CC BY
20
УДК 697.112.2
ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗАТОР СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
Алексеев Дмитрий Александрович
Студент, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»
Dens 713038@mail.ru
В статье приведены принципы построения и структурно-схематические решения цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на основе метода прямого цифрового синтеза частот и сигналов. Представлены структурная и принципиальная схема цифрового вычислительного синтезатора сложных частотно-модулированных сигналов, позволяющего синтезировать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией в диапазоне частот от 0.001 до 200 МГц.
Ключевые слова: цифровой вычислительный синтезатор, частота сигнала, синтезируемый сигнал, метод прямого синтеза, амплитуда формируемого сигнала.
COMPUTATIONAL DIGITAL SYNTHESIZER FOR COMPLEX SIGNALS
Alexeev Dmitry Alexandrovich
Student, Volga Region State Technological University
Dens 713038@mail.ru
The article presents the principles of construction and structure-scheme solutions of digital computational synthesizers, built on the basis of the method of direct digital synthesis of frequencies and signals. Presented structural and circuit diagram of a digital computational synthesizer complex frequency-modulated signals that allows you to synthesize signals with amplitude, frequency and phase modulation in the frequency range from 0.001 to 200 MHz.
Keywords: digital computational synthesizer, signal frequency, synthesized signal, direct synthesis method, amplitude of the generated signal.
В последние годы быстрыми темпами развиваются радиотехнические системы (РТС) различного назначения, так как требования, предъявляемые к их техническим характеристикам, постоянно возрастают, а они, в свою очередь, во многом зависят от улучшения параметров синтезаторов частот и сигналов.
Синтезаторы прямого цифрового синтеза частот и сигналов (цифровые вычислительные синтезаторы - ц.в.с) в настоящее время применяются для формирования стабильных частот и сигналов в различных устройствах - медицинских, радиотехнических, телекоммуникационных, измерительной аппаратуре, навигационной технике и т.д. Они могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с модулями на основе других методов формирования заданной частоты сигнала.
Ц.в.с. имеют ряд преимуществ по сравнению с другими видами синтезаторов: позволяют обеспечить высокую разрешающую способность (предельный малый шаг сетки частот - доли микрогерц), большой диапазон
синтезируемых частот, низкий уровень фазовых шумов, высокое быстродействие при переключении с одной частоты на другую, хорошая технологичность и повторяемость параметров при тиражировании, возможность независимого управления амплитудой, частотой и фазой синтезируемого сигнала, архитектура ц.в.с. облегчает их интегральное исполнение по сравнению с другими синтезаторами.
Кроме того, стоит отметить стабильность параметров при воздействии неблагоприятных внешних механических и климатических факторов, надежность, технологичность, удобство управления при помощи цифрового интерфейса.
Наряду с достоинствами, ц.в.с. имеют и ряд недостатков: высокий уровень негармонических паразитных составляющих в спектре синтезируемого сигнала, заметное влияние джиттер-фактора опорного генератора.
На данном этапе разработаны основные принципы построения цифровых вычислительных синтезаторов, исследованы
характеристики формируемых ими сигналов, но еще не до конца изучены их предельные возможности по быстродействию и «чистоте спектра» формируемых сигналов. Сейчас усовершенствования в ц.в.с идут в сторону технологического повышения быстродействия, снижения энергозатрат, уменьшения стоимости.
Цель данной работы - повышение линейности закона изменения частоты при формировании сложных сигналов, увеличение быстродействия и расширение технических возможностей цифровых вычислительных синтезаторов.
Ц.В.С., ПОСТРОЕННЫЙ НА БАЗЕ ЦИФРОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ КОДОВ.
Важной характеристикой цифровых вычислительных синтезаторов является то, что амплитуда, частота и фаза формируемого ими сигнала в любой момент времени точно определены. Это позволяет управлять данными параметрами при помощи цифрового интерфейса. Однако, в них есть функциональный узел, который
характеризуется нестабильностью,
свойственной аналоговым схемам - это цифровой преобразователь.
На рис.1 изображена структурная схема ц.в.с. на основе цифровых накопителей кодов.
Рис.1. Структурная схема цифрового вычислительного синтезатора на основе цифровых накопителей
РП1,РП2,РПз - регистры памяти, НЧ -накопитель частоты, НФ - накопитель фазы, I -сумматор, ПК - преобразователь кодов (постоянное запоминающее устройство), ЦАП -цифроаналоговый преобразователь, ФНЧ -фильтр нижних частот, ДЧ - делитель частоты, ЭГ - эталонный генератор.
