频率合成器中ΣΔ调制器的设计与实现

ＣＮ４３—１２５８／ＴＰＩＳＳＮ１００７—１３０Ｘ计算机工程与科学ＣＯＭＰＵＴＥＲＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＳＣｌＥＮＣＥ２００９年第３１卷第１２期Ｖ０１．３１。Ｎｏ．１２。２００９文章编号：１００７—１３０Ｘ（２００９）１２一０１２１一０３频率合成器中∑一△调制器的设计与实现’ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａＳｉｇｍａ—ＤｅｌｔａＭｏｄｕｌａｔｏｒｉｎｔｈｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ刘德建ＬＩＵｍ－ｊｉ锄（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林５４ｌ∞４）（ｓｃｈ００Ｉｏｆｌｎｆ０嗍ｔｊ蚰ａｌｌｄ‘）帅ｍ哪ｉ明ｔｉｏ璐，Ｇｕｉ¨ｎＵｎｉｖｅ体ｉｔｙｏｆＥｌ∞ｔｒｏｎｉｃ１ｋｈ肿Ｉｏ影，Ｇｕｉ¨ｎ５４１００４。Ｃｈｉ衄）摘要：本文首先介绍了泓调制技术的基本原理，分析了一阶及高阶暑△调制器。最后结合一阶黝调制器，给出了在ＦＰ（ｊＡ器件上实现黝调制器的设计。仿真结果表明，设计实现了黝调制器，通过控制分频器实现了小数分频，方法简单易行。与运用Ｍａｔｌａｂ软件仿真的结果完全一致，并进一步证实了高阶数字暑△调制对量化相位噪声的高通整形特性，从而有效地解决了小数分频频率合成器中的小数杂散问题，具有很高的实用性。Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｉｇｍａ—ｄｅｌｔａ删ｕｌａｔｉｏｎａｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｉｒｓｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎｔｈｅｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒｏｎａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｒｏｒｄｅｒｓｉｇＩｎａ～ｄｅｌｔａｍｏｄｕｌａｔｏｒｓａＧＡｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｏｆｓｉ鲫＿ｄｅｌｔａａｍｌｙｚｅｄ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙａｍｅｔｈｏｄｃｏｒｒｅｃｔｆｏｒｔｈｅｓｉｇｍａ—ｄｅｌｔａＩｎｏｄｕｌａｔｏｒｂａｓｅｄＦＰ—ｍｏｄｕｌａｔｏｒｉｓａｎｄｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｔｈｅｓｉｇｎ计ｄｅｌｔａｍｏｄｕｌａｔｏｒａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｌｌａ卜ＮｄｉｖｉｄｅｒｂｙｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｉｖｉｄｅｒｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｒｅｗｅｌｌｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｂａｓｅｄｏｎⅣＬａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｎｎｏｉｓｅｓｈａｐｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈ—ｓｉｇｍａ—ｄｅｌｔａｍｏｄｕｌａｔｏｒｉｓｆｕｒｔｈｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｖｅｒｉｆｉｅｄ．ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒｃａｎｅｒ－ｏｒｄｅｒｑｕｅｎｃｙＴｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｌｓｐｕｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｍｌ—Ｎｆｒｅ—ｂｅｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｂｙｔｈｅｌｏｏｐｆｉｌｔｅｒｏｆｔｈｅｐｈａｓｅ‘ｌｏｃｋｅｄ－ｌｏｏｐ，ｗ．ｈｉｃｈｉｓｈｉｇｈｌｙｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ．关键词：频率合成器；黝调制器；现场可编程门阵列ＫｅｙＨ哪也：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ；ｓｉｇｍａ．ｄｅｌｔａｍｏｄｕｌａｔｏｒ；ＦＰＧＡ文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—１３０Ｘ２００９．１２．０３６中图分类号：ＴＮ７４Ｓｌ技术的发展才逐渐得到广泛应用。本文采用暑△调制１引言频率合成技术是指将一个高精确度和高稳定度的标准器代替传统方法中的相位累加器进行设计。２．１黝调制原理黝调制技术来自高分辨率的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ变换器中的过取样黝转换技术，其工作原理为：利用经典自动控制理论中负反馈概念，通过反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声。在对信号进行过取样后，噪声功率谱幅度降低，并通过一个对输入旱低通对量化噪声呈高通的噪卢整形器，将量化噪声功率的绝大部分移到信号频带之外，从而町通过滤波有效地抑制噪声。传统小数分频法提高了分频器的分辨率，但同时给环路输ｆｌ｛带来ｒ信噪比降低、输出频率的相位扰动增加等问参考频率，经过适当的信号处理，最终产生一系列具有同样精确度和稳定度的离散频率的技术。该技术在近代通信系统中得到了广泛应用。小数分频频率合成技术解决ｒ单环数’＃频率合成器巾高鉴相频率和小频率问隔之间的矛盾，但这项技术引入了小数杂散，采用模拟相位内插的方法很难抑制。将三｝△调制技术应用于小数频率合成器中能够得到理想的频率分辨率，并且抑制了小数杂散问题ｎ“］。２黝调制技术黝调制理论在２０世纪中期被提出，近年来由于ＶＬ—题。为了获得良好的频率输出，黝调制概念被引入小数收稿日期：２００８－０６一１６；修订日期：２００８一ｌｏ—０３基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０４７２０９１）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（ＮｃＥＴ－０５一０７５４）；广西自然科学基金资助项目（桂科自０４４７０９３，０６４０１６８）作者简介：刘德建（１９８２一），男，安徽界首人，硕士生，研究方向为信道编码。通讯地址：５４１００４广西桂林市桂林电子科技大学研ＥＳ３侯轶；Ｔｅｌ：１３７６８１３２７８８；Ｅ－ｍａｉｌ；ｄｅｊｉａｎｌｉｕ＠ｙａｈ００．ｃｎＡｄｄｒｅ醛：ＰｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅＭａｉｌＢｏｘＥＳ３，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ，Ｇｕａｎｇ）ｄ５４１００４，Ｐ．Ｒ．ＣｈｉｎａＩＺＩ万方数据分频器设计中。黝小数分频是在传统的整数数字式分频的基础上，通过数字累加器的不断溢Ｈｊ来控制程序分频器的分频比的一种工作模式，从而获得所需要的高质量的小数平均频率输出。暑△调制这一特性被很好地用于频率合成中小数分频杂散的消除。在小数分频器工作过程中，由于其平均Ｔ作频率与瞬时频率总小相同，鉴相器会产牛Ｊ『嗣期性锯齿波相位误差。利用黝调制器的传输函数特性，能将其能鲢变换到高频端，再利用锁相环路本身固有的低通滤波作用滤除掉噪声。这个方法有效地消除了由于累加器皱化误差产生的小数分频杂散，从而提高了小数分频器的频谱纯度。黝调制技术作为一种采用较简单的电路结构及低成本来获得高的频率分辨率的方法，已经成为一种流行的技术。２．