ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 49-54
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.391 + 621.396
ЦИФРОВОМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ СИНТЕЗАТОР СЛОЖНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ © 2014 г. И. В. Рябов, С. В. Толмачев, Д. А. Чернов
Поволжский государственный технологический университет Россия, 424000, Республика Марий Эл, Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 E-mail: ryabov@mail.ru Поступила в редакцию 27.09.2013 г. После доработки 27.12.2013 г.
Описаны принципы построения и структурно-схемотехнические решения цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на основе метода прямого цифрового синтеза частот и сигналов. Представлены структурная и принципиальная схемы цифрового вычислительного синтезатора сложных широкополосных сигналов, позволяющего синтезировать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией в диапазоне частот от 0.001 до 200 МГц.
DOI: 10.7868/S0032816214040119
ВВЕДЕНИЕ
Синтезаторы частот применяются во многих радиотехнических системах: радиолокации, навигации, связи и измерительной технике.
В настоящее время для синтеза сложных широкополосных сигналов наиболее широко используются:
1) аналоговые синтезаторы, построенные на основе косвенного метода синтеза сигналов с фазовой автоподстройкой частоты (ф.а.п.ч.);
2) цифровые вычислительные синтезаторы, построенные на основе метода прямого цифрового синтеза частот и сигналов.
К достоинствам аналоговых синтезаторов с ф.а.п.ч. относятся возможность формирования сигналов в диапазоне частот до десятка гигагерц и сравнительно низкий уровень амплитудных шумов (высокая спектральная "чистота" формируемого сигнала), а к их недостаткам — сравнительно большой шаг сетки частот и невысокая скорость перестройки частоты.
Достоинства цифровых вычислительных синтезаторов: широкий диапазон синтезируемых частот, сверхмалый шаг сетки частот (доли микрогерц), экстремально быстрая скорость перестройки частоты (несколько наносекунд), преемственность фазы при перестройке частоты, низкий уровень фазовых шумов, простой алгоритм формирования сложных сигналов, возможность независимого управления амплитудой, фазой и частотой синтезируемого сигнала, хорошая повторяемость параметров при тиражировании, удобство управления при помощи цифрового интерфейса, стабильность параметров при воздействии внешних климатических факторов. Их не-
достатки: значительное влияние джиттер-фактора опорного генератора, сравнительно высокий уровень амплитудных шумов, который зависит от разрядности используемого цифроаналогового преобразователя на выходе цифрового синтезатора.
В настоящее время разработаны основные принципы построения цифровых вычислительных синтезаторов (ц.в.с.), в значительной степени изучены их особенности и характеристики формируемых ими сигналов. Однако недостаточно исследованы предельные возможности ц.в.с. по быстродействию и "чистоте" спектра формируемых сигналов. Развитие ц.в.с. в настоящее время идет в основном в рамках известных структурных схем по пути их интегральной реализации, технологического повышения быстродействия, снижения энергопотребления и стоимости [1].
Цель данной работы — разработка цифрового вычислительного синтезатора, построенного на базе метода прямого цифрового синтеза, позволяющего синтезировать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией.
МЕТОД ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА ЧАСТОТ
Цифровые вычислительные синтезаторы характеризуются тем, что амплитуда, частота и фаза формируемого ими сигнала в любой момент времени точно определены, что дает возможность управлять ими при помощи цифрового интерфейса. Единственным функциональным узлом, который обладает свойственной аналоговым схемам нестабильностью, является цифроаналого-вый преобразователь.
Рис. 1. Цифровой вычислительный синтезатор на основе аккумулятора фазы. Г — опорный генератор, Р — регистр памяти, ЦН — цифровой накопитель, ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, ЦАП — цифроаналоговый преобразователь, ФНЧ — фильтр низких частот.
Благодаря целому ряду таких преимуществ, как цифровое управление частотой и фазой выходного сигнала, цифровой интерфейс, позволяющий реализовать микроконтроллерное управление, высокое разрешение по фазе и частоте, сверхбыстрое переключение на другую частоту без фазовых разрывов, ц.в.с. получают все большее распространение.
Структурная схема ц.в.с. на основе накапливающего сумматора представлена на рис. 1 [2—4].
Опорный генератор Г формирует сигнал тактовой частоты, который служит для синхронизации работы узлов ц.в.с. — цифрового накопителя ЦН (аккумулятора фазы) и цифроаналогового преобразователя ЦАП.
На вход регистра памяти Р поступает код начальной частоты C. Содержимое аккумулятора фазы с каждым тактовым импульсом T = At линейно увеличивается во времени, однако приращение не всегда единично, а зависит от величины кода C.
Выходной код аккумулятора фазы представляет собой код мгновенной фазы выходного сигнала, а постоянное приращение — это приращение фазы за один такт работы устройства. Чем больше значение кода C, тем быстрее изменяется фаза во времени и, следовательно, больше частота генерируемого сигнала.
Далее линейно нарастающий код фазы подается на вход функционального преобразователя код—синус, представляющего собой постоянное запоминающее устройство ПЗУ, в котором записаны значения кодов синуса.