Цифровой вычислительный синтезатор работает следующим образом.
Эталонный генератор ЭГ подает гармонический сигнал опорной частоты на блок формирования и задержки, в котором у этого сигнала формируются тактовые импульсы формы "меандр" на выходах, служащие для синхронизации узлов цифрового синтезатора частот: накопителя частоты НЧ, накопителя фазы НФ, цифроаналогового преобразователя ЦАП, делителя частоты ДЧ.
На входы регистров памяти одновременно поступают сигналы. На вход первого регистра памяти РП1 поступает код Сь определяющий частоту синтезируемого сигнала.
На вход второго регистра памяти РП2 поступает код Ок, определяющий скорость изменения частоты синтезируемого сигнала.
На вход третьего регистра памяти РПз поступает код Нь определяющий начальную фазу синтезируемого сигнала.
С первым тактовым импульсом, код начальной частоты С поступает на вход последовательного переноса первого накопителя - накопителя частоты НЧ. Затем с каждым тактовым импульсом Т = Дt содержимое НЧ линейно увеличивается во времени и зависит от величины кода С^
На выходе накопителя частоты формируется код А. Он изменяется с каждым последующим тактовым импульсом по формуле
А = С + Т/0к (1)
где С - константа, записанная в первом регистре памяти, Ок - константа, записанная во втором регистре памяти, Т - номер тактового импульса (Т = 0,1,2,3,..).
Код коэффициента деления Ок поступает в делитель частоты ДЧ, код начальной фазы Н поступает на второй вход сумматора I.
Затем код А поступает с накопителя частоты на вход второго накопителя -накопителя фазы НФ. На выходе накопителя фазы формируется код В, который изменяется с каждым тактовым импульсом по формуле В = АТ = СГГ + Т2/ Ок. (2) Чем больше значение кода Сь тем быстрее изменяется фаза во времени, соответственно, выше частота генерируемого сигнала.
На первый вход сумматора поступает код B. На второй вход сумматора с выхода РП3 поступает код Hi. На выходе сумматора код S суммируется по формуле
S = Hi + CiT + T2/ Dk. (3) Далее код суммы S поступает на вход преобразователя кодов, представляющего собой постоянное запоминающее устройство, где преобразуется в код sin(S), и затем поступает на вход цифроаналогового преобразователя ЦАП. На выходе ЦАП формируется ступенчатый сигнал
синусоидальной формы и подается на фильтр нижних частот ФНЧ, который пропускает на выход синтезатора частот только первую гармонику синтезируемого сигнала. Так как в ц.в.с. формирование входного сигнала происходит в цифровой форме, очевидна необходимость ЦАП и ФНЧ.
В результате фильтрации сигнала цифровой синтезатор формирует на выходе ФНЧ частотно-модулированный сигнал. При ф1 = Hi - начальная фаза, /0 = Ci - начальная частота, 0.5/ = 1/Dk , At = T - период следования тактовых импульсов, амплитуда данного сигнала будет изменяться по формуле u(t) = Umsin(M + 0.5/t2 + фО (4) Следовательно, мы можем управлять параметрами синтезируемого сигнала, задавая коды начальной частоты - Ci, начальной фазы -Hi, скорости изменения частоты - Dk.
Задача ц.в.с. заключается в получении на выходе сигнала синусоидальной формы с заданной частотой.
Аккумулятор фазы работает с периодическими переполнениями,
обеспечивая арифметику по модулю 2N. Это соответствует периодическому поведению функции sin (x) c периодом 2п. Выходная частота будет вычисляться по формуле /вых = Ci /t/2n (5)
где /вых - выходная частота, /т -тактовая частота, Ci - код начальной частоты, N - разрядность аккумулятора фазы.
Шаг перестройки частоты A/вых опрееляется по формуле
A/вых = /t/2n (6)
Например, при /т = 1000Мгц, а разрядности N = 48 бит, шаг перестройки частоты буде равен примерно ЗмкГц. Здесь мы наблюдаем обратную зависимость - при увеличении разрядности N уменьшается шаг перестройки частоты A/.
Стоит отметить, что свойства симметрии функции sin (x) можно использовать для уменьшения объема п.з.у. В большинстве цифровых вычислительных синтезаторов в п.з.у. содержится только V пероида функции.
