专利名称：一种用于移动通信的低功耗数字频率合成方法
技术领域：
本发明涉及一种用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，属于移动通信技术领域。
背景技术：
随着互补金属氧化物(以下简称CMOS)工艺技术的迅速发展，片上系统(system-on-chip，以下简称SOC)以其低功耗、低成本和体积小等优点正在成为现代通信系统设计的主流技术。在现代移动通信技术飞速发展的今天，手机的集成电路集成度不断提高，功耗不断下降，所以手机电池的体积和成本不断下降，而待机时间却越来越长。为了提高产品的竞争力，低功耗设计变得非常重要。
数字频率合成器(以下简称DDFS)是手机中收发器的重要电路，它可以提供频率和相位精确可控的频率信号，在各种移动通信产品中广泛应用。它的最大特点是频率的分辨率高，频率的变化快，而且还可以提供相位精确的正交频率信号。数字频率合成的最直接的方法就是把正弦波的采样值存储，并使存储的地址与正弦波的相位相对应。根据不同的相位，取出相应的采样值，然后再把采样值进行数模转换，经过低通滤波之后，就可以产生出频率信号了。
当储存正弦波采样点数很多时，每次从存储器中读取数据都会由于存储器中的字线和位线的电容很大而带来很大的功耗，所以人们通过各种方法来压缩存储器的容量，包括根据所有采样点数值之间的关系和对称特性来压缩存储器，这样可以大大降低由存储器所带来的功耗；或者采用各种算法设计出没有存储器的DDFS。
虽然采用压缩存储器的方法可以减小功耗，但是由于压缩比例有限，当需要DDFS的频率分辨率和量化精度较高时，存储器的功耗依然很大。采用算法虽然可以取消对正弦波采样点数值的存储，但是算法中的计算系数仍然需要一定数量的存储单元，且由于算法中需要的乘法和加法运算本身在频率合成时的功耗不容忽视，所以功耗性能仍然不尽如人意。
发明内容
本发明的目的是针对以上现有技术存在的问题，提出一种用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，通过逻辑产生正弦波采样值，并采用带正负号的数模转换，以减少采样值从绝对值到负值的补码运算，从而减小了相应的数字频率合成电路的面积和功耗。
本发明提出的用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，包括以下各步骤(1)对用于控制合成频率的相位增量进行相位累加，并根据设定的精度，从相位累加结果中取前m位作为输出相位；(2)去除上述相位输出的最高位，用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值；(3)用上述步骤(1)的相位输出的最高位作为控制信号，对上述步骤(2)产生的采样值进行带正负号的数模转换，当控制信号为‘0’时，数模转换的输出为正，当控制信号为‘1’时，数模转换的输出为负；(4)对数模转换信号进行低通滤波，得到合成频率信号。
上述方法中，用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值的过程，包括以下各步骤(1)建立一个相位与正弦波之间的映射表；(2)将需要产生的正弦波采样值依次均匀分成2k份，每份的正弦波采样值的数量为2(m-k-1)，其中k为小于m的正整数；(3)从相位与正弦波之间的映射表中，根据输出相位的后m-k-1位，用逻辑合成的办法得到上述每份正弦波采样值；(4)用输出相位的第m-2位至第m-k-2位作为选通控制信号，对上述每份正弦波采样值进行选通，将被选通的采样数值作为正弦波采样值输出。
本发明提出的用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，与现有技术相比，由于采用逻辑办法合成数据，所以没有数据的读取，这样彻底解决了电路实现时存储器的功耗问题；又由于数据恢复采用了逻辑的方法，所以电路实现时可以通过使用逻辑综合工具对电路的工作速度和功耗进行很好的优化；由于全部是逻辑电路实现的设计，不需要第三方存储器的IP(知识产权)，降低了设计成本；由于本方法实现的电路没有存储器，所以解决了由存储器带来的工艺可靠性和电路抗噪能力方面的问题。本方法中的数模转换是一个带正负控制的数模转换，这样在电路实现时只要产生出正弦波采样值的绝对值，在相位的最高位的控制下就可以直接进行数模转换，减少了从绝对值到负值的补码运算，可以减小电路的面积和功耗。
具体实施例方式
本发明提出的用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，首先对用于控制合成频率的相位增量进行相位累加，并根据设定的精度，从相位累加结果中取前m位作为输出相位，m越大，合成的频率信号的精度越高；去除相位输出的最高位，用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值；用相位输出的最高位作为控制信号，对采样值进行带正负号的数模转换，当控制信号为‘0’时，数模转换的输出为正，当控制信号为‘1’时，数模转换的输出为负；对数模转换信号进行低通滤波，得到合成频率信号。
