Цифровой синтезатор частот

Цифровой синтезатор частот

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в эффективных по скрытности передаваемых сообщений системах связи в качестве формирователя многочастотного сигнала, в котором в процессе передачи информации можно менять как количество моногармоник и номиналы их частот, так и начальные фазы для каждой из частот моногармоник независимо друг от друга, что делает данный сигнал практически неподдающимся расшифровке.

Известен цифровой синтезатор частот [Авторское свидетельство СССР №1205249, кл. Н03В 19/00, 1984], обеспечивающий формирование многочастотного сигнала, содержащий образцовый генератор, преобразователь кода, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр нижних частот, выход которого подключен к шине выходного сигнала синтезатора, N цифровых интеграторов, информационные входы которых соединены с N шинами кодов синтезируемых частот, мультиплексор, N информационных входов которого соединены с выходами соответствующих цифровых интеграторов, а выход - с входом преобразователя кодов, накапливающий сумматор, информационный вход которого соединен с выходом преобразователя кодов, а выход с информационным входом ЦАП, а также блок синхронизации, вход которого соединен с выходом образцового генератора, первая группа выходов соединена с входом тактирования каждого цифрового интегратора и ЦАП, вторая группа выходов соединена с адресным входом мультиплексора, а третья группа выходов соединена с входами тактирования мультиплексора и преобразователя кода, а также с входами тактирования и установки нуля накапливающего сумматора.

Однако данный цифровой синтезатор частот имеет низкую частоту дискретизации f_д, которая зависит от времени занесения кода в накапливающий сумматор, т.е. от быстродействия последнего, а частота дискретизации согласно теореме В.А.Котельникова определяет максимальную синтезируемую частоту синтезатора F_max<f_д/2. Кроме того, частота дискретизации данного синтезатора, как это следует из формулы f_д=f₀/N+1, где f₀ - частота следования импульсов на выходе образцового генератора; N - количество частот в выходном сигнале синтезатора, уменьшается с ростом N. Таким образом, недостатком данного синтезатора является ограниченный со стороны высоких частот F_max диапазон синтезируемых колебаний, который уменьшается с ростом N.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является цифровой синтезатор частот [Патент РФ №2030092, кл. Н03В 19/00], содержащий опорный генератор, N цифровых интеграторов, N преобразователей кода, сумматор кодов с N информационными входами, последовательно соединенные ЦАП и фильтр нижних частот (ФНЧ), выход которого является выходом устройства, причем тактовый вход ЦАП подключен к выходу опорного генератора (ОГ) и соединен с тактовыми входами N цифровых интеграторов, информационные входы которых являются кодовыми шинами задания синтезируемых частот, а выходы соединены с соответствующими входами N преобразователей кодов, выходы которых подключены к соответствующим информационным входам сумматора кодов с N информационными входами, выход которого соединен с информационным входом ЦАП, а тактовый вход с выходом ОГ.

При этом сумматор кодов с N информационными входами выполнен в виде log₂N суммирующих блоков, каждый из которых выполнен на N/2^r регистрах памяти, где r - номер суммирующего блока, при этом первый и второй входы сумматоров первого суммирующего блока являются соответствующими из N информационных входов сумматора кодов с N информационными входами, выход каждого из сумматоров в каждом из суммирующих блоков подключен к входу соответствующего регистра памяти, выход каждого из регистров памяти с нечетным номером r-го суммирующего блока соединен с первым входом соответствующего сумматора (r+1)-го суммирующего блока, выход каждого из регистров памяти с четным номером r-го суммирующего блока соединен со вторым входом соответствующего сумматора (r+1)-го суммирующего блока, тактовые входы всех регистров памяти всех суммирующих блоков объединены и являются тактовым входом сумматора кодов с N информационными входами, выходом которого является выход регистра памяти (log₂N)-го суммирующего блока.