Аккумуляторы фазы серийно выпускаемых ц.в.с. имеют разрядность N= 32 или 48 бит.
В спектре выходного сигнала синтезатора из-за усечения кода фазы, появляются побочные дискретные
составляющие. Значения амплитуды и фазы этих составляющих зависят от разрядности аккмулятора фазы N и значения кода частоты Ci .
На рис. 2 изображена звисимость уровня амплитудных шумов ц.в.с. от разрядности кода фазы для ЦАП различной разрядности.
Из графика видно, что снижение уровня побочных компонентов происходит только до определенного значения, зависящего от уровня шумов квантования ЦАП. А значит, нет необходимости неограниченно наращивать разрядность кода фазы. На практике разрядность кода фазы должна быть на 2-3 разряда больше разрядности ЦАП.
Рис.2. Зависимость уровня амплитудных шумов ц.в.с. от разрядности ЦАП: 1 - 8, 2 - 10, 3 - 12. 4 - 14.
Максимальная выходная частота синтезируемого сигнала не может превышать половину тактовой частоты /у. В ц.в.с. она, как правило, в 4 раза меньше тактовой частоты.
Амплитуду сигнала определяют по формуле
А (/вых) = SIN[(nftbix)/ JT]
на выходе ЦАП
(7)
(п/вых)/ JT
где А(/вых) - амплитуда выходе ЦАП на заданной частоте.
сигнала на
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА Ц.В.С.
На рис. 3 приведена принципиальная схема цифрового вычислительного синтезатора, которая состоит из интерфейсной части (рис. 3а) и микросхемы цифрового вычислительного синтезатора (рис. 3б).
Напряжение питания схемы +5В, ток потребления до 2.5А. Схема может питаться через внешний разъем X2, или через разъем Хз, предназначенный для подключения по USB. Выбор источника питания осуществляется переключателем SAi.
Основу ц.в.с составляет
микроконтроллер Мз на базе ядра ARM Cortex-М4, осуществляет ввод, вывод данных и обработку команд.
Микроконтроллер и многие микросхемы работают на напряжении +3.3В, поэтому в схеме есть стабилизатор М4 на +3.3В (NCP1117DT33).
Обмен данными с микроконтроллером осуществляется через Ethernet, RS-232, USB. По Ethernet - с помощью микросхемы Mi через разъем Xi. По RS-232 - через разъем Х7, через преобразователь М2. По USB обмен данными с микроконтроллером М3 осуществляется через разъемы Х3 и Х5.
Для отсчета реального времени к микроконтроллеру М3 подключена схема внешнего кварцевого резонатора ZQ2. Тактирование микроконтроллера М3 внутреннее с внешним подключением кварцевого резонатора ZQi. Возможно питание через разъем Хв. Микроконтроллер М3 (STM32F429) позволяет организовать защищенный канал связи с шифрованием AES-128, AES-192, AES-256.
Для обеспечения обработки входного потока данных и команд, схема содержит динамическую память на базе микросхемы М5. Это позволяет организовать на базе интерфейсной части web-сервер,
обеспечивающий понятный интерфейс настройки устройства синтезатора с любого внешнего устройства, поддерживающего веб-протокол. Управление ц.в.с. осуществляется программой, предварительно записанной в микроконтроллер М3.
Микросхема М7 представляет собой двухканальный цифровой вычислительный синтезатор. Обеспечивает формирование гармонических.
Для корректной работы микросхемы М7 требуется напряжение +3.3 В и +1.8 В, поэтому
в схеме синтезатора имеются линейные стабилизаторы 1309ЕН3.3Т и 1309ЕН1.8Т, формирующие соответствующие напряжения.
Выходные сигналы М7 поступают на разъем Х11 без фильтрации для канала 1, на разъем Х12 с выхода схемы фильтрации для канала 1, на разъем Х13 без фильтрации для канала 2, на разъем Х14 с выхода схемы фильтрации для канала 2. Источник частоты дискретизации - внешний, подключаемый к М7 через коаксиальный разъем Х9.
Управление синтезатором М7, а также загрузка кодов частоты и фазы с М3 осуществляется через 16-разрядные шины адреса и данных, либо через БР1.
Выбор профилей для синтеза сигналов осуществляется через выделенные шины управления, каждая из которых содержит сигналы БЕИ0 - БЕИ5 для 1 канала и сигналы БЕЬ20 - БЕЬ25 для 2 канала. Данные сигналы поступают на входы буферов М9 и М10.