２一阶黝调制器数字一阶吕△调制器的ｚ域数学模型［１３如图１所示，调制器输出为：ｙ，（ｚ）＝．Ｆ（ｚ）＋（１一ｚ１）Ｅ１（ｚ）（１）其中，．Ｆ（ｚ）为输入信号，Ｅ－（ｚ）为董化噪声。图ｌ一阶ｊ泌调制器的Ｚ域数学模型量化误筹Ｅ１（ｚ）的传递函数为：Ｈ。一１一ｒ１（２）其频率响应为：Ｈ。（．硒）一１一一７ｚ一２ｓｉｎ粤ｌＦ粤（３）厶｝由式（３）可知，黝调制实际上就是一种噪声整形器，它对转换器输出端的馈化噪声进行整形，使得大多数的噪高信噪比。通过比较发现，相位累加器与数字一阶泓调制器具为数字一阶黝调制器对其自身馈化误差Ｅ。（２）有一定的对传统的小数分频器中引入的量化误差进行有效的抑图２中Ｎ（ｚ）为分频比的整数部分，．Ｆ（ｚ）为小数部＾ｋ。（ｚ）＝Ｎ．Ｆ（ｚ）＋（１一ｒ１）ＭＥＭ（ｚ）（４）式（４）说明多级黝调制器尤失真地传输了信号Ｎｔ１２２万方数据其相位误差功率谱密度［１］为：Ｒ（ｐ一筹ｂｎ（和ｒ＂（５）Ｊ●．，ｒＪ式（５）表明，Ｍ的阶数越高，黝调制器对量化噪声的整形作用越明显，其输出频谱特性越好。当Ｍ≥３时，噪声能培绝大部分处于信号锁相环通带之外，该噪声可通过锁相环的低通特性将其滤除，从而消除小数分频相位杂散。但是，阶数越高，电路的复杂性和造价也会越高。图２Ｍ阶互Ⅺ调制器的ＭＡＳＨ结构３黝调制器的设计与实现下面以设计一个一阶导△调制器为例说明实现黝调制器的设计方法。３．１总体结构与实现根据勤调制技术的基本原理，设计采用自顶而下的层次没计思想。一阶黝调制器主要由减法器、积分器和１ｂｉｔ量化器等模块组成，各个模块按一定的时序依次执行各自的任务，从而实现黝调制器的功能。本文利用ＶＨｒ）ｌ。语言和原理图输入两种设计技术对各个功能模块进行设计，一阶暑△调制器的设计结果如图３所示，经分析验证，结果正确，满足设计要求。图３一阶暑△调制器的设计结果３．２结果分析由图３ａ可知，每１０个时钟周期内输出ｄａｔａｏｕｔｌ波形为ｌｏＯｌ００１０００，相位累加溢出３次，通过控制分频器，频率合成器实现了Ｎ－３分频。由图３ｂ叮见，每１０个时钟周期内输出ｄａｔａｏｕｔｌ波形为１１１０１１０１１０，有连续溢ｆ｛｛的情况，达不到预期设计要求。经分析及仿真证实，只要．Ｆ＞ｏ．５声能茸移至有用频带之外，再通过滤波器加以滤除，从而提有相同的数学模型，传统的小数分频器实质Ｉ：是采用数字一阶暑△调制技术来实现小数分频控制的。虽然累加器作滤波作用，但卜分有限，因而传统的小数分频器有较大的小数分频杂散。２．３高阶黝调制器制，黝调制器采用如图２所爪的级联高阶泓调制（ＭＡｓＨ）方案［１’３“］，原小数分频器中的相位累加器作为第一级调制器。分，Ｅ（ｚ）（ｉ一１，．．・，蚴是各级暑△调制器引入的量化误制器的输出分频比为差，批。（ｚ）为Ｍ阶黝调制器的分频比，则Ｍ级黝调Ｆ（ｚ），对各级肇化误差Ｅ（ｚ）（ｉ一１，…，Ｍ一１）传输函数为零，仪其第Ｍ级量化误差对小数分频器的输＿｝｛｛有影响。的累加都会Ｈ；现这个『ｎＪ题。因此，将输出信号ｄａｔａｏｕｔｌ与时钟ｃｌｋ相与便町减小输出脉冲宽度，就可以区分连续溢出时溢ｆｌ｛的次数。虽然输出ｄａｔａｏｕｔ２符合预期要求，但输出ｄａｔａｏｕｔ２波形中存在毛刺，这是时钟ｃｌｋ的上升沿与输出ｄａｔａｏｕｔｌ的Ｆ降滑相与产生的。本文选用Ｉ）触发器用一个比毛刺频率高的信号ｈｃｌｋ进行触发，从图３ｂ叮以看到，毛刺已经被去除，实际输ｆｆ；ｄａｔａｏｕｔ波形比ｄａｔａｏｕｔｌ延迟了半个高速时钟ｈｃｌｋ周期，改进后的一阶黝凋制器输出波形见图３中的ｄａｔａｏｕｔ。由图３ｂ町知，每ｌｏ个时钟周期内输｝｛｛ｄａｔａｏｕｔ波形为１１１０１ｌｏｌｌｏ，相位累加溢出７次。通过控制分频器．频率合成器实现ｒＮ．７分频，同样地可以实现其它小数分频。为进一步验证一阶至泌调制器设计方案的ｉＩ：确性，本文通过Ｍａｔｌａｂ应用软件仿真得到的设计结果如图４所示。由图４ａ可知，每１０个时钟周期内黝调制器输出波形为１００１００ｌｏｏｏ；同样地，由图４ｂ可见；每１０个时钟周期内输出波形为ｌｌｌ０１１０１１０，这与图３仿真结果ｄａｔａｏｕｔｌ完全一致，说明本方案是ｊＦ确的。再结合Ｍａｔｌａｈ仿真进一步证实了Ｍ阶数越高。暑△调制器对噪声相位误差的整形作用越明显，输ｆｌ｛频谱特性越好，从而有效地解决ｒ小数分频频率合成器中的小数杂散Ｉ’ｎＪ题。最后，把程序卜．载列ｆ１标芯片中进行硬件验证，也得到Ｉ司样的结果．再次验证了设计的ＪＥ确性。