Кроме того, каждый из N цифровых интеграторов содержит последовательно соединенные умножитель кода, первый сумматор, первый регистр памяти, второй регистр памяти, мультиплексор, блок синхронизации, Р каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных корректора кода, сумматора и регистра памяти, выход которого подключен к соответствующему информационному входу мультиплексора, при этом входы умножителя кода и корректоров кода Р каналов объединены и являются информационным входом цифрового интегратора, другой вход первого сумматора объединен с другими входами сумматоров Р каналов и подключен к выходу первого регистра памяти, тактовые входы первого и второго регистров памяти и регистров памяти Р каналов объединены и подключены к первому выходу блока синхронизации, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами мультиплексора, выход которого является выходом цифрового интегратора, а тактовый вход блока синхронизации является входом тактирующего сигнала цифрового интегратора.

Данный цифровой синтезатор частот обеспечивает получение многочастотного сигнала с расширенным в область высоких частот F_max диапазоном синтезируемых колебаний при обеспечении независимости максимальной синтезируемой частоты синтезатора от количества частот в формируемом многочастотном сигнале, в состав которого могут включаться моногармоники из диапазона частот F_min-F_max работы синтезатора в любом наборе, частоты отдельных составляющих которых можно менять независимо друг от друга посредством изменения управляющих кодов установки частоты K_Fi.

Однако недостатком данного синтезатора многочастотных сигналов является то, что он не имеет возможности изменения начальных фаз моногармоник из диапазона рабочих частот. В результате указанного недостатка при использовании данного устройства в системах связи не удается, как показано в работе [Н.П.Суворов. О развитии теории сигналов. - Радиотехника, 1985, вып.72, с.47-53], обеспечить такую же скрытность при передаче сообщений, как в помехозащищенных системах связи, в которых в процессе передачи информации можно менять как количество частот (моногармоник) в излучаемом сигнале, так и их начальные фазы.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения функциональных возможностей устройства за счет обеспечения независимой регулировки как количества моногармоник и величин их частот посредством изменения управляющих кодов K_Fi, так и обеспечения независимой регулировки в пределах от 0 до 360° начальных фаз моногармоник посредством изменения Kϕ_i кодов установки фазы. Это, при использовании предлагаемого устройства в системах связи, повышает скрытность радиосвязи. Объясняется это тем, что формируемый предлагаемым устройством сложный многочастотный сигнал, в котором в процессе передачи сообщения можно менять как количество частот моногармоник и их номиналы в излучаемом сигнале, так и начальные фазы для каждой частоты, практически не поддается расшифровке.

Для достижения этого технического результата в цифровой синтезатор частот, содержащий опорный генератор, N цифровых интеграторов, N преобразователей кода, сумматор кода с N информационными входами, последовательно соединенные ЦАП и ФНЧ, выход которого является выходом устройства, причем тактовый вход ЦАП подключен к выходу ОГ и соединен с тактовым входом сумматора кодов с N информационными входами, выход которого соединен с информационным входом ЦАП, а соответствующие информационные входы соединены с соответствующими выходами N преобразователей кодов, выход ОГ также подключен к тактовым входам N цифровых интеграторов, информационные входы которых являются кодовыми шинами задания синтезируемых частот, при этом сумматор кодов с N информационными входами выполнен в виде log₂N суммирующих блоков, каждый из которых выполнен на N/2^r сумматорах и N/2^r регистрах памяти, где r - номер суммирующего блока, при этом первый и второй входы сумматоров первого суммирующего блока являются соответствующими из N информационных входов сумматора кодов с N информационными входами, выход каждого из сумматоров в каждом из суммирующих блоков подключен к входу соответствующего регистра памяти, выход каждого из регистров памяти с нечетным номером r-го суммирующего блока соединен с первым входом соответствующего сумматора (r+1)-го суммирующего блока, выход каждого из регистров памяти с четным номером r-го суммирующего блока соединен со вторым входом соответствующего сумматора (r+1)-го суммирующего блока, тактовые входы всех регистров памяти всех суммирующих блоков объединены и являются тактовым входом сумматора кодов с N информационными входами, выходом которого является выход регистра памяти (log₂N)-го суммирующего блока, а каждый из N цифровых интеграторов содержит последовательно соединенные умножитель кода, первый сумматор, первый регистр памяти, второй регистр памяти и мультиплексор, а также блок синхронизации и Р каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных корректора кода, сумматора и регистра памяти, выход которого подключен к соответствующему информационному входу мультиплексора, при этом входы умножителя кода и корректоров кода Р каналов объединены и являются информационным входом цифрового интегратора, другой вход первого сумматора объединен с другими входами сумматоров Р каналов и подключен к выходу первого регистра памяти, тактовые входы первого и второго регистров памяти и регистров памяти Р каналов объединены и подключены к первому выходу блока синхронизации, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами мультиплексора, выход которого является выходом цифрового интегратора, а тактовый вход блока синхронизации является входом тактирующего сигнала цифрового интегратора, дополнительно введены N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний, первые информационные входы которых являются кодовыми сигналами задания начальных фаз моногармоник из диапазона синтезируемых частот, а вторые информационные входы, тактовый вход и выход которого подключены соответственно к выходам соответствующих N цифровых интеграторов, выходу опорного генератора и к информационным входам соответствующих N преобразователей кодов.

