DDS流水线结构的改进

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DDS(Direct Digital Synthesizer) 以其频率分辨率高、转换速度快及波形变换灵活等特点，已广泛应用于通讯、雷达、GPS、蜂窝基站及HDTV等领域。DDS相位字长及运算速度决定了DDS的性能[1]，相位累加器、移相加法器及LUT的字长越长，频率分辨率及波形精度越高，相位截尾误差越小[2]。目前DDS相位累加器的位数一般在32～48位之间;而时钟频率越高，输出频率的范围越大。流水线是高速电路中一种常用的技术[3]，高速、高精度DDS的相位累加器、相移加法器、用于调幅及正交调制的乘法器都采用了流水线结构。普通的流水线结构所占用的寄存器资源和其级数的平方成正比，无论是现有的专用DDS集成电路，还是采用FPGA等可编程器件实现，都将占用大量寄存器资源。其实，DDS中的输入数据一般在一个较长的时间内保持不变。基于这一特点，本文提出一种改进的DDS流水线结构，可以大大减少占用的寄存器资源。

1 问题的提出
1.1 DDS结构及工作原理
　　图1是包含移相及调幅部分的相位累加型DDS的结构框图。每一时钟周期，N位相位累加器PA与 N位频率控制字FW累加一次。其结果的高M位作波形表LUT(Look-Up Table)的地址，如果加上PSR的值可实现移相，从LUT中读出D位波形数据送DAC。若乘以AR的值还可实现调幅。改变FW的值可改变输出频率，改变PSR的值可实现调相，改变AR的值可以实现调幅。一般情况下，FW、PSR及AR刷新频率要比DDS系统时钟慢得多。

1.2 DDS中的流水线结构
　　当DDS的相位字长较长、速度较高时，相位累加器、移相加法器或其综合及调幅乘法器一般都采用流水线结构。以下仅以相位累加器为例，分析流水线的结构、性能及其改进。当相位累加器采用m级n位流水线结构时，有 ，这里PA，FW分别是相位累加器的值和相位阶距，PAm是各级加法器的部分和。其中，输入缓冲流水线为m级n位，占用寄存器 位，而相位累加器输出的高M位需 级流水线，占用 是取整运算)。图2、3分别是m=4、n=4、M=8时相位累加器的结构及时序图。此时，输入流水线占用24位寄存器;m=8、n=4时(32位相位累加器)，输入流水线占用112位寄存器;m=12、n=4，(48位相位累加器)，占用264位寄存器;若选取m=48、n=1，则占用1128位寄存器。如果省去输入流水线，改变相位阶距时，将导致相位紊乱。



  
2 改进的流水线结构
2.1 结构及其工作原理
　　一般来说，DDS控制数据刷新速率远低于系统时钟。以相位累加器为例，进入各组加法器的频率控制字值，只在数据更新后的前m个时钟周期变化。以后各个周期不再变化。基于这种情况，可以对累加器进行改进，从而节省部分寄存器。图4是改进输入流水线的相位累加器结构图，图5是输入数据及控制信号的时序图。



　　在输入数据D0～15(N)准备好后，由外部控制系统向流水线刷新控制电路CON发出一启动信号Start，CON在Start下降沿后的第一时钟上升沿到来时，输出写入脉冲WR0，将D0～3(N)写入第一级流水线寄存器;第二时钟上升沿到来时，输出写入脉冲WR1，将D4～7(N)写入第二级流水线寄存器;依次类推，到第四上升沿到来时，输出写入脉冲WR3，将D12～15(N)写入第四级流水线寄存器，完成一次数据的刷新。在以后的周期内，这些数据将保持不变，直至新的Start到来。
　　改进后的流水线所占用的寄存器位数和相位的字长相等，与流水线的级数无关。相位字长较长时，这种改进的效果是非常明显的。
2.2 刷新控制器的设计
　　刷新控制器实质上是一种阵发式脉冲分配器，由Start启动，当完成一个周期的脉冲分配输出后，便停止计数。阵发式脉冲分配器的设计及实现方法很多，以下是基于Altera的FPGA，以MAX+Plus II的HDL实现的阵发式脉冲分配器，流水线中的寄存器为上升沿有效，延迟时间为12.5ns，速度可达80MHz(FLEX 10K20RC240-4)，图6是其仿真结果。

SUBDESIGN control
　　(cp， start ： INPUT；
　q3，q2，q1，q0 ： OUTPUT；)
VARIABLE
　　s：MACHINE OF BITS(q3，q2，q1，q0)WITH STATES
(s0=b″0000″，s1=b″0001″，s2=b″0010″，
s3=b″0100″，s4=b″1000″)；
BEGIN
　　s.clk = cp；
　　s.reset = start；
　　TABLE s=>s；
　　s0=>s1；s1=>s2；s2=>s3；s3=>s4；s4=>s4；
　　END TABLE；
END；
2.3 性能改善
2.3.1 寄存器的减少
　　输入流水线结构改进后，寄存器的位数和相位累加器的位数呈线性关系，位数大大减少，特别是对级数较多的流水线，即使对寄存器密集型的FPGA，这也是有益的。
2.3.2 功耗降低
　　由于仅在刷新数据时，流水线中各触发器的状态发生改变，在以后很长一段时间内，状态不再改变，这对降低电路的功耗是有益的。
2.4 应用
　　在刷新数据时，只要输出一个启动信号，使用方法和原方案一样便捷。启动信号通常由外部控制电路给出，上例中，刷新动作从启动信号Start后的第一个时钟上升沿开始。
　　需要注意的是，在刷新数据时，每一组数据保持的时钟周期数必须大于流水线的级数。上例中，数据必须保持4个时钟周期以上，否则高位数据将不能传送到相应级的累加器。
　　本文分析了高速DDS中的频率控制字、相移字等输入数据的变化特点。提出了一种DDS流水线结构的改进方案，给出了具体实现的方法及仿真，并成功地用于高频高精度AWG的研制。用这种方法设计的DDS及NCO等电路，降低了寄存器的占用，也降低了系统的功耗，可有效提高电路的性能价格比。这种设计方法对其它的流水线结构设计也有一定的参考价值。