CC BY
260
ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИНТЕЗАТОРЫ В СИСТЕМАХ СИНТЕЗА ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ
Кочемасов Виктор Неофидович,
к.т.н. с.н.с., начальник отдела НИО-33 МТУСИ, Россия, Москва, vkochemasov@radiocomp.ru
Голубков Андрей Валерьевич,
главный инженер ООО "Радиокомп", Россия, Москва, andrew@radiocomp.ru
Егоров Николай Павлович,
к.т.н., научный консультант ООО "Радиокомп", Россия, Москва, nik-759@yandex.ru
Черкашин Александр Александрович,
к.т.н, заведующий лабораторией НИЛ-3302 МТУСИ, Россия, Москва, alexander@radiocomp.ru
Чугуй Александр Петрович,
Представлен обзор современных методов формирования частот и сигналов. Рассмотрены интегральные и модульные цифровые вычислительные синтезаторы, произведен сравнительный анализ характеристик различных устройств. Приведены примеры устройств синтеза частот, использующих прямой цифровой синтез в комбинации с прямым аналоговым синтезом и системами фазовой автоподстройки частоты. Представлены способы формирования модулированных сигналов с помощью цифровых вычислительных синтезаторов и устройства, реализующие эту функцию.
На этапе зарождения радиоэлектроники задача формирования колебаний требуемой частоты решалась с помощью сменных кварцев в задающем генераторе, а затем посредством переключения частот нескольких кварцевых генераторов.
Далее появились прямые аналоговые синтезаторы (ПАС), в которых сетка частот получалась из колебаний кварцевого генератора посредством многократного умножения, деления, преобразования и фильтрации исходного опорного колебания. Разработка систем косвенного синтеза частот на основе ФАПЧ позволила строить синтезаторы с эквидистантной сеткой частот в широком диапазоне с привязкой к частоте опорного генератора, которая в традиционных схемах определяет шаг сетки частот. Время переключения в таких синтезаторах обратно пропорционально шагу частоты.
Последними стали применяться цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС) [1], в которых синтез колебаний достигается посредством арифметических операций по вычислению кода фазы и соответствующих им значений отсчетов синусоидальной или косинусоидальной функций с последующим преобразованием к аналоговому виду. Рабочая полоса в таких синтезаторах определяется частотой тактирования цифровых блоков синтезатора, а шаг частоты зависит от разрядности цифрового накопителя и может быть сколь угодно малым.
Для цитирования:
Кочемасов В.Н., Голубков А.В., Егоров Н.П., Черкашин А.А., Чугуй А.П. Цифровые вычислительные синтезаторы в системах синтеза частот и сигналов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. Том 9. - №3. - С. 23-27.
For citation:
Kochemasov V.N., Golubkov A.V., Egorov N.P., Cherkashin A.A., Chuguy A.P. Direct digital frequency synthesizers in systems of frequency and signals synthesis. T-Comm. 2015. Vol. 9. No.3. Рр. 23-27. (in Russian).
ведущий инженер-электроник ООО "Радиокомп", Россия, Москва, inbox@radiocomp.ru
Ключевые слова: синтезатор частот, цифровой вычислительный синтезатор, система ФАПЧ, частота, сигнал, модуляция.
7ТЛ
У
ко обеспечиваемых методами прямого цифрового синтеза. В таком решении сохраняется также основное достоинство обоих методов - их высокие скоростные характеристики. При этом важной задачей является преодоление недостатков, свойственных каждому методу синтеза. Для синтезаторов прямого аналогового синтеза - это громоздкость технических решений при их высокой стоимости, для синтезаторов прямого цифрового синтеза - достаточно высокий уровень паразитных спектральных составляющих, обусловленный методами формирования выходного сигнала.