При этом каждый из N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний содержит последовательно соединенные сумматор-вычитатель и регистр памяти, выход и тактовый вход которого являются соответственно выходом и тактовым входом блока установки начальных фаз, первыми и вторыми информационными входами которого являются соответственно первый и второй входы сумматора-вычитателя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый синтезатор отличается наличием новых блоков: N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляемый синтезатор соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что сумматоры-вычитатели и регистры памяти, входящие в состав каждого из N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний, широко известны и их схемотехническая реализация не вызывает затруднений. Однако, при соединении данных блоков в соответствии с указанными связями с остальными элементами схемы в заявляемом цифровом синтезаторе частот они, в составе блоков установки начальных фаз, проявляют новые свойства, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства путем получения многочастотного сигнала с возможностью независимого оперативного изменения начальных фаз моногармоник из диапазона рабочих частот синтезатора при сохранении диапазона синтезируемых колебаний и обеспечении независимости максимальной синтезируемой частоты синтезатора от количества частот в формируемом многочастотном сигнале. В результате этих новых технических возможностей предлагаемый цифровой синтезатор частот при его использовании в системах связи позволяет повысить скрытность передаваемой информации от противоположной стороны. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема цифрового синтезатора частот.

Цифровой синтезатор частот (фиг.1) содержит шины 1-1, 1-2,...,1-N кодов синтезируемых частот, цифровые интеграторы 2-1, 2-2,...,2-N, опорный генератор 3, преобразователи 4-1, 4-2,...,4-N кода, сумматор 5 кодов с N информационными входами, ЦАП 6,фильтр 7 нижних частот и шину 8 выходного сигнала, блоки установки начальных фаз моногармоник 9-1, 9-2,...,9-N, шины 10-1, 10-2,...,10-N кодов задания начальных фаз моногармоник синтезируемых частот. Выход опорного генератора 3 соединен с тактовыми входами ЦАП 6, сумматора 5 кодов с N информационными входами, блоков 9-1, 9-2,...,9-N установки начальных фаз и тактовыми входами N цифровых интеграторов 2-1, 2-2,...,2-N, информационные входы которых являются кодовыми шинами 1-1, 1-2,...,1-N задания синтезируемых частот, а выходы соединены с входами соответствующих блоков 9-1, 9-2,...,9-N установки начальных фаз моногармоник. Выходы последних подсоединены к входам соответствующих преобразователей 4-1, 4-2,...,4-N кода, выходы которых подключены к соответствующим информационным входам сумматора 5 кодов с N информационными входами, выход которого соединен с информационным входом ЦАП 6. Выход ЦАП соединен с входом фильтра 7 нижних частот, выход которого является выходной шиной 8 цифрового синтезатора частот.

