CC BY
198Прямой цифровой синтез (РОБ)
в тестовом, измерительном и коммуникационном оборудовании
Ева МЕРФИ Колм СЛЭТТЕРИ Перевод: Алексей ВЛАСЕНКО
alexey.vlasenko@analog.com.ru
Цель настоящей статьи — показать некоторые важные примеры применения синтезаторов РОБ в существующих системах и продемонстрировать основные преимущества, которые обеспечивают РОБ в этих и других областях возможного применения.
В устройствах самого различного назначения часто бывает необходима схема, генерирующая сигналы различных частот и позволяющая с высокой точностью управлять параметрами этого сигнала. В качестве примера можно назвать источники сигнала с быстрой перестройкой частоты с низким уровнем фазового шума и малыми гармониками, предназначенные для коммуникационных систем, или генераторы сигналов для промышленных и биомедицинских устройств. Основные требования к таким устройствам — возможность генерировать сигнал и управлять его параметрами, а также доступность по цене.
Для реализации такого генератора применяются различные подходы, но наиболее гибким является прямой цифровой синтез (DDS). Микросхема — синтезатор DDS — генерирует аналоговый сигнал (обычно это синусоида, но треугольный или прямоугольный сигналы также характерны) за счет генерации последовательности отсчетов в цифровой форме и последующего преобразования этих отсчетов в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Так как DDS — это, в сущности, цифровой прибор, он обеспечивает быстрое переключение значения частоты выходного сигнала, высочайшее разрешение по частоте и способен работать в широком диапазоне частот.
Благодаря развитию схемотехники и технологии современные синтезаторы DDS представляют собой очень компактные и малопотребляющие микросхемы. Доступные сегодня DDS могут генерировать сигнал с частотой от менее 1 Гц до 400 МГц (при частоте тактового сигнала 1 ГГц), разрешение по частоте соответствует разрядности до 48 бит. Низкая цена микросхем, созданных по современной технологии, высокие показатели качества, возможность цифрового управления — все это вместе делает генератор DDS чрезвычайно привлекательным решением по сравнению с традиционными подходами, менее гибкими и требующими применения большего количества дискретных элементов. Многоканаль-
ные синтезаторы DDS, такие как двухканальный AD9958 и четырехканальный AD9959, допускают независимое программирование до четырех синхронизированных каналов. Это очень полезное свойство для систем с высокой плотностью компонентов и ограниченным объемом (например, радары/сонары на фазированных антенных решетках, автоматическое тестовое оборудование, медицинские средства визуализации, оптические коммуникационные сети).
В настоящее время DDS применяется в двух основных областях: для генерации сигнала в коммуникационных системах и для анализа сигналов в промышленных и биомедицинских системах.
Стоит отметить также такие области применения, как электронные системы борьбы с кражами (electronic article surveillance, EAS) и гидроакустические буи.
В коммуникационных системах от генератора часто требуется быстрая перестройка частоты, низкий уровень фазового шума и гармоник, в сочетании с высоким разрешением по частоте и хорошим спектром сигнала. В системах телекоммуникаций синтезаторы DDS генерируют пилотный сигнал для идентификации WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) в оптических каналах, они применяются и в опорных генераторах с ФАПЧ с расширенными возможностями настройки, в качестве гетеродинов, а также в качестве генераторов для прямой передачи сигнала.
В тех областях применения, где требуется анализ сигналов, — во многих промышленных и биомедицинских приборах — DDS применяется для генерации сигналов с программируемой формой и возможностью удобного управления частотой и фазой и без переключения внешних компонентов, что было присуще традиционным генераторам сигналов. Удобное управление частотой сигнала может быть использовано для поиска резонансов или для компенсации температурного дрейфа. Синтезатор DDS может быть использован в качестве перестраиваемого
генератора сигнала возбуждения в схеме измерения импеданса датчика или для генерации сигнала с широтно-импульсной модуляцией для микроактюаторов (микроактюа-тор — компонент микромеханических систем, преобразующий электрическую энергию в управляемое движение), для измерения коэффициента ослабления сигнала в сетях LAN или в телефонных линиях.
Применение
в промышленности и медицине
Генератор сигналов для анализа сетей
Многие современные электронные системы включают в себя блоки сбора и декодирования данных для цифровой обработки сигналов, блоки измерения аналоговых сигналов, узлы передачи данных по оптоволоконному кабелю и устройства высокочастотной связи.
