用查表法實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器的ASIC設(shè)計(jì)

歐陽雪，鄒文英

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

數(shù)控振蕩器是數(shù)字通訊中調(diào)制解調(diào)單元必不可少的部分，同時(shí)也是各種數(shù)字頻率合成器和數(shù)字信號發(fā)生器的核心部分，具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位可連續(xù)線性變化和生成的正/余弦信號正交特性好等特點(diǎn)。而且數(shù)控振蕩器的相位、幅度均已數(shù)字化，可以直接進(jìn)行高精度的數(shù)字調(diào)制/解調(diào)。隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，傳送的數(shù)據(jù)速率越來越高，如何得到一個(gè)可數(shù)控的高頻載波信號是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字通信系統(tǒng)必須解決的問題。本文將介紹用查表法實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器的ASIC設(shè)計(jì)的一種方法。

2 NCO概述

NCO（Numerical Controlled Oscillator）即數(shù)控振蕩器用于產(chǎn)生可控的正弦波或余弦波，其實(shí)現(xiàn)的方法目前主要有計(jì)算法和查表法等。計(jì)算法以軟件編程的方式通過實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生正弦波樣本，該方法耗時(shí)多且只能產(chǎn)生頻率相對較低的正弦波，而需要產(chǎn)生高速的正交信號時(shí)，用此方法無法實(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用最有效、最簡單的查表法，即事先根據(jù)各個(gè)NCO正弦波相位計(jì)算好相位的正弦值，并以相位角度作為地址把該相位的正弦值數(shù)據(jù)存儲在表中，然后通過相位累加產(chǎn)生地址信息，讀取當(dāng)前時(shí)刻的相位值在表中對應(yīng)的正弦值，構(gòu)成一個(gè)幅度/相位轉(zhuǎn)換電路（即波形存儲器），通過該轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生所需頻率的正弦波。

用查表法實(shí)現(xiàn)NCO的性能指標(biāo)取決于查表的深度和寬度，即取決于表示相位數(shù)據(jù)的位數(shù)（查表存儲器地址線的位數(shù)）和表示正弦值數(shù)據(jù)的位數(shù)（查表存儲器數(shù)據(jù)線的位數(shù)）。改善NCO性能最簡單和最根本的方法是加大查找表的深度和寬度。目前，用查找表法實(shí)現(xiàn)NCO的普遍做法是用片內(nèi)ROM作為查找表，由于片內(nèi)資源的限制，查找表的深度和寬度一般不會很大，大大限制了NCO性能的提高，因此，設(shè)計(jì)高速、高精度的NCO時(shí)，大容量、讀取速度快的ROM設(shè)計(jì)成為一大難題。采用正向全定制設(shè)計(jì)ROM模塊，嵌入片內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行布局布線，是用查表法實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器的ASIC設(shè)計(jì)的一種好方法?；诖嗽O(shè)計(jì)構(gòu)想，筆者成功地利用0.5μm單多晶三鋁的CMOS工藝設(shè)計(jì)加工出一款48位編碼的高速、高精度NCO集成電路。

3 NCO的實(shí)現(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 NCO的結(jié)構(gòu)框圖

圖1是數(shù)控振蕩器的頂層電路結(jié)構(gòu)，可以看到主要部件分為頻率控制字寄存器，相位控制字寄存器、累加器、加法器、鎖存器等。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.2.1 功能框圖

該電路可以在WRN、CSN及ADDR總線的控制下，將DATA總線上的數(shù)據(jù)置入48位數(shù)據(jù)緩沖器中，在LDSTB下降沿的時(shí)候通過CLOCK將緩沖器中的數(shù)據(jù)每4位為1個(gè)單位，分12個(gè)節(jié)拍鎖入鎖存器中，累加器每次將最新的結(jié)果和鎖存器中的數(shù)據(jù)相加，輸出最高的13位結(jié)果，然后根據(jù)電路外部SIN和TWO兩個(gè)控制線的狀態(tài)輸出相應(yīng)數(shù)字格式的正余弦波。

