领域中，需要使用直扩码的码相位或者载波的载 波相位进行测距，但是，频率控制字F_word为小数时，用一个固定的整数频率控 制字通过直接数字频率合成器产生的频率，带有频率残差，不是很精准的频率， 在进行测距的时候，就会有距离误差的积累，随着时间的增加，积累的误差会 越来越大，导致测距结果不可用，使得现有的直接数字频率合成器产生频率的 方法不能适应频率控制字F_word为小数条件下，需要用码相位或载波相位测距的 场合。

发明内容

本发明的目的是针对现有直接数字频率合成器技术存在的不足之处，提供 一种计算出来的频率控制字F_word为小数数值时，仍能产生精准输出频率而没有 频率残差的方法，以解决现有直接数字频率合成器此时不能产生精准频率的问 题。

本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种直接数字频率合成器产生 精准频率的方法，其特征在于包括如下步骤：在直接数字频率合成器基本的电 路中，采用一个频率字序列寄存器代替固定频率寄存器，并按以下规则设计频 率字序列：（1）频率控制字F_word为小数时，把这个小数精确转化为，由k个整 数F_word1、F_word2…F_wordk组成的序列长度为K的一个整数序列F₁、F₂…F_K的 均值，以满足序列F₁、F₂…F_K的序列均值与小数F_word完全相等；（2）将整 数F_word1、F_word2…F_wordk选取为小数F_word附近的整数；（3）将整数F_word在 序列中的位置均匀散开分布，达到K长度序列F₁、F₂…F_K中任一小段的均值 尽量接近小数F_word，然后将设计好的F₁、F₂…F_K序列存储于频率字序列寄存 器中，循环地按顺序读取这个序列中的每个频率控制字去和相位累加器进行累 加，使输出频率和需要的频率完全相同，其中k为＞1的整数，K为≮k的整数。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明在传统直接数字频率合成 器的基础上，通过设计频率字序列来代替固定的频率控制字，使得设计的这个 频率字序列的均值等于按照公式(1)求算出来的小数频率控制字，然后循环地按 顺序读取这个序列中的每个频率控制字去和相位累加器进行累加，使得输出频 率和需要的频率完全相同，不再有传统直接数字频率合成器所产生的频率残差。 本发明控制电路简单，配置灵活，占用的资源少，使用简单，成本较低，可靠 性高，没有频率残差。

本发明通过合理地设计频率控制字序列，达到精准控制输出频率的效果，使 得输出频率和所要得到的频率完全相同，本发明解决了当计算出的频率控制字 F_word为小数时，现有技术不能产生精准的输出频率f_o的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

图1是本发明产生精准频率的直接数字频率合成器电路原理框图。

图2是现有直接数字频率合成器的电路原理框图。

具体实施方式

参阅图1，在以下描述的一个最佳实施例中，现有直接数字频率合成器是图 2所示,主要包括：固定频率字寄存器、相位累加器、相位寄存器、波形查找表、 数模转换器和低通滤波器。本实施例直接数字频率合成器主要包括频率字序列 寄存器、相位累加器、相位寄存器、波形查找表、数模转换器和低通滤波器， 该直接数字频率合成器是在传统直接数字频率合成器的基础上，采用一个频率 字序列寄存器代替固定频率寄存器。在设计频率字序列时，需满足以下几条规 则：1.频率控制字序列(F₁、F₂……、F_K)的序列均值与F_word完全相等；2. 整数频率控制字需要选取为F_word附近的整数，通常只用两个不同的整数频率控 制字，即F_word1和F_word2，分别取值为小数F_word的上取整整数和小数F_word的 下取整整数；3.整数频率控制字在序列中的位置应尽可能地均匀散开分布，达 到K长度频率控制字序列中任一小段的均值也尽量接近小数F_word的效果，例 如，频率控制字序列(F₁、F₂……、F_K)中，F_word1占J个，F_word2占K-J个， 其中J为1到K之间的整数，序列设计时让F₁、$F_{1+\mathrm{round}(\frac{K}{J}\times 2)},......,F_{1+\mathrm{round}(\frac{K}{J}\times (J-1))}$这J个位置赋值为F_word1，剩下的位置赋 值为F_word2，其中round为四舍五入取整函数，这么设计的频率字序列保证了 F_word1和F_word2在序列中的均匀散开分布。

频率字序列的设计具体实例如下：

如果系统时钟频率f_s为90MHz，要通过直接数字频率合成器产生一个 f_o=10.23MHz的时钟频率信号，相位累加器位宽N取32位，通过公式 计算出的频率控制字为无穷小数，F_word=488194615.9786666， 小数点后的部分用分数表示为然后再按照上述三条设计规则进行频率字 序列设计：首先由第二条，选取两个频率控制字组成序列，F_word1和F_word2分别 取值为小数F_word的上取整整数和小数F_word的下取整整数，即 F_word1=488194616，F_word2=488194615；再由第一条，设计序列长度K取为375， F_word1在序列中的个数J=367，F_word2在序列中的个数为(K-J)=8，代入公 式计算，得到这个序列均值为488194615.9786666，满足 第二条规则；最后由第三条规则确定位置，先进行坐标计算，

$1+\mathrm{round}(\frac{K}{K-J}\times 2)=95,$$1+\mathrm{round}(\frac{K}{K-J}\times 3)=142,$$1+\mathrm{round}(\frac{K}{K-J}\times 4)=189,$

$1+\mathrm{round}(\frac{K}{K-J}\times 5)=235,$$1+\mathrm{round}(\frac{K}{K-J}\times 6)=282,$$1+\mathrm{round}(\frac{K}{K-J}\times 7)=329,$再对 序列排序，让F₁、F₄₈、F₉₅、F₁₄₂、F₁₈₉、F₂₃₅、F₂₈₂、F₃₂₉这8个位置赋值 为F_word2=488194615，剩下的367个位置全部赋值为F_word1=488194616，这样设 计的序列就达到了488194616和488194615在整个序列中的均匀散开分布。

设计好频率字序列后，将设计好的序列存储于频率字序列寄存器中，在一 个90MHz的系统时钟周期内，读取频率字序列中的一个频率控制字到相位累加器 进行一次累加，在第二个90MHz系统时钟周期内，在频率字序列中按顺序读取下 一个频率控制字到相位累加器进行累加，如此循环地按顺序在频率字序列中读 取频率控制字到相位累加器进行累加。再经后续的相位寄存器、波形查找表、 数模转换器、低通滤波器组成一种产生精准10.23MHz频率信号的直接数字频率 合成器。