Методы формирования цифровой последовательности

В статье рассказывается про основные методы формирования цифровой последовательности.

Ключевые слова: синтез, сигнал, метод.

Косвенный синтез частоты на основе фазовой автоподстройки (PLL)

Этот метод синтеза использует принцип сравнения частоты и фазы выходного сигнала, создаваемого генератором, управляемый напряжением (VCO), с сигналом опорного генератора.

Структурная схема такого синтезатора показана на рис. 1. Обнаружение ошибок обеспечивается с помощью фазового детектора (ФД), работающего на определенной частоте f _c , называемой частотой сравнения. Эта частота получается путем деления частоты опорного генератора G на N. Выходная частота сначала делится на M, а затем сравнивается с частотой f _c . При отклонении частоты на выходе ФД появляется управляющее напряжение, которое действует на управляющий элемент VCO до тех пор, пока отклонение не исчезнет. Поскольку делители частоты имеют целочисленные коэффициенты деления, шаг сетки такого синтезатора определяет частоту сравнения. Выходная частота определяется по формуле:

Где:

— выходная частота;

— M коэффициент деления выходной частоты.

Фазовый детектор — дополнительный источник фазового шума. Попытка достичь небольшого шаг перестройки частоты заставляет работать при более низкой опорной частоте, который требует более низкой петлю фильтра частоты среза. Это еще больше увеличивает фазовый шум. В таком синтезаторе также очень сложно обеспечить перестройку частоты.

Рис. 1. Синтезатор PLL [1]

Прямой цифровой синтез DDS

Суть таких генераторов предельно проста: сигнал хранится в памяти в цифровом виде и воспроизводится цифро-аналоговым преобразователем в аналоговом виде. Благодаря этому форма волны может быть абсолютно любой, а не просто обыкновенной синусоидой или прямоугольником.

Недостатком DDS является джиттер.

В большинстве случаев этим показателем можно пренебречь.

Преимущества DDS:

— очень высокое разрешение по частоте и фазе с цифровым управлением;

— чрезвычайно быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка частоты без разрыва фазы, без выброса и других аномалий, связанных со временем стабилизации;

— цифровой интерфейс упрощает управление микроконтроллером.

— для квадратурных синтезаторов есть DDS с выходами I и Q, которые работают вместе.

Частотное разрешение DDS составляет сотые и даже тысячные доли герца при выходной частоте порядка нескольких десятков мегагерц. Это разрешение недоступно для других методов синтеза. С DDS скорость настройки практически ограничена только скоростью цифрового интерфейса управления. Кроме того, каждый скачок частоты DDS происходит без прерывания фазы выходного сигнала. Поскольку выходной сигнал синтезируется в цифровом виде, очень легко выполнять различные типы модуляции

Структура DDS представлена на рис. 2.

Эта структура DDS имеет очевидные недостатки. Основная из них — неудовлетворительная перестройка частоты. Поскольку тактовая частота делится на целое число, шаг настройки будет переменным, и чем ниже коэффициент деления, тем больше относительный размер шага. Этот шаг будет неприемлемым при низких коэффициентах разделения.

Кроме того, при настройке выходной частоты частота дискретизации также изменится. Это усложняет фильтрацию выходного сигнала, а также приводит к неоптимальному использованию скоростных характеристик ЦАП — они будут полностью задействованы только на максимальной выходной частоте. Гораздо логичнее всегда работать с постоянной частотой дискретизации, близкой к максимальной для используемого вами ЦАП, независимо от выходной частоты.

Все недостатки описанной выше конструкции можно устранить, предложив решение: заменить счетчик адресов ПЗУ на другое цифровое устройство, называемое накапливающим сумматором. Аккумулятор — это регистр, который перезагружается в каждом цикле устройства со значением, которое соответствует старому содержанию плюс постоянное добавление (рис. 3).

Рис. 3. Синтезатор DDS с аккумулятором фазы [1]

Когда приращение фазы равно единице, поведение накапливающего сумматора не отличается от поведения двоичного счетчика. Например, если приращение фазы равно двум, код фазы будет изменяться в два раза быстрее. В этом случае коды поступают в ЦАП с той же частотой, но они не являются смежными, вместо этого они принимают счет функции sin. В этом случае частота генерируемого сигнала в два раза выше, а частота дискретизации остается прежней. Аккумулятор фазы работает с периодическими переполнениями и выдает арифметические операции по модулю 2N.

Выходная частота определяется формулой:

— выходная частота;

— тактовая частота;

— код частоты;

— разрядность.

Литература:

1. Леонид, Ридко DDS: прямой цифровой синтез частоты / Ридко Леонид. — Текст: электронный // ra3ggi: [сайт]. — URL: http://ra3ggi.qrz.ru/UZLY/dds.htm (дата обращения: 24.11.2020).
2. Ватутин В. Цифровая обработка сигналов помехоустойчивых космических радиолиний / В. Ватутин. — М.: Радиотехника, 2007. — 96 с.