Этот класс применений подразумевает наличие схемы или устройства возбуждения, генерирующего сигнал заданной частоты и фазы, и устройства, измеряющего выходной сигнал и обрабатывающего полученную информацию. «Анализируемая схема» (рис. 1) — это может быть что угодно, например отрезок кабеля или сложная измерительная система с датчиками. Типичные требования к такой системе — возможность сравнивать сигналы на входе и выходе анализируемой цепи по таким параметрам, как фаза и амплитуда на разных частотах.
V1
V2
Входной
сигнал
Исследуемая J цепь
' сп = L
м R
Изменение
амплитуды
Изменение
частоты
Сдвиг
фазы
Выходной
сигнал
Рис. 1. Снятие частотной характеристики
Цепь, в которой происходит
Рис. 2. Функциональная схема устройства
Когда требуется снять характеристики при разных частотах возбуждения схемы, синтезатор ОБ8 является очень удобным вариантом выбора, так как частота сигнала возбуждения, фаза и амплитуда управляются программно и при этом с очень высоким разрешением.
В системе, показанной на рис. 2, сигнал заданной частоты с заданной фазой и амплитудой подается в точку VI цепи (для простоты показана пассивная цепь). Амплитуда и фаза сигнала в точке V2 будет зависеть от свойств анализируемой цепи. Временная задержка сигнала в точке V2 относительно VI позволяет вычислить фазовый сдвиг и изменение амплитуды. Различия в спектрах входного и выходного сигнала позволяют анализировать уровень нелинейных искажений. Измерив амплитуду и фазу сигнала на разных частотах, можно построить АЧХ цепи.
Типичный частотный диапазон такой системы — от 0 до 200 кГц, это не слишком высокие частоты для синтезаторов ОБ8. В некоторых системах достаточно непродолжительного сигнала одной частоты для получения всей необходимой информации, но в большинстве подобных систем необходимо сканирование с разверткой по частоте в заданном частотном диапазоне и анализ сигналов на разных частотах. Одна микросхема ОБ8 обладает всеми необходимыми для такого устройства функциями и предоставляет гибкие возможности цифрового управления частотой. Нет необходимости в дополнительных внешних компонентах, нужно только записать параметры в соответствующие регистры через интерфейс вР1. Фаза выходного сигнала ОБ8 управляется регистром с типичным разрешением в 10-14 бит, что соответствует угловому разрешению менее 0,1°.
В системе, показанной на рис. 2, синтезатор ЛБ9834 применен в качестве источника аналогового сигнала возбуждения системы. Синтезатор тактируется от кварцевого генератора 50 МГц. Разрешение по частоте син-
тезатора AD9834 составляет 28 бит, что соответствует шагу по частоте около 0,2 Гц. Амплитуда выходного сигнала регулируется внешним потенциометром, кроме того, имеется еще дополнительный внешний усилительный каскад.
Выход нагружен на резистор RL и RC-фильтр, предназначенный для ограничения полосы сигнала, фильтрации тактового сигнала, присутствующего в выходном сигнале, гармоник и высокочастотных составляющих спектра. Сигнал подается через буферный усилитель на исследуемую схему, представляющую собой в данном случае простую LRC-цепочку. Референсный (исходный) сигнал подается на вход канала 1 двухканального АЦП с одновременной выборкой (например, AD7866 — 12-разрядный сдвоенный АЦП с частотой выборки 1 МГц); сигнал с выхода схемы подается на вход канала 2 аналого-цифрового преобразователя.
Цифровой сигнальный процессор (DSP) одновременно является контроллером системы и управляет синтезатором DDS и аналого-цифровым преобразователем. DSP обеспечивает математическую обработку результата — выполнение арифметических вычислений, БПФ или других необходимых алгоритмов, а также может управлять калибровкой амплитуды и фазы сигнала в системе.
Другие области применения
Подобный подход может применяться во многих других областях с поправками на требования конкретной системы. Среди примеров можно перечислить устройства сканирования по частоте для тестирования линейных дифференциальных трансформаторов (LVDT), датчики приближения с измерением емкости, датчики металла со сбалансированными индуктивностями, системы анализа крови с химическими датчиками, измерители скорости потока жидкости с ультразвуковыми датчиками, электронные системы борьбы с кражами (EAS) с радиочастотными метками на товарах.
