基于改进CORDIC算法的直接数字频率合成器的ASIC实现

摘要

直接数字频率合成系统以快速的频率、相位、幅度切换，优异的频率分辨率，低相位噪声，以及频率切换相位连续著称。DDS在大量数字电子系统中扮演重要角色，如数字通信系统，电子战和雷达系统，测试测量设备，以及医疗设备。近几年，随着工艺尺寸不断缩小，芯片集成度不断提高，DDS系统的低延迟、超高速、低功耗成为研究的重点。
　　论文依托“14位2.5GHz DDS及IP核技术研究”项目，分析了DDS原理、架构、误差来源。DDS通过频率字累加得到相位，直接将相位信息转换成正弦信号对应的幅度值,该过程为非线性映射，通常采用数字方式实现,幅度信号最后经过D/A转换及滤波平滑后输出所需频率信号。DDS系统由相位累加器、相幅转换器、数模转换器构成，其主要误差包括相位截短误差、幅度量化误差、DAC非理想性、相幅转换误差。本文重点讨论相幅转化器的算法和实现问题。
　　通过分析对比五种相幅转换实现方法，选择易于采用CMOS工艺实现高精度的CORDIC算法。然而采用传统CORDIC算法实现相幅转换器，存在每次迭代旋转前需要判定旋转方向和迭代次数多的缺点。为解决这两个问题，利用三角函数近似处理，不能使用近似的前几级采用小的查找表实现，能够使用近似处理的旋转级进行合并，减小旋转次数，得到改进型CORDIC算法。该方法排除了每次旋转迭代前的方向判断，并将旋转迭代次数降为原来的三分之一。在0.18um COMS工艺上，基于改进型CORDIC算法，完成14位2.5GHz的DDS芯片的设计、验证、实现，并解决了高速数模接口数据时序问题，最终流片、封装、测试。
　　该DDS芯片的频率切换时间仅3.2ns、频率控制字32位、相位控制字16位、幅度控制字14位，同时还可实现频率、相位、幅度连续扫描功能。测试结果表明，DDS芯片工作速度可达2.5GHz，频率、相位、幅度控制功能均正常，宽带动态无杂散范围在低频下达56dB，高频（80％乃奎斯特率）下有41dB。

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第一章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的主要内容

1.4本文组织架构

第二章 DDS的原理、架构和误差来源

2.1 DDS的原理

2.2 DDS的架构

2.3 DDS误差来源

2.4 本章小结

第三章 改进型CORDIC算法

3.1 CORDIC算法及不足

3.2改进型CORDIC算法

3.3改进型CORDIC算法行为建模与仿真

3.4改进型CORDIC算法性能评估

3.5 本章小结

第四章 DDS电路设计、实现与验证

4.1 混合信号ASIC设计流程

4.2 DDS系统架构设计

4.3 DDS数字电路设计实现

4.4 DDS模拟电路设计实现

4.5全芯片混合信号仿真验证

4.6 本章小结

第五章DDS芯片测试与分析

5.1 测试平台开发

5.2 功能测试

5.3 动态参数测试分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果