Прямой аналоговый синтезатор (рис. 3) включает в себя ряд ячеек преобразования частоты, каждая их которых представляет собой смеситель, на один из входов которого подается первая группа опорных частот а на другой вход - вторая группа опорных частот {1п| Выход смесителя нагружен на полосовой фильтр. Последовательное включение таких ячеек позволяет обеспечить большую полосу перестройки и уменьшить шаг сетки частот. При этом выход предыдущей ячейки соединяется с одним из входов смесителя следующей ячейки. Чем выше требования к спектральной чистоте выходного сигнала, тем более жесткие требования предъявляются к фильтрации на выходе каждой ячейки преобразования частоты. Повышение фильтрующей способности достигается за счет уменьшения полосы пропускания фильтров, увеличения их затухания в полосе подавления, а также роста числа фильтров.
Таблица 3
■ml-
■fmL CM I в ь:v
fnl ■ • • fiiK
Рис. 3. Ячейка преобразования частоты аналогового синтезатора частот
Комбинация прямого аналогового и прямого цифрового синтезаторов дает существенный выигрыш в аппаратных затратах, так как позволяет получить сколь угодно малый шаг сетки частот при меньшем числе ячеек преобразования частоты. При этом задача формирования мелкого шага сетки решается цифровым вычислительным синтезатором (ЦВС), а достижение необходимых полосы и спектральных характеристик обеспечивается структурой прямого аналогового синтеза.
В табл. 3 приведены сравнительные характеристики синтезаторов, выполненных с использованием методов прямого аналогового и прямого цифрового синтеза.
Система синтеза частот на основе ФАПН и ЦВС
В традиционных синтезаторах частоты на основе систем ФАПЧ существует непреодолимое противоречие между шагом перестройки частоты и скоростью переключения. Разрешить его можно либо в синтезаторах с дробной ФАПЧ, либо в синтезаторах на основе комбинации ФАПЧ и ЦВС [4], Обобщенная структурная схема такого синтезатора приведена на рис. 4.
Синтезаторы с комбинированием прямого аналогового синтеза и ЦВС
Фирма Модель Выходная частота, ГГц Шаг, разрешение по частоте, Гц Время переключения. МКС Паразитные составляющие, дБн
Hunter SMS-DA 1,25-18 1 0,350 -50
Kratos-CTI серия DS 0,01-40,96 1 0,250 -60
Holzworth серия HSM 250 кГц -6,4 0,00 i 100 -60
«Радио-ком n » проект 2,5-5,0 менее 1 10 (0,5 по списку) <-1 10
ог
А
ЦВС1
ФД
УГ
JL
Ц8С2 I
L
см кг
Рис. 4. Обобщенная структура совместного использования ЦВС и ФАПЧ
Для данной схемы выходная частота определяется формулой:
(I)
где N1 и N2 - разрядности кодов частоты для ЦВС1 и ЦВС 2; КР, и КРг - входные коды частоты для ЦВС I и ЦВС2.
Второй из вычислительных синтезаторов в схеме на рис. 4 может быть заменен дробным ДПКД, Выходная частота в этом случае будет определяться формулой:
t, = (KF,t/2NI)M+f„r,
(2)
где М - коэффициент деления.
Управляя соответствующим образом кодами KF, и KF2, также можно обеспечить приемлемый уровень ПСС. Помимо этих технических решений, возможны и другие.
Количество публикаций, относящихся к тандему из этих двух синтезаторов, чрезвычайно велико. Высокие качественные показатели достигнуты в синтезаторах компании Phase Matrix, Inc. FSW-OOIO и FSW-0020. Характеристики этих и других синтезаторов приведены в табл. 4.
Формирование модулированных сигналов
с помощью ЦВС
Проще всего формирование модулированных сигналов достигается в ЦВС посредством подачи на них соответствующих кодов управления частотой К(, фазой Кц длительностью сигнала KTt и периодом его повторения КТг,.
T-Comm Vol.9. #3-2015
Таблица 4
Синтезаторы на основе ЦВС и систем ФАПЧ
Фирма Модель Выходная частота, ГГц Шаг. разрешение по частоте. Гц Размеры, мм, особенности
Digital Signal Technology, Inc. DPL-3.2GXF 0,005-3,2 0,001 100x35x100, вес 300 гр.