Каждый из N блоков 9 установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний содержит последовательно соединенные сумматор-вычитатель 12 и регистр памяти 11, выход и тактовый вход которого являются соответственно выходом и тактовым входом блока 9 установки начальных фаз, первыми и вторыми информационными входами которого являются соответственно первый и второй входы сумматора-вычитателя 12.

Количество блоков установки начальных фаз 9-1, 9-2,...,9-N равно количеству цифровых интеграторов 2-1, 2-2,...,2-N и количеству блоков 4-1, 4-2,...,4-N преобразователей кода и равно наибольшему числу моногармоник в синтезируемом многочастотном сигнале.

При этом сумматор кодов 5 с N информационными входами и каждый из N цифровых интеграторов 2 для сохранения верхней границы диапазона синтезируемых колебаний и обеспечения независимости максимальной синтезируемой частоты синтезатора от количества частот в формируемом многочастотном сигнале выполнен в соответствии со схемами прототипа [Патент РФ №2030092], приведенными на фиг.2, 3.

Сумматор 5 кодов с N информационными входами (фиг.2) выполнен в виде log₂N суммирующих блоков 13, каждый из которых выполнен на N/2^r сумматорах 14 и N/2^r регистрах 15 памяти, где r - номер суммирующего блока. Первый и второй входы сумматоров 14 первого суммирующего блока 13-1 являются соответствующими из N информационных входов сумматора 5 кодов с N информационными входами, выход каждого из сумматоров 14 в каждом из log₂N суммирующих блоков 13 подключен к входу соответствующего регистра 15 памяти. Выход каждого из регистров памяти с нечетным номером r-го суммирующего блока соединен с первым входом соответствующего сумматора 14 (r+1)-го суммирующего блока, выход каждого из регистров памяти с четным номером r-го суммирующего блока соединен с вторым входом соответствующего сумматора 14 (r+1)-го суммирующего блока. Тактовые входы всех регистров 15 памяти всех суммирующих блоков объединены и являются тактовым входом сумматора 5 кодов с N информационными входами, выходом которого является выход регистра памяти 13-log₂N суммирующего блока.

Каждый из N цифровых интеграторов 2 (фиг.3) содержит последовательно соединенные умножитель 19 кода, первый сумматор 16, первый регистр 17 памяти, второй регистр 18 памяти и мультиплексор 22, а также блок 23 синхронизации и Р каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных корректора 20 кода, сумматора 21 и регистра 24 памяти, выход которого подключен к соответствующему информационному входу мультиплексора 22. Входы умножителя 19 кода и корректоров 20-1, 20-2,...,20-Р кода Р каналов объединены и являются информационным входом цифрового интегратора 2. Другой вход первого сумматора 16 объединен с другими входами сумматоров 21-1, 21-2,...,21-Р Р каналов и подключен к выходу первого регистра 17 памяти. Тактовые входы первого 17 и второго 18 регистров памяти и регистров 24-1, 24-2,...,24-Р памяти Р каналов объединены и подключены к первому выходу блока 23 синхронизации, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами мультиплексора 22. Выход мультиплексора является выходом цифрового интегратора 2, а тактовый вход блока 23 синхронизации - входом тактирующего сигнала цифрового интегратора.

Принцип действия цифрового синтезатора частот, как и устройства прототипа, основан на одновременном вычислении кодов выборок N колебаний заданных частот и последующем формировании суммарного многочастотного сигнала.

Синтезатор работает следующим образом.

Сигнал на шине 8 выходного сигнала синтезатора U(t)_вых представляет собой сумму гармонических функций, например синусоид единичной амплитуды:

где t - текущее время, соответствующее моментам nT₀ (n=0, 1, 2,...);

- номер функции;

F_i и ϕ_i - соответственно синтезируемая частота и начальная фаза i-й функции.