По фронту сигнала с разъема Х10 буфер М9 передает сигналы БЕИ0 - БЕИ5 на соответствующие входы БЕИ0 - БЕИ5 микросхемы синтезатора М7. По фронту сигнала с разъема Х10 буфер М10 передает сигналы БЕЬ20 - БЕЬ25 на соответствующие входы БЕЬ20 - БЕЬ25 микросхемы синтезатора М7. Согласно передаваемым кодам на входы БЕИх и БЕЬ2х микросхемы М7 по фронту сигнала разъема Х10 аппаратно запускается соответствующая стадия линейной частоты модуляции для каналов 1 и 2 соответственно с заданными с ходе инициализации микросхемы синтезатора параметрами.
Основные технические параметры ЦВС: тактовая частота: 800 МГц; диапазон частот формируемых сигналов: 0.001 - 200 МГц; шаг перестройки частоты: 1.5 • 10-6 Гц; разрядность накопителя частоты - 48; разрядность накопителя фазы - 48, разрядность ЦАП - 10; амплитуда выходного сигнала - 300 мВ; виды модуляции сигналов: амплитудная (АМ), частотная (РБК), фазовая (РБК); уровень амплитудных шумов - менее 60 дБ/В; напряжение питания периферии 3.3 В, напряжение питания ядра - 1.8 В.
Данный цифровой вычислительный синтезатор обладает широкими
функциональными возможностями, позволяет синтезировать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией.
Рис.3. Принципиальная схема цифрового вычислительного синтезатора сложных сигналов: а -интерфейсной платы, б - платы цифрового синтезатора. М - АЫ8720, М2 - МАХ3232СБЕ, Мз -ЪТМ32¥429, М4 - ЫСР11170Т33, М5 - МТ481С16М16А2Тв, Мб - 1309ЕН3.3Т, М7 - 1508ПЛ8Т, М8 -1309ЕН1.8Т, М9, М10 - 1594АП6Т; 01 - ТР04Е1и060ВУ.П, 02 - ВАТ54С, 03 - 1-1154вТ; Тр1,Тр2 - ТС1-1Т+, Тр3 - ТС1-1-13М+; 101 - РПК01 НС-49и-16.000 МГц-6-В-С, 102 - РПК01 0Т-38Т-32768 Гц-6-В-С.
Рис.3. Окончаниеквадратурных колебаний и сигналов с линейно-частотной модуляцией, амплитудно-фазовой модуляцией, частотной и фазовой модуляцией на частоте дискретизации до 1ГГц.
Сравнительный анализ современных методов синтеза частот и сигналов показал, что метод прямого синтеза является наиболее
перспективным для радиотехнических систем, так как обладает рядом преимуществ: надежностью, технологичностью, малым
шагом по частоте, высокой скоростью перестройки частоты при непрерывности фазы формируемых колебаний, хорошей повторяемостью параметров при
тиражировании, способностью формирования сложных сигналов.
Таким образом, широка сфера применения данного цифрового
вычислительного синтезатора. Например, его можно использовать в радиокомплексе для дистанционного зондирования ионосферы
Земли для получения амплитудно-частотных и дистанционно-частотных характеристик
радиолиний. Также, он может быть использован в качестве возбудителя передатчиков и гетеродинов приемников современных адаптивных систем КВ и УКВ связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, что позволит увеличить помехоустойчивость и надежность сеанса связи. А управление ц.в.с. происходит при помощи удобного цифрового интерфейса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов Л.А. Формирование стабильных частот и сигналов. М.: ИЦ «Академия», 2005.
2. Ямпурин Н. П. Формирование прецизионных частот и сигналов: Учеб. пособие / Н. П. Ямпурин, В. В. Болознев, Е. В. Сафронов, Е. Б. Жалнин. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 2003.
3. Рябов И. В. Цифровой синтез прецизионных сигналов: Монография / И. В. Рябов. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2005.
4. Рябов И.В. Цифровые синтезаторы частотно-модулированных сигналов // Приборы и техника эксперимента, 2001. № 2. С.62-69.
5. Рябов И.В. Метод прямого цифрового синтеза прецизионных сигналов // Радиотехника, 2006. № 9. С.14-17
6. Патент № 2058659 Российской Федерации МКИ Н03В 19/00. Цифровой синтезатор частот / Рябов И.В., Фищенко П.А. Заявл. 23.09.93. Опубл. 20.04.1996. Бюл.№ 11. 4 с.
