一种直接数字频率合成方法及合成器与流程

本发明涉及直接数字频率合成，具体的说是一种直接数字频率合成方法及合成器。

背景技术：

1、随着电子设备的快速发展，对高频率和高精度信号的需求不断上升。ddfs(directdigital frequency synthesizer，直接数字频率合成器)因其高频率分辨率、快速频率转换以及宽输出范围等优势，成为当前研究的重要领域之一。

2、传统ddfs的主要架构包括相位累加器、波形查找表、数模转换器以及低通滤波器，波形查找表存储在rom中，并且存储有目标波形的相位和幅值。架构的输入数据包括相位控制字pword和频率控制字fword，在每个系统时钟周期内，相位累加器的值以fword为步长进行累加，再与pword相加后得到当前时刻目标波形的准确相位。相位累加器获得的准确相位数据会进行截断，以截断后的准确相位为地址索引访问波形查找表，从而获取对应的幅值数据，最后通过数模转换器与低通滤波器输出生成平滑的波形信号。

3、在传统的ddfs中，目标波形的相位和幅值数据越多，则输出波形的精确度越高，但是这需要巨大的rom空间，难以实现。而如果减少目标波形的相位和幅值数据，从而减小对rom的需求，又会因为rom的限制，导致部分准确相位的截断引起的误差严重制约了无杂散动态范围(sfdr)指标。

4、目前，现有技术中主要通过提升ddfs的性能或者减少资源占用两个方面对传统的ddfs进行改进优化。例如，文献“tang,s.；li,c.；hou,y.a suppressing method for spurcaused by amplitude quantization in dds.ieee access 2019,7,62344-62351.doi:10.1109/access.2019.2915677.”中公开了一种分段线性逼近的方法，通过提高振幅的量化程度，减小量化引起的杂散；文献“choi,j.-m.；yoon,d.-h.；jung,d.-k.；seong,k.；han,j.-s.；lee,w.；baek,k.-h.design and analysis of low power and high sfdr directdigital frequency synthesizer.ieee access 2020,8,67581-67590.doi:10.1109/access.2020.2986016.”公开了一种新的低功耗ddfs(lp-ddfs)设计拓扑，提出一种最小化sndr退化效应和频率偏移的抖动方法，提高了ddfs的sfdr；文献“wang,c.-c.；sulistiyanto,n.；shih,h.-y.；lin,y.-c.；wang,w.power-effective rom-lessddfsdesign approach with high sfdr performance.journal of signal processingsystems 2019,92(2),213-224.doi:10.1007/s11265-019-01460-x.”公开了一种基于插值方案的无rom直接数字频率合成器设计方法，利用合理选择系数和管道结构的抛物方程来提高sfdr。这些现有技术主要着眼于性能和资源消耗中的其中一个方面进行改进，没有实现二者的兼顾。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种直接数字频率合成方法及合成器，生成的波形精确度更高，并且消耗的rom资源更少。

2、为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种直接数字频率合成方法，包括如下步骤：

3、确定目标波形的关键节点，并且根据关键节点生成目标相位、目标幅值和一阶导数值；

4、根据目标相位、目标幅值和一阶导数值构建波形查找表；

5、利用频率控制字和相位控制字计算基准相位；

6、根据基准相位和目标相位的匹配关系从波形查找表中读取出目标幅值和一阶导数值；

7、利用目标相位和一阶导数值对目标幅值进行三次hermite插值，得到实际幅值；

8、根据目标幅值和实际幅值生成数字信号，并且依次通过数模转换和滤波输出模拟波形。

9、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：确定目标波形的关键节点的具体方法包括：

10、确定频率分辨率；

11、根据频率分辨率确定采样点的数量；

12、根据采样点的数量对目标波形进行采样得到关键节点。

13、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：根据目标相位和一阶导数值对目标幅值进行三次hermite插值的具体方法包括：

14、利用hermite插值函数对目标波形中位于两个相邻关键节点之间的部分曲线进行拟合；

15、将hermite插值函数转换为基函数；

16、利用相邻两个关键节点的目标幅值和一阶导数值对基函数进行解算得到两个关键节点之间插值点的实际幅值。

17、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：hermite插值函数表示为：

18、

19、其中，xk,(1≤k≤n)为关键节点，n为关键节点的数量，fk,(1≤k≤n)为关键节点的目标幅值，fk',(1≤k≤n)为一阶导数值；

20、基函数表示为：

21、h(x)＝h0ya+h1yb+h2ma+h3mb；

22、h0＝2t3-3t2+1；

23、h1＝t3-2t2+t；

24、h2＝-2t3+3t2＝1-h0；

25、h3＝t3-t2；

26、其中，a和b为两个相邻的关键节点，ya为关键节点a的幅值，yb为关键节点b的幅值，t为插值点在关键节点a和关键节点b之间的位置，并且有

27、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：构建波形查找表时，根据目标波形的波形特性对目标相位和目标幅值进行压缩。

28、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：构建波形查找表后对存储波形查找表，存储时按照所有关键节点的顺序将所有目标幅值和所有一阶导数值均分为两组，两组目标幅值分别为位于奇数位次的目标幅值和位于偶数位次的目标幅值，两组一阶导数值分别为位于奇数位次的一阶导数值和位于偶数位次的一阶导数值，两组目标幅值和两组一阶导数值对应组合后分别存储。

29、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：根据频率控制字和相位控制字生成基准相位的具体方法包括：

30、根据参考时钟计算频率控制字的累加和；

31、将频率控制字的累加和与相位控制字相加得到基准相位。

32、作为上述一种直接数字频率合成方法的进一步优化：从波形查找表中读取出目标幅值和一阶导数值之后，对目标幅值和一阶导数值进行延迟处理。

33、一种直接数字频率合成器，用于实现上述的一种直接数字频率合成方法，所述直接数字频率合成器包括：

34、相位累加器，用于根据频率控制字和相位控制字生成基准相位；

35、存储器，用于存储所述波形查找表；

36、插值模块，用于根据一阶导数值对目标幅值进行三次hermite插值，得到实际幅值；

37、数模转换模块，用于对数字信号进行数模转换；

38、滤波模块，用于对数模转换后的数字信号进行滤波处理输出所述模拟波形。

39、有益效果：本发明利用三次hermite插值法对目标幅值进行插值处理，能够重构高保真度的目标波形，并且减少数据存储单元的消耗量，有效避免了ddfs数字化过程中振幅量化导致的杂散问题；本发明对目标幅值和三次hermite插值计算所需要用到的一阶导数值进行了数据压缩处理，并且设计了匹配的rom结构，能够进一步减少rom资源的消耗量。