Цифровий синтез частоти

ЦИФРОВИЙ СИНТЕЗ ЧАСТОТИ

Синтезатори прямого синтезу частот мають ряд переваг в порівнянні з синтезаторами з системою фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ). По-перше, в них практично відсутні перехідні процеси, що визначає їх високу швидкодію.

По-друге, архітектура цифрових синтезаторів прямого синтезу частот (ЦСПСЧ) дозволяє простіше виготовляти їх в інтегральному виконанні, ніж синтезатори з системою автопідстроювання. По-третє, це — найдешевші і технологічні синтезатори.

Особливо зручне застосування синтезаторів прямого синтезу як перебудовані генератори систем демодуляції ЧМ- і ФМ-сигналів, таких як система Костаса, системи квадратури і т.д.

Перспективне використовування ЦСПСЧ в системах управління діаграмою спрямованості антенних грат.

Фазообертачі

Ще кілька років тому прямі цифрові синтезатори частоти (Direct Digital Synthesizers, DDS) були чудасією і мали обмежену область застосування.

Їх широке використовування стримувалося складністю реалізації, а також недостатньо широким діапазоном робочих частот. Не дивлячись на те, що в даний час найбільш популярні синтезатори на основі фазового автопідстроювання частоти (PLL), все частіше застосовуються прямі цифрові синтезатори, що мають ряд унікальних можливостей. DDS вже не сприймаються розробниками як складні, незрозумілі і дорогі пристрої.

Під терміном «синтезатор частоти» розуміють електронний пристрій, здатний формувати з опорної частоти на виході необхідну частоту або набір частот, згідно управляючим сигналам.

Найпоширенішими є наступні методи синтезу частот: прямий аналоговий синтез (Direct Analog Synthesis, DAS) на основі структури змішувач/фільтр/дільник, при якому вихідна частота виходить безпосередньо з опорної частоти за допомогою операцій змішення, фільтрації, множення і розподілу;

- непрямий (indirect) синтез на основі фазового автоматичного підстроювання частоти (Phase Locked Loop, PLL), при якому вихідна частота формується за допомогою додаткового генератора (найчастіше це генератор, керований напругою — Voltage Controlled Oscillator, VCO), охопленого петлею ФАПЧ;

- прямий цифровий синтез (Direct Digital Synthesis, DDS), при якому вихідний сигнал синтезується цифровими методами;

- гібридний синтез, що є комбінацією декількох методів, описаних вище.

Кожний з цих методів синтезу частот має переваги і недоліки, отже, для кожного конкретного додатку потрібно робити вибір, заснований на найприйнятнішій комбінації компромісів.

До основних параметрів, що характеризують якість синтезатора частоти, відносяться:

- чистота спектру вихідного сигналу (рівень побічних компонентів і рівень шуму);

- діапазон перебудови (смуга частот вихідного сигналу);

- швидкість перебудови;

- частотна вирішальна здатність;

- кількість частот, що генеруються;

- гнучкість (спроможність здійснення різних видів модуляції);

- нерозривність фази вихідного сигналу при перестроюванніі.

Прямий аналоговий синтез (DAS)

Структурна схема прямого аналогового синтезатора показана на рисунку 1.

Цей метод синтезу називають прямим, тому що в ньому відсутній процес корекції помилки. Отже, якість вихідного сигналу напряму пов'язана з якістю опорного сигналу.

Фазовий шум такого синтезатора досить низок унаслідок прямого синтезу. Перебудова по частоті може бути дуже швидкою. Однією з важливих особливостей DAS-синтезатора на основі змішувача/фільтру є

Спроможність повернутися на будь-яку частоту і продовжувати працювати в тій же фазі, неначебто переходу не було взагалі. Цей ефект називають «фазовою пам'яттю».

Для перестроювання по частоті використовується банк опорних генераторів, що перемикається. Це зручно, наприклад, для радіостанції з невеликою кількістю каналів. Але для перекриття широкого діапазону частот потрібно велика кількість опорних генераторів, що є вельми дорогим рішенням.

Використовуючи дільників частоти, що мають структуру змішувач/фільтр/дільник, можна зменшити кількість необхідних опорних генераторів, хоча і в цьому випадку можливості перебудови залишаться більш ніж скромними.

Рисунок 1. – Прямий аналоговий синтезатор частоти (DAS)

Непрямий синтез частоти на основі фазового автопідстроювання (PLL)

Цей метод синтезу використовує принцип порівняння частоти і фази вихідного сигналу, формованого генератором, керованим напругою (VCO), з сигналом опорного генератора.