Digital Signal Technology, Inc. DSG-09I2G 9-12 250 кГц 130x30x160
Phase Matrix, Inc. FSW-0010 и FSW-0020 0,1-10,0 0,2-20,0 0,001 127х 177,8х 25,4, вес 1,13 кг
Phase Matrix, Inc FSL-0010 и FSL-0020 в компактном исполнении 0,65-10 0,65-20 0,001 102x102x20, вес 0,36 кг
FEI-Elcom Tech LNMFS-1079 12,72-14,64 1000 195,6x139,7х 18,6
Plextek - 2,5-4 - 190x160x20
Таблица 5
Модули с ЦВС для формирования модулированных сигналов
Фирма Модепь, серия Тип устройства Максимальная тактовая и выходная частота Шаг, разрешение по частоте Размеры, мм
Euvis DSM309 модуль ЛЧМ-сиг налов различной формы, при тактовой частоте 4 С5РБ максимальная длительность сигнала ЛЧМ 2 мс тактовая частота до 4 С5Р5. максимальная выходная частота 2 ГГц 32 бита 127x127, бескорпусной
Hunter SMS-DU модуль синтезатора с ЦВС и повышающими преобразователями, время переключения менее 100 икс, ЛЧМ или квадратурная модуляция выходные частоты 1 -26 ГГц шаг 1 МГц 10),6 х 1 14,3 х 25,4, модуль Б корпусе
Ex élis генераторы сигналов с ЦВС, формирование сигналов с ЧМ, ФМ.ЛЧМ. импульсных сигналов И Др. для ЦВС 5 С5р5, выходная частота до 26 ГГц 76,2 х 101.6 х 17,8
Avid Systems AVS 1010 синтезатор с ЦВС, время переключения 55 не; дополнительно формируются сигналы с АМ.ФМ. ЧМ, Р5К выходная частота 15-800 МГц, с расширением до 1,5 ГГц 0,5 Гц модуль в корпусе. 1 14,3 х 101,6x25.4
«Радио- КОМП» СЛЧМ-РК формирователь с верх широкополосных ЛЧМ сигналов с ЦВС, девиация ЛЧМ до 600 МГц 400-6000 МГц по диапазонам 3 мкГц 165x88x21
При необходимости формирования ЛЧМ сигналов [5] в ЦВС обычно добавляется еще один накопитель кода скорости Ку, обеспечивающий линейное изменение кода частоты К(. Так, отечественная микросхема ЦВС 1508ПЛ8Т для формирования ЛЧМ сигналов содержит 48-разрядный аккумулятор частоты.Наиболее известным техническим решением, сочетающим методы цифрового вычислительного и прямого аналогового синтеза, является структура {рис. 5) на базе квадратурного модулятора (КвМ).
Кг
□=!> ЦВС
КвМ
БОЧ
ПАС
Рис. 5. Структура на базе квадратурного модулятора
В рамках этой структуры сохраняются все преимущества, свойственные ЦВС, а с помощью ПАС формируемый сигнал переносится в высокочастотный диапазон. Такая структура является не единственной. Характеристики ряда формирователей сигналов сведены в табл. 5.
Формирователи сигналов в системах синтеза на основе ЦВС и ФАПЧ также могут быть реализованы различными способами. Один из них {активный умножитель частоты) реализуется в схеме на рис. 4 при замене ЦВС2 делителем частоты.
Выводы
Использование ЦВС позволяет обеспечить очень высокое разрешение по частоте {до сотых и тысячных долей герца) и по фазе, быстрое переключение частот и формирование модулированных сигналов. В настоящее время ведущие мировые производители выпускают и продолжают совершенствовать ЦВС и комбинированные синтезаторы, содержащие ЦВС, всех типов - от микросхем до приборов. Существенное внимание также уделяется разработке и выпуску устройств, обеспечивающих формирование, помимо гармонических, сигналов с различными типами модуляции, в частности с ЛЧМ.
Литература
1. J. Tierney, С. М, Roder, ß. Gold, A Digital Frequency Synthesizer. IEEE Trans. Audioelectroacoust, vol. Au-19, pp. 48, March, 1971.
