A practial design of direct digital frequency synthesizer with multi-ROM configuration

병렬 구조의 직접 디지털 주파수 합성기의 설계

A DDFS(Direct Digital Frequency Synthesizer) used in spread spectrum communication systems must need fast switching speed, high resolution(the step size of the synthesizer), small size and low power. The chip has been designed with four parallel sine look-up table to achieve four times throughput of a single DDFS. To achieve a high processing speed DDFS chip, a 24-bit pipelined CMOS technique has been applied to the phase accumulator design. To reduce the size of the ROM, each sine ROM of the DDFS is stored 0-.pi./2 sine wave data by taking advantage of the fact that only one quadrant of the sine needs to be stored, since the sine the sine has symmetric property. And the 8 bit of phase accumulator's output are used as ROM addresses, and the 2 MSBs control the quadrants to synthesis the sine wave. To compensate the spectrum purity ty phase truncation, the DDFS use a noise shaper that structure like a phase accumlator. The system input clock is divided clock, 1/2*clock, and 1/4*clock. and the system use a low frequency(1/4*clock) except MUX block, so reduce the power consumption. A 107MHz DDFS(Direct Digital Frequency Synthesizer) implemented using 0.8.mu.m CMOS gate array technologies is presented. The synthesizer covers a bandwidth from DC to 26.5MHz in steps of 1.48Hz with a switching speed of 0.5.mu.s and a turing latency of 55 clock cycles. The DDFS synthesizes 10 bit sine waveforms with a spectral purity of -65dBc. Power consumption is 276.5mW at 40MHz and 5V.

이산스펙트럽(Spread Spectrum) 통신 시스템에 사용되는 DDFS(Direct Digital Frequency Synthesizer)는 짧은 천이시간과 광대역의 특성을 요구하고, 전력소모도 적어야 한다. 이를 위해서 본 연구의 DDFS는 파이프라인 구조의 위상 가산기와 4개의 sine ROM을 병렬로 구성하여, 단일 sine ROM으로 구성된 DDFS에 비해 처리 속도를 4배 개선하였다. 위상 가산기의 위상 잘림으로 나빠지는 스펙트럼 특성은 위상 가산기 구조와 같은 잡음 정형기를 사용하여 보상하였고, 잡음 정형기의 출력 중 상위 8-bit만을 sine ROM의 어드레스로 사용하였다. 각각의 sine ROM은 사인 파형의 대칭성을 이용하여, 0 ~ $\pi$/2 사인 파형의 위상, 진폭 정보를 저장함으로 0 ~ 2$\pi$ 사인 파형의 정보를 갖는 sine ROM에 비해 크기를 크게 줄였고, 어드레스의 상위 2-bit를 제어 비트로 사용하여 2$\pi$의 사인 파형을 조합했다. 입력 클럭을 1/2, 1/4로 분주하여, 1/4 주기의 낮은 클럭 주파수로 대부분의 시스템을 구동하여, 소비 전력을 감소시켰다. DDFS 칩은 $0.8{\mu}$ CMOS 표준 공정의 게이트 어레이 기술을 이용ㅇ하여 구현하였다. 측정 결과 107MHz의 구동 클럭에서 안정하게 동작하였고, 26.7MHz의 최대 출력 주파수를 발생시켰다. 스펙트럼 순수도(Spectral purity)는 -65dBc이며, tuning latency는 55 클럭이다. DDFS칩의 소비 전력은 40MHz의 클럭 입력과 5V 단일 전원을 사용하였을 때 276.5mW이다.