DDS流水線結構的改進

摘要：分析了DDS中流水線結構及輸入數據在其中移動的特點，提出了一種DDS流水線結構的改進方案，給出了實現的方法并作了仿真，分析了對DDS電路性能的改進方案。

關鍵詞：DDS 流水線 改進的流水線結構

DDS(Direct Digital Synthesizer)以其頻率分辨率高、轉換速率快及波形變換靈活等特點，已廣泛應用于通訊、雷達、GPS、蜂窩基站有HDTV等領域。DDS相位字長及運算速度決定了DDS的性能[1]，相位累加器、移相加法器及LUT的字長越長，頻率分辨率及波形精度越高，相位截尾誤差越小[2]。目前DDS相位累加器的位數一般在32～48位之間;而時鐘頻率越高，輸出頻率的范圍越大。流水線是高速電路中一種常用的技術[3]，高速、高精度DDS的相位累加器、相移加法器、用于調幅及正交調制的乘法器都采用了流水線結構。

普通的流水線結構所占用的寄存器資源和其級數的平方比正比，無論是現有的專用DDS集成電路，還是采用FPGA等可編程器件實現，都將占用大量寄存器資源。其實，DDS中的輸入數據一般在一個較長的時間內保持不變。基于這一特點，本文提出一種改進的DDS流水線結構，可以大大減少占用的寄存器資源。

1 問題的提出

1.1 DDS結構及工作原理

圖1是包含移相及調幅部分的相位累加型DDS的結構框圖。每一時鐘周期，N位相位累加器PA與N位頻率控制字FW累加一次。其結果的高M位作波形表LUT(Look-Up Table)的地址，如果加上PSR的值可實現移相，從LUT中讀出D位波形數據送DAC。若乘以AR的值還可實現調幅。改變FW的值可改變輸出頻率，改變PSR的值可實現調相，改變AR的值可以實現調幅。一般情況下，FW、PSR及AR刷新頻率要比DDS系統時鐘慢得多。

1.2 DDS中流水線結構

當DDS的相位字長較長、速度較高時，相位累加器、移相加法器或其綜合及調幅乘法器一般都采用流水線結構。以下僅以相位累加器為例，分析流水線的結構、性能及其改進。當相位累加器采用m級n位流水線結構時，有, 這里PA，FW分別是相位累加器的值和相位階距，PAm是各級加法器的部分和。其中，輸入緩沖流水線為m級n位，占用寄存器[(m-1)×m×n]/2 位，而相位累加器輸出的高M位需m1=int[(m-1)/m]+1級流水線，占用[(m1-1) ×m1×n]/2+m1×(M mod m)(int[·]是取整運算)。圖2、3分別是m=4、n=4、M=8時相位累加器的結構及時序圖。此時，輸入流水線占用24位寄存器;m=8、n=4 時(32位相位累加器)，輸入流水線占用112位寄存器;m=12、n=4，(48位相位累加器)，占用264位寄存器;若選取m=48、n=1，則占用 1128位寄存器。如果省去輸入流水線，改變相位階距時，將導致相位紊亂。

2 改進的流水線結構

2.1 結構及其工作原理

一般來說，DDS控制數據刷新速率遠低于系統時鐘。以相位累加器為例，進入各組加法器的頻率控制字值，只在數據更新后的前m個時鐘周期變化。以后各個周期不再變化。基于這種情況，可以對累加器進行改進，從而節省部分寄存器。圖4是改進輸入流水線的相位累加器結構圖，圖5是輸入數據及控制信號的時序圖。

在輸入數據D0～15(N)準備好后，由外部控制系統向流水線刷新控制電路 CON發出一啟動信號Start，CON在Start下降沿后的第一時鐘上升沿到來時，輸入寫入脈沖WR0，將D0～3(N)寫入第一級流水線寄存器;第二時鐘上升沿到來時，輸出寫入脈沖WR1，將D4～7(N)寫入第二級流水線寄存器;依次類推，到第四上升沿到來時，輸出寫入脈沖WR3，將 D12～15(N)寫入第四級流水線寄存器，完成一次數據的刷新。在以后的周期內，這些數據將保持不變，直至新的Start到來。

改進后的流水線所占用的寄存器位數和相位的字長相等，

與流水線的級數無磁。相位字長較長時，這種改進的效果是非常明顯的。

2.2 刷新控制器的設計

刷新控制器實質上是一種陣發式脈沖分配器，由Start啟動，當完成一個周期的脈沖分配輸出后，便停止計數。陣發式脈沖分配器的設計及實現方法很多，以下是基于Altera的FPGA，以MAX+Plus Ⅱ的HDL實現的陣發式脈沖分配器，流水線中的寄存器為上升沿有效，延遲時間為12.5ns，速度可達80MHz(FLEX 10K20RC240-4)，圖6是其仿真結果。

(FLEX 10K20RC240-4)，圖6是其仿真結果。

SUBDESIGN control

(cp,start : INPUT;

q3,q2,q1,q0 : OUTPUT;)

VARIABLE

s:MACHINE OF BITS (q3,q2,q1,q0)WITH STATES

(s0=b0000,s1=b0001,s2=b0010,

s3=b0100,s4=b1000);

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 寄存器的減少

輸入流水線結構改后后，寄存器的位數和相位累加器的位數呈線性關系，位數大大減少，特別是對級數較多的流水線，即使對寄存器密集型的FPGA，這也是有益的。

2.3.2 功耗降低

由于僅在刷新數據時，流水線中觸發器的狀態發生改變，在以后很長一段時間內，狀態不再改變，這對降低電路功耗是有益的。

2.4 應用

在刷新數據時，只要輸出一個啟動信號，使用方法和方案一樣便捷。啟動信號通常由外部控制電路給出，上例中，

刷新動作從啟動信號Start后的第一個時鐘上升沿開始。

需要注意的是，在刷新數據時，每一組數據保持的時鐘周期數必須大于流水線的級數。上命名中，數據必須保持4個時鐘周期以上，否則高位數據將不能傳送到相應級的累加器。

本文分析了高速DDS中的頻率控制字、相移字等輸入數據的變化特點。提出了一種 DDS流水線結構的改進方案，給出了具體實現的方法及仿真，并成功地用于高頻高精度AWG的研制。用這種方法設計的DDS及NCO等電路，降低了寄存器的占用，也降低了系統的功耗，可有效提高電路的性能價格比。這種設計方法對其它的流水線結構設計也有一定的參考價值。