图４一阶暑△调制器的Ｍａｔｌａｂ设计结果４结束语本文利用ＥＤＡ技术来设计实现黝调制器的方法，可使黝调制器具有设计简单、体积小、功耗低、方便实现等优点。因此，数字通信技术与现代电子设计方法的结合使得通信系统的性能得到了迅速的发展。本文就足二者相结合的一个典型应用。本文方案通过稍加修改，町以方便地实现高阶勘调制器，体现了设计的灵活性。参考文献：［１］ＢｄａｎＭ，ｃｏｎｌｅｙＲＪ．ＡＭｕｌｔｉｐｌｅＭｏｄｕｌａｔｏｒＦｒａｃｔｉｏｎａｌＤｉ、ｒｉ—ｄｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ０ｎＩｎｓｔｒｕｍ曲ｔａｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，１９９ｌ，４０（３）：５７８－５８３．［２］ＲｉｌｅｙＴＡＤ，ｃｏｐｅｌａｎｄＭＡ，Ｋ、张ｓｎｉｅｗｓｋｉＴＡ．Ｄｃｌｔａ－Ｓｉｇ—ｍａＭ０ｄｕｌａｔｉｏｎｉｎＦｒａｃｔｉｏｎａｌ—ＮＦｒｅｑｕｅｎｃｙｓ”ｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄ＿ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ。１９９３，２８（５）：５５３—５５９．［３］ｓｈｕＫ，ｓａｎｃｈｅｚ－ｓｉｎｅｎｃｉｏＥ，ＭａｌｏｂｅｒｔｉＦ，ｅｔａ１．Ａｃｏｍｐａｒａ—ｔｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＤｉｇｉｔａｌＺ△ＭｏｄｕｌａｔｏｒｓｆｏｒＦｒａｃｔｉｏｎａｌ—ｎｓｙｎｔｈｅ—ｓｉｓ［ｃ］∥ＰｒｏｃｏｆＩｃＥ（葛’０１，２００１：１３９ｌ—１３９４．［４］ｃｈｏｕｗ，ｗｏｎｇＰｗ。ＧｒａｙＲＭＭｕｌｔｉｓｔａｇｅｓｉｇｒｎａ—ｄｅｌｔａＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＩｎｆｏ姗ａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ，１９８９，３５（４）：７８４—７９６．万方数据（上接第１１２页）图９译码器正确性仿真系统结构文献［５］中实现的申行译码器的比较结果如表１所示。表ｌＤＶ睇Ｓ２中可配置串行译码器和并行译码器的综合结果垒红迸丑昼Ｓ】ｉｃｃｓ最大频率伴随式计算５８１２８２．２３９ＭＨｚｌ４０５２９１．２４０ＭＨｚＢＭ迭代１５０７２５１．３５５ＭＨｚ１３９８２４７．３２７ＭＨｚ钱搜索３１１２８３．５３１ＭＨｚ２６０６２４４．１７９ＭＨｚＳｌｉｃｅｓ２４５３５５６７最大频率１９１．２９６ＭＨｚ１９１．３０９ＭＨｚ吞吐率１９１Ｍｂｐｓ１５２８Ｍｂｐｓ所选器件为：ＸｉｌｉｎｘＶｉｒｔｅｘ—ｌＩＩ’ｒｏＩ｜１的２ｖｐ３０ｆ９６７６—７在８位并行的译码器中伴随式计算采用的是由图６所示的伴随式计算单元直接独立计算２ｆ一１个伴随式，所以这里伴随式计算模块占用的ｓｌｉｃｅｓ远远超过串行结构。并行钱搜索模块所占Ｓｌｉｃｅｓ约为串行的８倍多一点，这符合二者的结构规律。５结束语本文对叮配置参数的多位并行ＢＣＨ译码器的设计方法进行ｒ研究，用这种方法设计并实现了应用于ＤＶ昏ｓ２的可动态配置２１种码字参数的８位并行译码器。这种译码器能够支持广泛的通信业务，如广播服务（ＢｒｏａｄｃａｓｔＳｅｎ，ｉｃｅ，简称ＢＳ）、交互式服务（ＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＳｅｒｖｉｃｅ，简称ＩＳ）、卫星新闻采集（ＤＳＮＧ）和其它专业服务（Ｐｍｆｅｓｓｉｏｎａｌｓｅｎ，ｉｃｅ，简称Ｐｓ）等。采用并行结构使译码器的洋码延迟降低了８７．５％，数据吞吐率提高到串行的８倍。参考文献：［１］王新梅，肖国镇．纠错码一原理与方法［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００１．［２］ＥＴｓＩ．ＤｉｇｉｔａｌＶｉｄｅｏＢｍａｄｃａｓｔｉｎｇ（Ｄ、，Ｂ）；ｓｅｃｏｎｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＦｒａｍｉｎｇＳｔｍｃｔｕｒｅ，ＣｈａｎｎｅｌＣｏｄｉｎｇａｎｄＭ０ｄｕｌａｔｉｏ