2. Жаров A.H., Кочемасов B.H., Будишов В.П. Синтезатор сигналов с заданным законом изменения фазы. Авт. свид-во СССР SU 1686693 AI, 23.10.91.
3. Техническое описание микросхемы 1508ПЛ8Т, http://www.radiocomp.ru/. Дата обращения 19 февраля 2015,
4. A. Chenakin, Synthesizers: Concept to Product. Norwood, MA: Artech House, 201 I.
5. Кочемасов B.H., Белов ЛЛ, Оконесиников B.C. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. - М.: Радио и связь, 1983. - 192 с.
DIRECT DIGITAL FREQUENCY SYNTHESIZERS IN SYSTEMS OF FREQUENCY AND SIGNALS SYNTHESIS
Kochemasov Victor, Moscow, Russia, vkochemasov@radiocomp.ru Golubkov Andrey, Moscow, Russia, andrew@radiocomp.ru Egorov Nikolay, Moscow, Russia, nik-759@yandex.ru Cherkashin Alexander, Moscow, Russia, alexander@radiocomp.ru Chuguy Alexander, Moscow, Russia, inbox@radiocomp.ru
Abstract
An overview of modern methods of synthesis frequencies and signals is given. Examples of devices that use dif-ferent methods of synthesis are shown. The main attention is paid to the synthesis of frequencies and signals based on direct digital synthesizers. Examples frequency synthesis devices using direct digital synthesis in combination with direct analog synthesis and phase locked loop systems. The ways of forming the modulated signals by digital computing synthesizers and apparatus realizing this function. At the stage of inception electronics task of forming the desired frequency of oscillation is solved by replacement of quartz in the master oscillator, and then by switching frequencies of several quartz oscillators. Then there were direct analog synthesizers (PAS), which was obtained from the grid frequency fluctuations crystal oscillator by repeated multiplication, division, transformation and filtering the original reference oscillation. Development of systems of indirect frequency synthesis based on PLL synthesizers allowed to build an equidistant grid with a wide range of frequencies with reference to the frequency of the reference oscillator, which determines the patterns of traditional grid frequency. Switching time in these synthesizers is inversely proportional to the frequency step. The latest digital computers have been used synthesizers (DDS), in which the synthesis of vibrations is achieved by arithmetic calculation of the code phase and the corresponding sample values of sinusoidal or cosine functions with subsequent conversion to analog. Working in such synthesizers band determined by the frequency synthesizer clock digital blocks, and step frequency depends on the bit digital storage device and can be arbitrarily small.
Keywords: frequency synthesizer, direct digital synthesizer, PLL, frequency, signal, modulation. References
1. Tierney J., Rader C.M., Gold B. A Digital Frequency Synthesizer. IEEE Trans. Audioelectroacoust, vol. Au-19, pp. 48, March, 1971.
2. Zharov A.N., Kochemasov V.N., Budisov V.P. Synthesizer signals with given phase change. Auth. svid of Soviet SU 1686693 Al, 23.10.91. (in Russian).
3. Technical description chip I508PL8T, http://www.radiocomp.ru. Date Treatment February 19, 2015. (in Russian).
4. Chenakin A. Synthesizers: Concept to Product. Norwood, MA: Artech House, 2011.
5. Kochemasov V.N., Belov L.A., Okoneshnikov V.S. Formation signal with linear frequency modulation. Moscow: Radio i Svyaz', 1983. 192 p. (in Russian).
Information about authors:
Kochemasov Victor, Moscow University of Communications, Moscow, Russia Golubkov Andrey, Radiocomp LLC, Moscow, Russia Egorov Nikolay, Radiocomp LLC, Moscow, Russia Cherkashin Alexander, Moscow University of Communications, Moscow Chuguy Alexander, Radiocomp LLC, Moscow, Russia
For citation:
Kochemasov V.N., Golubkov A.V., Egorov N.P., Cherkashin A.A., Chuguy A.P. Direct digital frequency synthesizers in systems of frequency and signals synthesis. T-Comm. 2015. Vol. 9. No.3. Pp. 23-27. (in Russian).
T-Comm Vol.9. #3-2015