Частоты F_i произвольны, не связаны какими-либо соотношениями и задаются на шинах 1-1, 1-2,...,1-N кодов К_Fi синтезируемых частот F₁, F₂,...,F_N.

Начальные фазы ϕ_i, каждой i-й функции также произвольны, не связаны какими-либо соотношениями и задаются на шинах 10-1, 10-2,...,10-N кодов Kϕ_i задания начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний.

Цифровые интеграторы 2-1, 2-2,...,2-N по тактовым импульсам, поступающим от опорного генератора 3 с частотой дискретизации f_o, формируют на своих выходах коды, соответствующие фазе синусоидального колебания в дискретные моменты времени.

Код текущей фазы синтезируемой частоты F_i с выхода цифровых интеграторов 2-1, 2-2,...,2-N поступает на вторые информационные входы соответствующих блоков 9-1, 9-2,...,9-N установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний. В сумматорах-вычитателях 12-1, 12-2,...,12-N данных блоков код фазы каждой i-й функции корректируется кодом Kϕ_i, поступающим на первые информационные входы сумматоров-вычитателей 12-1, 12-2,...,12-N с шин 10-1, 10-2,...,10-N задания начальных фаз моногармоник синтезируемого колебания, на соответствующую величину сдвига фазы ϕ_i. В результате этого на выходах сумматоров-вычитателей 12-1, 12-2,...,12-N формируется код текущей фазы синтезируемой моногармоники с учетом добавки ϕ_i, которая может меняться в каждом канале устройства от 0 до 360°. Таким образом, изменяя ϕ_i путем изменения кода Kϕ_i, можно менять фазы моногармоник в синтезируемом многочастотном сигнале.

Код текущей фазы с выхода сумматоров-вычитателей 12-1, 1 2-2,...,1 2-N, равный:

где

K_i - код синтезируемой частоты;

R - параметр (емкость) цифрового интегратора;

через буферные регистры 11-1, 1-2,...,11-N памяти, тактируемые частотой f₀ ОГ, поступает на соответствующие входы преобразователей 4-1, 4-2,...,4-N кода фазы.

Введение дополнительных регистров 11-1, 11-2,...,11-N позволяет снизить требования к быстродействию устройства за счет известного приема «конвеерного» построения цифровых схем.

Преобразователи 4-1, 4-2,...,4-N кода представляют собой фазосинусные преобразователи и осуществляют переход от отсчетов коды фазы к отсчетам кодов амплитуд моногармоник генерируемых колебаний.

Сумматор 5 кодов в каждый тактовый момент времени nT₀ вычисляет сумму кодов выборок N синусоид и формирует на выходе коды К(nT₀), соответствующие выборкам суммарного сигнала в данные моменты времени.

Сигнал на выходе ЦАП 6 представляет собой ступенчато постоянную аппроксимацию функции U(t)_вых с периодом дискретизации Т₀.

Фильтр 7 нижних частот отделяет побочные компоненты спектра, связанные с дискретизацией.

В предложенном синтезаторе, принцип действия которого, как и прототипа, основан на одновременном формировании кодов выборок всех N колебаний заданных частот и последующем формировании суммарного многочастотного сигнала, тактовая частота (частота дискретизации) не зависит от количества частот в формируемом сигнале и определяется выражением

где t_max - наибольшее время срабатывания одного из функциональных узлов синтезатора.

В результате этого максимальная синтезируемая частота предлагаемого синтезатора, во-первых, равна максимальной синтезируемой частоте прототипа и, во-вторых, не зависит от количества частот в многочастотном сигнале.

При этом преимущество предложенного цифрового синтезатора частот по сравнению с прототипом состоит в следующем.

В прототипе отсутствует возможность изменения начальных фаз моногармоник из диапазона рабочих частот синтезатора, что ограничивает его применение в перспективных системах радиосвязи с повышенной помехоустойчивостью.