Структурна схема такого синтезатора показана на рисунку 2. Виявлення помилки забезпечує фазовий детектор (ФД), який працює на певній частоті FC, званою частотою порівняння. Ця частота виходить шляхом розподілу частоти опорного генератора G на N. Частота вихідного сигналу спочатку ділиться на M, а потім порівнюється з частотою FC.

При відхиленні частоти на виході ФД з'являється управляюча напруга, що впливає на управляючий елемент VCO до зникнення відхилення.

Оскільки дільники частоти мають цілі коефіцієнти розподілу, крок сітки такого синтезатора визначає частота порівняння. Вихідна частота визначається по формулі:

FOUT = FCxM = (FCLK/N)xM = FCLKx(N/M),

де FOUT — вихідна частота; FC — частота порівняння; N — коефіцієнт розподілу опорної частоти; M — коефіцієнт розподілу вихідної частоти.

Рисунок 2. Синтезатор частоти на основі PLL

Іншими словами, PLL-синтезатор умножає опорну частоту в N/M раз. Коефіцієнти N і M можуть задаватися мікроконтролером, хоча на практиці число N при перебудові міняють рідко, оскільки це спричиняє за собою зміну частоти порівняння (і, відповідно, кроку сітки) і вимагає зміни параметрів фільтру.

Фазовий детектор є джерелом додаткових фазових шумів. Спроба одержати малий крок перебудови частоти вимушує працювати на нижчій частоті порівняння, що вимагає пониження частоти зрізу фільтру. А це ще більш збільшує фазові шуми.

Швидку перебудову частоти в такому синтезаторі забезпечити також дуже складно.

Для отримання малого кроку перебудови по частоті іноді об'єднують в одному синтезаторі декілька петель PLL. Проте багатопетлевий PLL-синтезатор є вельми дорогим і громіздким пристроєм, що стримує його широке застосування.

Прямий цифровий синтез (DDS)

Прямий цифровий синтез — відносно новий метод синтезу частоти, що з'явився на початку 70-х років минулого століття. Всі описані методи синтезу доступні розробникам вже десятиліття, але лише останнім часом DDS приділяється пильна увага.

Поява дешевих мікросхем з DDS і зручних засобів розробки робить їх сьогодні привабливими для різних сфер застосування.

DDS унікальні своєю цифровою визначеністю — сигнал, що генерується ними, синтезується з властивою цифровим системам точністю. Частота, амплітуда і фаза сигналу у будь-який момент часу точно відомі і підконтрольні. DDS практично не схильні до температурного дрейфу і старіння.

Єдиним елементом, який володіє властивою аналоговим схемам нестабільністю, є ЦАП. Високі технічні характеристики стали причиною того, що останнім часом DDS витісняють звичні аналогові синтезатори частот. Основні переваги DDS:

- дуже високий дозвіл по частоті і фазі, управління якими здійснюється в цифровому вигляді;

- екстремально швидкий перехід на іншу частоту (або фазу), перебудова по частоті без розриву фази, без викидів і інших аномалій, зв'язаних з часом встановлення;

- архітектура, заснована на DDS, зважаючи на дуже мале кроку перебудови по частоті, виключає необхідність застосування точного підстроювання опорної частоти, а також забезпечує Спроможність параметричної температурної компенсації;

- цифровий інтерфейс дозволяє легко реалізувати мікроконтроллерноє управління;

- для синтезаторів квадратури є DDS з I і Q виходами, які працюють погоджено.

Частотний дозвіл DDS складає соті і навіть тисячні частки герца при вихідній частоті десятків мегагерц. Такий дозвіл недосяжний для інших методів синтезу.

Іншою характерною особливістю DDS є дуже висока швидкість переходу на іншу частоту. Синтезатори на основі PLL використовують зворотний зв'язок і фільтрацію сигналу помилки, що уповільнює процес перебудови частоти.

Для DDS швидкість перебудови обмежена практично лише швидкодією цифрового управляючого інтерфейсу. Більш того, всі перебудови по частоті в DDS відбуваються без розриву фази вихідного сигналу. Оскільки вихідний сигнал синтезується в цифровому вигляді, дуже просто можна здійснити модуляцію різних видів.