Синтезаторы DDS в системах коммуникации
Обычно для создания генератора высокочастотного сигнала применяется два подхода: генераторы с петлей ФАПЧ (РЬЬ) и синтезаторы ОБ8. Выбор между этими двумя вариантами не всегда прост, часто разработчик вынужден идти на некоторые компромиссы или усложнять схему, чтобы компенсировать недостатки того или иного подхода.
Однако сейчас, так как РЬЬ и ОБ8 стали доступны в виде весьма недорогих микросхем, стало вполне практичным совмещение этих двух подходов, что позволяет избежать недостатков, присущих схемам РЬЬ и ОБ8 по отдельности. Такое совмещение позволяет получить более высокие характеристики, чем обеспечивает каждый из этих подходов. Рассмотрим более подробно преимущества «гибридных» генераторов ОБ8/РРЬ:
• высочайшее разрешение по частоте;
• быстрая перестройка по частоте;
• малое время установления;
• широкая полоса;
• низкое энергопотребление;
• низкий уровень шума и гармоник в спектре сигнала.
Мы рассмотрим две «гибридные» схемы совмещения РЬЬ и ОБ8: схему, в которой синтезатор ОБ8 обеспечивает опорный сигнал с высоким разрешением по частоте для РЬЬ, и схему РЬЬ с внутренним генератором ОБ8. DDS в качестве источника опорного сигнала для PLL На рис. 3 показан синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты (РЬЬ), где в качестве опорного источника применен синтезатор ОБ8 с фильтром на выходе. За счет использования гибридного решения высокая разрешающая способность по частоте обеспечивает высокую разрешающую способность системы в целом, чего невозможно достичь при применении одной только РЬЬ.
В этом примере петля РЬЬ состоит из синтезатора Л0Р4106, внешнего фильтра и генератора, управляемого напряжением (УСО). Такой подход позволяет разработчику выбрать ^О, а также конфигурацию и параметры фильтра в соответствии с конкретными требованиями разрабатываемой схемы.
Опорный сигнал для РЬЬ генерируется синтезатором ОБ8 ЛБ9834, к которому подключен фильтр и делитель, предназначенные для уменьшения уровня шумов и гармоник. Синтезатор ОБ8, обладая 28-разрядным разрешением по частоте, позволяет очень точно устанавливать значение опорной частоты для петли РЬЬ и, соответственно, частоты выходного сигнала. Это гораздо удобнее, чем применять с этой целью синтезатор РЬЬ с дробным делителем частоты в петле обратной связи.
Например, если генератор, управляемый напряжением ^СО), работает в частотном диапазоне 100-500 МГц, а частота выходного сигнала ОБ8 порядка 5 МГц, то коэффи-
циент умножения частоты N будет составлять от 20 до 100. Изменение N на единицу соответствует изменению выходной частоты VCO на 5 МГц (100 МГц, 105 МГц, 110 МГц и т. д.) Однако на выходе синтезатора AD9834 можно менять частоту с очень маленьким шагом путем записи кода в регистр частоты. DDS AD9834 обеспечивает шаг изменения частоты всего 0,2 Гц при частоте кварцевого опорного генератора 50 МГц. В результате, можно обеспечить очень высокое разрешение по частоте всей гибридной системы в целом.
Идеальный источник опорного сигнала должен иметь низкий уровень фазового шума и гармоник. Выходной сигнал DDS действительно обладает низким уровнем фазовых шумов, но в спектре выходного сигнала присутствуют максимумы на некоторых частотах. Эти побочные максимумы возникают на определенных частотах в результате округления значения кода, находящегося в регистре — аккумуляторе фазы. Они могут быть значительно подавлены с помощью дополнительной фильтрации и при тщательном выборе параметров дискретизации.
Если скорость перестройки частоты не играет большой роли, то ширина полосы пропускания петли PLL может быть очень узкой. Это уменьшит уровень побочных максимумов в спектре сигнала. Тогда величина фазового шума и гармоник будет зависеть практически только от генератора, управляемого напряжением ^СО). Если применить хороший ^О, обеспечивающий чистый сигнал, то такая схема будет самым простым реше-
нием, позволяющим построить синтезатор частот с широкой полосой, высоким разрешением по частоте, низким уровнем побочных максимумов в спектре, малыми размерами и энергопотреблением. Хотя время перестройки частоты будет довольно большим.