В предложенном цифровом синтезаторе частот, во-первых, как и в прототипе, обеспечивается независимая друг от друга установка количества моногармоник и величин их частот посредством изменения управляющих кодов К_Fi установки частоты и, во-вторых, за счет введения дополнительных N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемого колебания и соединении их в соответствии с указанными связями с остальными элементами схемы обеспечивается независимая регулировка в пределах от 0 до 360° начальных фаз моногармоник посредством изменения кодов Kϕ_i установки фазы. Это существенно расширяет функциональные возможности устройства и повышает при его использовании в системах радиосвязи помехозащищенность последних. Достигается это тем, что формируемый предлагаемым цифровым синтезатором сложный многочастотный сигнал, в котором в процессе передачи информации можно менять как количество частот и их номиналы, так и начальные фазы каждой из частот, практически не поддается расшифровке [Н.П.Суворов. О развитии теории сигналов. - Радиотехника, 1985, вып.72, с.47-53].

1. Цифровой синтезатор частот, содержащий опорный генератор, N цифровых интеграторов, N преобразователей кода, сумматор кодов с N информационными входами, последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, тактовый вход цифроаналогового преобразователя подключен к выходу опорного генератора и соединен с тактовым входом сумматора кодов с N информационными входами, выход которого соединен с информационным входом цифроаналогового преобразователя, а соответствующие информационные входы соединены с соответствующими выходами N преобразователей кода, выход опорного генератора также подключен к тактовым входам N цифровых интеграторов, информационные входы которых являются кодовыми шинами задания синтезируемых частот, при этом сумматор кодов с N информационными входами выполнен в виде log₂N суммирующих блоков, каждый из которых выполнен на N/2^r сумматорах и N/2^r регистрах памяти, где r - номер суммирующего блока, при этом первый и второй входы сумматоров первого суммирующего блока являются соответствующими из N информационных входов сумматора кодов с N информационными входами, выход каждого из сумматоров в каждом из суммирующих блоков подключен к входу соответствующего регистра памяти, выход каждого из регистров памяти с нечетным номером r-го суммирующего блока соединен с первым входом соответствующего сумматора (r+1)-го суммирующего блока, выход каждого из регистров памяти с четным номером r-го суммирующего блока соединен со вторым входом соответствующего сумматора (r+1)-го суммирующего блока, тактовые входы всех регистров памяти всех суммирующих блоков объединены и являются тактовым входом сумматора кодов с N информационными входами, выходом которого является выход регистра памяти (log₂N)-го суммирующего блока, а каждый из N цифровых интеграторов содержит последовательно соединенные умножитель кода, первый сумматор, первый регистр памяти, второй регистр памяти и мультиплексор, а также блок синхронизации и Р каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных корректора кода, сумматора и регистра памяти, выход которого подключен к соответствующему информационному входу мультиплексора, при этом входы умножителя кода и корректоров кода Р каналов объединены и являются информационным входом цифрового интегратора, другой вход первого сумматора объединен с другими входами сумматоров Р каналов и подключен к выходу первого регистра памяти, тактовые входы первого и второго регистров памяти и регистров памяти Р каналов объединены и подключены к первому выходу блока синхронизации, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами мультиплексора, выход которого является выходом цифрового интегратора, а тактовый вход блока синхронизации является входом тактирующего сигнала цифрового интегратора, отличающийся тем, что дополнительно содержит N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний, первые информационные входы которых являются кодовыми сигналами задания начальной фазы моногармоник из диапазона синтезируемых частот, а вторые информационные входы, тактовый вход и выход которого подключены соответственно к выходам соответствующих N цифровых интеграторов, выходу опорного генератора и к информационным входам соответствующих N преобразователей кода.

2. Синтезатор частот по п.1, отличающийся тем, что каждый из N блоков установки начальных фаз моногармоник синтезируемых колебаний содержит последовательно соединенные сумматор-вычитатель и регистр памяти, выход и тактовый вход которого являются соответственно выходом и тактовым входом блока установки начальных фаз, первыми и вторыми информационными входами которого являются соответственно первый и второй входы сумматора-вычитателя.