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基于Simulink的数控振荡器性能仿真研究

来源:    作者:    发布时间:2016-07-02 15:29:05    浏览量:
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数控振荡器(Numerically Controlled Oscillators,NCOs)是软件无线电的重要组成部分和研究内容,它广泛应用于DSP中,如通信领域的信号调制解调,蜂窝电话、基站、雷达系统、数字电视、GPS和无线LAN等。

NCOs可以通过各种方式实现:无限冲击响应滤波器(IIR filters),坐标旋转(CORDIC rotations),查找表技术(Lookup Tables,LUTs)。本文在Simulink软件平台仿真LUTs技术实现NCOs时,累加器步长、累加器控制字等参数对NCOs性能的影响。重点讨论NCOs的频谱纯一体电感度问题,即如何抑制杂波分量,影响频谱纯度的因素以及如何提高无杂散动态范围(SpuriousFree Dynamic Range,SFDR)。

1 NCOs的工作原理

NCOs主要包括一个正弦波样点查找表(LUTs)和一个产生地址的累加器,如图1所示。



图1中n为累加器产生的地址位数,则LUTs有N=2n个输入。LUTs的输出分辨率/精度为L位(该参数与n有关),其工作原理见图2。



由图2可以看出,累加器产生地址码,循环从LUTs地址中取数正弦波的样点数据,其取数的速率越快,即步长μ越大,则产生的正弦波频率越高。

设步长参数μ由式(1)决定:

式中:N为LUTs的样点数据总量;fs为系统采样频率;fd为期望的正弦波的频率。

例如,累加器地址数据线宽度为8 b,则对应的LUTs的数据样点数为N=2n=256。如果采样频率为10 MHz,期望频率为2.5 MHz,则步长为:


2 提高NCOs的无杂散动态范围

SFDR是无线系统设计中需要考虑的重要参数。如果振荡器产生的信号包含过多的杂波(Spurs)频率,这些干扰成分会使信号混频的质量变差,特别是当杂波频率接近中心频率时,在后续的电路中很难去除。

2.1相位截断对频谱纯度的影响

当LUT输出正弦波样点数据时,只有整数部分可以用于输出,而小数部分则被忽略,这导致输出塑封电感器相位部分有截断。相位截断(Phase Truncation)的情况决定了产生的正弦波的纯度。如:当采样频率为100 kHz时,NCOs输出的期望频率为24.3 kHz,其NCOs设置参数见表1。从表1中可以看出,LUTs的分辨率为32 b,则可以忽略幅度值量化的影响,而杂波主要是由相位截断产生的。



2.2 幅度值量化对频谱纯度的影响

将LUT的深度增大为12 b(4 096),则可以忽略相位舍去对频谱纯度的影响,而杂波主要由幅度值的量化(Amplitude Quantization)产生。同样,当采样频率为100 kHz时,NCOs输出的期望频率24.3 kHz,NCOs设置参数见表2。


由图3,图4可以看出,相位截断产生的杂波远大于幅度值量化产生的杂波,是杂波的主要来源。

由以上的仿真波形可以看出,提高整数位的位数,虽然可以使相位截断小,频率杂波少,但要使用较大的LUTs容量一体电感器。如整数位增加一位,即由n位增加n+1位,则LUTs的数据量会增加一倍。

提高小数位的位数可以有较高的步长精度和频率分辨率,但需要更加多的累加器。如小数部分由b位增加到b+1位,虽然对LUTs无影响,但将累加器的加法器和延迟器分别增加1位,从而影响NCOs的输出频率。

提高LUTs输出分辨率对正弦波样点的幅度值量化影响小,但需要更多的LUTs存储器。如LUTs输出分辨率增加1位,由L位增加L+1位,LUTs所需的存储容量功率电感器扩大2n

可见,采用传统的设计方法要达到无相位截断,则需要LUT的字长非常长,占用资源非常大,导致NCOs的成本很高,而这在实际实现过程中是不可行的。

2.3相线圈电感器位加抖提高SFDR

通过以上的仿真研究可看出,虽然可以通过增加整数位和提高LUTs输出分辨率的方法来提高SFDR,但因它们要占用大量的资源,因而不是经济有效的方法。为有效解决杂波问题,必须考虑其他有效的方法。目前的主要技术手段有:
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