Чтобы воспользоваться таким преимуществом DDS, как высокая скорость переключения частоты, необходимо обеспечить более широкую полосу в петле PLL, и здесь характеристики фильтра будут в значительной степени определять уровень шумов и побочных максимумов. Обратите внимание, что после PLL амплитуда побочных максимумов увеличивается, но их смещение по частоте относительно основного сигнала не меняется. Таким образом, фильтр на рис. 3 необходим для ограничения генерируемых синтезатором DDS побочных максимумов и шумов за счет узкой полосы пропускания. После умножения частоты на N уровни шумов и побочных максимумов увеличатся на 20 ^(^, но только в пределах полосы пропускания фильтра.
В конечном счете, выбор ширины полосы пропускания фильтра и центральной частоты определяется компромиссом между требуемой скоростью перестройки частоты, уровнем шумов и помех и разрешением по частоте.
PLL, где частота сдвигается
с помощью сигнала, генерируемого DDS
На рис. 4 показана схема петли PLL, где частота генератора ^О в петле обратной связи сдвигается с помощью сигнала, генерируемого DDS.
В этой схеме генерируемые синтезатором DDS сигналы с точной установкой частоты применяются для модулирования частоты генератора VCO, в результате чего образуются сигналы на частотах, соответствующих сумме и разности исходных частот. После фильтрации этот сигнал модулирует опорную частоту, и в результате мы получаем выходной сигнал с частотой:
fOUT = NfREF ± (fLO ± foFFSET)-
Эта схема подобна многопетлевому синтезатору PLL, только каскады PLL, предназначенные для тонкой настройки частоты, заменены на один синтезатор DDS. Применение синтезатора DDS в этой гибридной схеме может обеспечить более высокое разрешение по частоте, чем синтезатор с несколькими петлями PLL.
PLL обеспечивает грубую ступенчатую настройку, и, как и раньше, разрешение по частоте на выходе PLL определяется разрешением по частоте входного сигнала fREF. Синтезатор DDS обеспечивает более тонкую настройку по частоте в пределах поддиапазона заданного PLL, так что в итоге разрешение по частоте выходного сигнала опять-та-ки определяется синтезатором DDS. При использовании микросхемы AD9834 с частотой опорного кварцевого генератора 50 МГц можно обеспечить шаг частоты 0,2 Гц.
DDS в кодировании/модуляции
Так как DDS обеспечивают легкое и удобное управление частотой и фазой, эти микросхемы особенно удобно применять в схемах модуляции по фазе и частоте. Рассмотрим два вида модуляции, давно применяющихся в радиотелеграфии.
Модуляция FSK
Двоичная модуляция с частотной манипуляцией — это один из простейших видов кодирования. Данные передаются за счет переключения несущей частоты между двумя дискретными значениями. Сигнал одной частоты (f1) соответствует логической единице, а другой частоты (f2) — логическому нулю. На рис. 5 показано соответствие данных и сигналов.
Такой алгоритм кодирования легко реализуется с помощью DDS. Код, задающий значение частоты сигнала, меняется в соот-
И
1о
Рис. 5. Модуляция FSK
Рис. 8. DDS в приемном блоке гидроакустического буя
ветствии с передаваемыми нулями и единицами. Пользователь программирует коды частоты до начала передачи в соответствии с выбранными частотами. В случае применения микросхемы ЛБ9834 доступны два регистра частоты, что удобно для модуляции РБК. Специальный вход микросхемы (РБЕЬЕСТ) предназначен для выбора одного из двух регистров частоты. Функциональная схема на рис. 6 демонстрирует устройство РБК модулятора.
Модуляция PSK
Фазо-частотная модуляция (РБК) — еще один простой тип модуляции. В РБК частота несущей остается постоянной, но фаза передаваемого сигнала изменяется в соответствии с передаваемым кодом. Существуют различные схемы реализации РБК. Простейший метод, при котором используется только два значения фазы — 0° и 180°, известен как двоичная РБК. 0° соответствует логической единице, 180° — нулю. Значение каждого бита при приеме определяется относительно предыдущего. Если фаза не меняется, это значит, что код не меняется. Если фаза изменилась, это значит, что либо единица сменилась на ноль, либо наоборот. РБК-модуляцию легко реализовать с помощью БЭБ. Большинство синтезаторов БЭБ имеет отдельный регистр, в который можно записать код, задающий фазу. Этот код напрямую прибавляется к текущему значению фазы несущей частоты и не влияет на частоту. Изменение содержимого регистра фазы меняет фазу сигнала, и таким образом осуществляется модуляция РБК. Для тех применений, где необходима высокоскоростная модуляция, в БЭБ ЛБ9834 предусмотрены регистры фазы, в которые можно заранее записать код и затем выбирать его с помощью специального входа РБЕЬЕСТ, осуществляя модуляцию по фазе. Могут применяться и другие значения фазы. Более сложные виды РБК могут подразумевать 4 или 8 различных значений фазы. При этом достигается более высокая скорость передачи данных, чем при простой двоичной РБК. Например, при квадратурной модуляции, где применяется 4 значения фазы: 0°, +90°, -90° и 180°, каждое значение фазы соответствует двум битам информации.