Параметри синтезатора частоти дуже важливі для апаратури зв'язку. Будучи серцем системи настройки, синтезатор в основному визначає споживацькі властивості конкретного апарату.

Як з технічною, так і з економічної сторони DDS задовольняє більшості критеріїв ідеального синтезатора частоти: простий, високо інтегрований, з малими габаритами.

Крім того, багато параметрів DDS, що управляється програмою, що дозволяє закласти в пристрій нові можливості. Сучасні DDS використовують субмікронну CMOS-технологію, логіку трьох вольт, мініатюрні корпуси.

Одночасно постійно знижуються ціни на них. Все це робить DDS дуже перспективними приладами.

З процесами дискретизації і цифро-аналогового перетворення, який має місце в DDS, зв'язані і деякі обмеження:

- максимальна вихідна частота не може бути вищим за половину тактовою (на практиці вона ще менше). Це обмежує області застосування DDS областями HF і частини VHF-діапазону;

- окремі побічні складові вихідного на виході DDS можуть бути значними, в порівнянні з синтезаторами інших типів. Спектральна чистота вихідного сигналу DDS сильно залежить від якості ЦАП;

- споживана DDS-потужність практично прямо пропорційна тактовій частоті і може досягати сотень мілліват. При великих тактових частотах DDS можуть виявитися непридатними для пристроїв з батарейним живленням.

Структура DDS

Якщо відразу розглядати реальну структуру конкретного DDS, то вона може показатися необґрунтовано складною і заплутаною. Для того, щоб та або інша особливість структури DDS була очевидною, почнемо розгляд з кінцевого результату, який потрібно одержати.

Задача DDS — одержати на виході сигнал синусоїдальної форми заданої частоти. Оскільки в DDS формування вихідного сигналу відбувається в цифровій формі, абсолютно очевидна необхідність цифро-аналогового перетворення.

Це означає, що в структурі DDS повинен бути ЦАП. У будь-якому випадку на виході ЦАП повинен бути присутнім ФНЧ для придушення образів вихідного спектру, що повторюються з періодичністю FCLK (anti-aliasing filter).

Для отримання синусоїдального сигналу на вхід ЦАП необхідно подати послідовність відліків функції sin, наступних з частотою дискретизації FCLK. Закон зміни функції sin в часі складний і цифровими методами просто не реалізується.

Можна, звичайно, використовуючи поліноміальну уяву, обчислювати значення функції sin за допомогою АЛУ. Проте такий метод навряд буде швидкодійним, а висока швидкодія якраз є однією з основних вимог до DDS.

Тому найбільш відповідним методом формування відліків функції sin є табличний метод. Таблиця, яка перекудує (Look Up Table) найчастіше розміщується в ПЗП.

Код, який подається на адресні входи ПЗП, є аргументом функції sin, а вихідний код ПЗП рівний значенню функції для даного аргументу. Аргумент функції sin або фаза, на відміну від значення функції, міняється в часі лінійно.

Сформувати лінійно змінну в часі послідовність кодів набагато простіше.

Це здатний зробити простий двійковий лічильник. Тому простий DDS виглядає так: двійковий лічильник формує адресу для ПЗП, куди записана таблиця одного періоду функції sin, відліки з виходу ПЗП поступають на ЦАП, який формує на виході синусоїдальний сигнал, що піддається фільтрації у ФНЧ і поступає на вихід (рисунок 4). Для зміни вихідної частоти використовується дільник із змінним коефіцієнтом розподілу, на вхід якого поступає тактовий сигнал з опорного генератора.

Рисунок 3. – Простий прямий цифровий синтезатор

Така структура DDS має очевидні недоліки. Основним з них є незадовільна здібність до перебудови по частоті. Дійсно, оскільки тактова частота випробовує розподіл на ціле число, крок перебудови буде змінним, причому чим менше коефіцієнт розподілу, тим більше відносна величина кроку.

Цей крок буде неприпустимо грубим при малих коефіцієнтах розподілу.

Крім того, при перебудові вихідної частоти мінятиметься і частота дискретизації. Це утрудняє фільтрацію вихідного сигналу, а також веде до неоптимального використовування швидкісних характеристик ЦАП — вони будуть повною мірою використані лише на максимальній вихідній частоті.

Набагато легше завжди, незалежно від вихідної частоти, працювати на постійній частоті дискретизації, близької до максимальної для використовуваного ЦАП.

Рисунок 4. - Прямий цифровий синтезатор на основі накопичувального суматора