上述方法中，用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值的过程为首先建立一个相位与正弦波之间的映射表；将需要产生的正弦波采样值依次均匀分成2k份，每份的正弦波采样值的数量为2(m-k-1)，其中k为小于m的正整数，从相位与正弦波之间的映射表中，根据输出相位的后m-k-1位，用逻辑合成的办法得到每份正弦波采样值；用输出相位的第m-2位至第m-k-2位作为选通控制信号，对每份正弦波采样值进行选通，将被选通的采样数值作为正弦波采样值输出。在数字技术中，对于一个m位的数，最高位为第m-1，最低位为第0位。
上述逻辑方法之所以把需要产生的采样值按照顺序均匀的分成2k份，是因为如果直接根据输入输出关系化简出的逻辑非常复杂，这样电路实现的面积和功耗以及速度特性都不好。而通过分块方法，则每块的逻辑都远远小于不分块的方法。如果在电路实现时合理的控制每块的工作顺序，使同一个时钟只有一个块产生数据，而其它的块停止工作，这样在电路实现时就可以大大的降低用逻辑的办法恢复所有数据的面积和功耗。k值越大，每个逻辑块的信号处理量越小，但是对所有逻辑块的地址管理和输出选通的处理量就大大增加，因此在决定k值大小时要同时考虑多方面因素。
上述方法第3步中之所以用带正负号的数模转换，是因为上述方法第2步中产生的正弦波的采样值是正弦波的前半个周期，且全部都是正数，而正弦波的后半个周期全部都是负数，如果不用带正负号的数模转换，则当用前半周期的采样值恢复对应的后半周期的采样值时，在进行数模转换之前需要一次求补码的运算，这样在电路实现时功耗和面积就增加了。因为对应正弦波前半个周期的相位的最高位为‘0’，后半个周期的相位的最高位为‘1’，所以可以用它作为符号位，控制数模转换。
相位输出位数m的确定与数模转换的位数和合成的频率信号的相位噪声抑制特性有关。从理论上讲，数字频率合成的相位噪声只与两个因素有关。一个是由相位累加输出的相位精度，即相位输出位数m，另一个是数模转换的量化精度。只要给定了这样两个数据，任何给定的数字频率合成的频率信号的相位噪声特性都有可能推导出来。由于推导结果非常复杂，这里给出几个相位输出位数m，数模转换的量化误差和合成的频率信号噪声特性之间相互关系的参考值。在理想条件下，由数模转换的量化误差产生的干扰信号大约-6dBc/bit，比如一个8bit数模转换从理论上可以产生-48dBc的噪声抑制特性；如果提供m＝8位的相位输出，只有采用10位以上的数模转换才能得到-50dBc以下噪声特性。而如果采用m＝14位的相位输出，那么10bit的数模转换就可以实现将近-60dBc的干扰信号。总之，无论是相位累加还是数模转换，取的位数越多合成频率信号的噪声抑制特性越好。
当然在这里还有一个折衷的问题，比如要得到-60dBc的噪声抑制指标，如果采用12bit数模转换，只需要提供m＝9位的相位输出即可。而如果采用10bit数模转换，则需要m＝16位的相位输出。在电路实现时，高速工作的数模转换器的位数越多，性能下降越快。而对于相位累加器来说，相位输出位数m越大，则电路的面积和复杂性就越高。在实际设计时要在满足设计要求的情况下在相位累加器和数模转换器的位数之间作出权衡。
权利要求
1.一种用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，其特征在于该方法包括以下各步骤(1)对用于控制合成频率的相位增量进行相位累加，并根据设定的精度，从相位累加结果中取前m位作为输出相位；(2)去除上述相位输出的最高位，用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值；(3)用上述步骤(1)的相位输出的最高位作为控制信号，对上述步骤(2)产生的采样值进行带正负号的数模转换，当控制信号为‘0’时，数模转换的输出为正，当控制信号为‘1’时，数模转换的输出为负；(4)对数模转换信号进行低通滤波，得到合成频率信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)中用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值的过程，包括以下各步骤(1)建立一个相位与正弦波之间的映射表；(2)将需要产生的正弦波采样值依次均匀分成2k份，每份的正弦波采样值的数量为2(m-k-1)，其中k为小于m的正整数；(3)从相位与正弦波之间的映射表中，根据输出相位的后m-k-1位，得到上述每份正弦波采样值；(4)用输出相位的第m-2位至第m-k-2位作为选通控制信号，对上述每份正弦波采样值进行选通，将被选通的采样数值作为正弦波采样值输出。
全文摘要
本发明涉及一种用于移动通信的低功耗数字频率合成方法，属于移动通信技术领域。本方法对用于控制合成频率的相位增量进行相位累加，并根据设定的精度，从相位累加结果中取前m位作为输出相位；去除相位输出的最高位，用逻辑方法产生与剩余位相位相对应的正弦波采样值；用相位输出的最高位作为控制信号，对产生的采样值进行带正负号的数模转换。本发明方法由于采用逻辑办法合成数据，解决了电路实现时存储器的功耗问题；本方法中的数模转换是带正负控制的数模转换，只要产生出正弦波采样值的绝对值，在相位的最高位的控制下就可以直接进行数模转换，减少了从绝对值到负值的补码运算，可以减小电路的面积和功耗。
文档编号H04B1/40GK1564469SQ20041000878
公开日2005年1月12日 申请日期2004年3月19日 优先权日2004年3月19日
发明者李金城, 杨华中, 罗嵘, 汪蕙 申请人:清华大学