Микросхемы ИС ЛБ9830, ЛБ9831, ЛБ9832 и ЛБ9835 имеют по четыре регистра фазы,
что позволяет реализовывать более сложные схемы модуляции.
Гидроакустические буи
БЭБ-синтезаторы применяются в гидроакустических буях. Гидроакустический буй — это устройство, находящееся в воде и предназначенное для анализа звуков окружающей среды. Обычно такие буи применяются для обнаружения, локализации, идентификации и отслеживания сейсмической активности и таких подводных объектов, как, например, киты и подводные лодки. С помощью массива гидроакустических буев можно определять положение цели, скорость и направление.
Гидроакустический буй состоит из четырех основных элементов: корпус-поплавок, радиоприемопередатчик, батарея и гидрофон. Гидрофон — это подводный датчик, преобразующий звуковые волны в электрический сигнал, усиливающий и передающий сигнал на поплавок, находящийся на поверхности воды.
Радиосигнал, передаваемый буем, принимается радиоприемной системой на самолете или корабле.
Активные гидроакустические буи передают звуковые волны, которые отражаются от объекта. Расстояние и направления на объект определяются по отраженному сигналу. Передатчик предназначен для излучения акустических волн в воде и для приема отраженного эха, которое затем усиливается и передается по высокочастотному радиоканалу. Пассивные гидроакустические буи не излучают никаких волн, они только принимают приходящие звуки. В обоих случаях данные передаются на корабль или самолет; нередко применяется коммуникация с широким спектром сигнала, где частоты быстро переключаются и сигнал становится шумоподобным. БЭБ в таких системах часто используется как
AD9834
DDS
полосовой
фильтр
-136-174 МГц \7
—*(x)i^AMP>J
PLL
Рис. 7. DDS в передающем блоке гидроакустического буя
в приемной, так и в передающей части, для получения сигнала с быстро меняющейся частотой.
AD9834 — идеальный прибор для получения сигнала с быстро перестраивающейся частотой (рис. 7). Типичные значения частот передачи— 136-174 МГц.
Функциональная схема типичного приемника для систем глобального позиционирования GPS показана на рис. 8.
Приемная часть состоит из антенны GPS, малошумящего усилителя и преобразователя частоты. Преобразование частоты вниз производится с помощью DDS. Затем сигнал оцифровывается, и в результате поток данных (содержащий данные со всех спутников GPS в зоне видимости) проходит через коррелятор, обрабатывающий широкополосный сигнал.
Выходной сигнал коррелятора обрабатывается процессором, и вычисляются координаты гидроакустического буя. DDS применяется как в передатчике, так и в приемнике, благодаря точному управлению. Малая потребляемая мощность (25 мВт) и низкая цена ИС AD9833/AD9834 делают эти приборы идеальными для автономного устройства с батарейным питанием, каким является гидроакустический буй.
Заключение
Микросхемы прямого цифрового синтеза (DDS) генерируют аналоговый высокочастотный сигнал и обеспечивают цифровое управление амплитудой и фазой сигнала с высоким разрешением. Эти приборы находят широкое применение в различных устройствах: тестовом, измерительном, коммуникационном оборудовании. Интегральные DDS — это компактные, потребляющие минимум электроэнергии, недорогие устройства и, кроме того, очень простые с точки зрения применения. ■
Литература
1. Мерфи Е., Слэттери К. Все о синтезаторах DDS // Компоненты и технологии. 2005. № 1.
2. Кушинг Р. Прямой цифровой синтез (DDS) и преобразование квадратурных сигналов в диапазоне 800-2500 МГц с одной боковой полосой (SSB). ht tp: //w ww .analogx om.ru/pub_wireless.ht m