Задача ц.в.с. заключается в получении на выходе сигнала синусоидальной формы с заданной частотой. Так как в ц.в.с. формирование выходного сигнала происходит в цифровой форме, очевидна необходимость ЦАП и фильтра нижних частот ФНЧ.
Чтобы получить синусоидальный сигнал, на вход ЦАП необходимо подать последовательность отсчетов функции sin x, следующих с частотой дискретизации. Наиболее подходящим методом формирования этих отсчетов является табличный метод, который реализуется посредством ввода в
ПЗУ'таблицы соответствий код х—8Ш х. Отсчеты с выхода ПЗУ поступают в ЦАП. Формируемый на его выходе ступенчатый синусоидальный сигнал фильтруется в ФНЧ и поступает на выход ц.в.с.
Частота сигнала, синтезируемого ц.в.с., определяется выражением
/вых = 0//2* (1)
где/вых - частота сигнала на выходе ц.в.с.; /т — тактовая частота опорного генератора; С(- — код начальной частоты; N — разрядность аккумулятора фазы.
Шаг перестройки частоты определяется как
4/=/т/2* (2)
Увеличение разрядности аккумулятора фазы не требует обязательного увеличения разрядности адреса ПЗУ. Для адресации можно использовать лишь необходимое количество старших разрядов кода фазы. Для уменьшения объема ПЗУ можно использовать свойства симметрии функции х. В большинстве ц.в.с. в ПЗУ содержится только 1/4 периода функции.
В состав ц.в.с. могут входить цифровые блоки:
— умножитель опорной частоты;
— цифровой сумматор для программирования начальной фазы;
— инверсный (б1пх)/х-фильтр для компенсации неравномерности амплитудно-частотной характеристики;
— второй ЦАП для получения квадратурных сигналов I и 0;
— компаратор с малым джиттером для формирования цифрового тактового сигнала;
— регистры частоты и фазы, которые могут быть запрограммированы для частотной или фазовой манипуляции.
Перечисленные блоки обеспечивают расширение функциональных возможностей и улучшение технических характеристик ц.в.с. [5—10].
Главным источником фазовых шумов в ц.в.с. является генератор тактового сигнала. Фазовый шум выходного сигнала синтезатора теоретически меньше фазового шума сигнала тактового генератора на 201§(/т//вых) дБ. На практике это
ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗАТОР
51
Рис. 2. Блок-схема ц.в.с.
улучшение ограничено характеристиками схем, входящих в состав синтезатора (типовое значение составляет —130 дБ/Гц при расстройке на 1 кГц от выходной частоты) [2].
Некоторые высокочастотные ц.в.с. содержат встроенный умножитель частоты на основе ф.а.п.ч. Однако умножение частоты в несколько раз вызывает увеличение фазового шума.
Аккумуляторы фазы серийно выпускаемых ц.в.с. имеют разрядность 32 или 48 бит. Но только часть старших разрядов используется для адресации ПЗУ,, в которое записаны коэффициенты функции sin X.
Усечение кода фазы при адресации ПЗУ приводит к возникновению ошибки представления фазы и появлению погрешности при преобразовании фазы в амплитуду выходного сигнала ц.в.с. В результате в спектре синтезированного сигнала появляются побочные дискретные составляющие, связанные с усечением кода фазы. Приблизительно максимальный уровень этих составляющих можно рассчитать по формуле:
U = -6.02^ус, (3)
где U, дБ — уровень побочных спектральных составляющих; — разрядность кода фазы после усечения.
На практике разрядность кода фазы после усечения должна быть на 2—3 разряда больше, чем разрядность ЦАП.
Следует отметить, что существуют методы снижения влияния усечения кода фазы, основанные на добавлении к фазовой информации псевдослучайного шума. Это позволяет уменьшить энергию соответствующих побочных компонентов, но при этом увеличивается общий шумовой порог [2].
Максимальная выходная частота синтезируемого сигнала не может быть выше половины тактовой частоты/т, а на практике она в 4 раза меньше [1, 2].
Огибающая спектра сигнала на выходе ЦАП изменяется по закону (sin x)/x, и амплитуду сигнала можно определить по формуле:
(4)
A (f ) = (sin л/вых )//т
вых) г 5
nJ вых// т
где А(/вых) — амплитуда сигнала на выходе ЦАП на
f вых.
заданной частоте.
СТРУКТУРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА Ц.В.С.
Цифровой вычислительный синтезатор сложных широкополосных сигналов (рис. 2) содержит три регистра памяти, два цифровых накопителя (накопитель частоты и накопитель фазы), сумматор, преобразователь кодов х—втх, цифроанало-говый преобразователь, фильтр нижних частот, делитель частоты с переменным коэффициентом
деления, эталонный генератор, блок формирования и задержки [7].
Цифровой вычислительный синтезатор работает следующим образом.
Эталонный генератор выдает синусоидальный сигнал опорной частоты, который поступает на вход блока формирования и задержки. В последнем формируются последовательности прямоугольных импульсов, служащие для синхронизации узлов ц.в.с.: накопителя частоты и накопителя фазы, цифроанал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.