圖2 48位NCO的功能框圖

3.2.2 頻率控制字寄存器、相位控制寄存器、累加器和加法器的設(shè)計(jì)

頻率控制字寄存器和相位控制字寄存器都是48位并行輸入/并行輸出寄存器，它們通過微處理器接口進(jìn)行讀寫。頻率控制字寄存器確定載波的頻率，相位控制字寄存器確定載波的初始相位。48位累加器對代表頻率的頻率控制字進(jìn)行累加運(yùn)算，累加器對系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，每到達(dá)輸入頻率控制字的值即進(jìn)行累加，累加結(jié)果與代表初始相位的相位控制字通過48位加法器進(jìn)行相加運(yùn)算，在本電路中，取相加結(jié)果的高13位數(shù)據(jù)讀取查找表的地址信息。

其中，累加器是決定NCO性能的一個(gè)關(guān)鍵模塊，可以利用進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)快速、高效的電路結(jié)構(gòu)，但是，過長的進(jìn)位鏈會減少其他邏輯使用的布線資源；同時(shí)，也會制約整個(gè)系統(tǒng)速度的提高。因此，設(shè)計(jì)中采用進(jìn)位鏈和流水線技術(shù)相結(jié)合的辦法，能大幅提高系統(tǒng)的性能和速度。其原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采用流水線技術(shù)的累加器結(jié)構(gòu)原理圖

針對該電路的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)帶流水線技術(shù)的48位高速并行相位累加器，每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生一個(gè)新的累加值，超出波形發(fā)生器最大值的累加值被溢出，并取48位數(shù)據(jù)的高13位作為波形發(fā)生器的地址信息，累加器的邏輯圖如圖4。

圖4 電路相位累加器邏輯圖

3.2.3 ROM模塊設(shè)計(jì)

正余弦查找表的設(shè)計(jì)也是NCO電路關(guān)鍵的一塊，本電路設(shè)計(jì)用13位≥12位（8192×12)的查找表，并采用Y對稱原則進(jìn)行相位簡化為（4096×12）查找表，再進(jìn)行正負(fù)幅度簡化為（4096×11）查找表，評估X對稱原則（即取四分之一象限）簡化為（2048×11）查找表，采用兩個(gè)相同ROM模塊實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 簡化后的ROM結(jié)構(gòu)圖

為達(dá)到讀取速度的要求，ROM單元晶體管級的電路設(shè)計(jì)如圖6，兩個(gè)N管共漏減小位電容，版圖設(shè)計(jì)時(shí)在柵上覆蓋三鋁，減小電阻。再根據(jù)此單元，全定制設(shè)計(jì)一字長11位、字深11位（2048×11）的ROM模塊，嵌入自動布局布線的版圖內(nèi)部。

圖6 ROM單元晶體管級電路圖

4 NCO仿真結(jié)果及性能評估

按照上述結(jié)構(gòu)，筆者設(shè)計(jì)的電路工作時(shí)鐘為80MHz。用DSP作為微處理器，通過系統(tǒng)測試，該NCO的性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，頻率分辨率Δf＝0.0186Hz，輸出頻率fout=25MHz（當(dāng)然，NCO輸出頻率的上限要受到Nyquist定律的限制，即fout的最大值為工作時(shí)鐘的1/2，實(shí)際設(shè)計(jì)一般不大于0.4fclk）。圖7為NCO的部分仿真時(shí)序圖。

圖7 寫時(shí)序和輸出時(shí)序圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種NCO的ASIC實(shí)現(xiàn)方法，用該方法設(shè)計(jì)的NCO可實(shí)現(xiàn)對載波頻率、相位和幅度的完全控制，由于片內(nèi)全定制設(shè)計(jì)ROM作為查找表，并引入流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得NCO有較高的精度，且電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，在數(shù)控振蕩器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上提高了電路精度和頻率，非常適用于在正交數(shù)字混頻器重進(jìn)行高精度的數(shù)字調(diào)制/解調(diào)。