Способ генерации выходной частоты цифрового синтезатора прямого синтеза

Способ генерации выходной частоты цифрового синтезатора прямого синтеза

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электронике, в частности к цифровым синтезаторам прямого синтеза, и может быть использовано для генерации выходной частоты цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС) с низким уровнем нежелательных гармоник в спектре выходного сигнала синтезатора.

Традиционная схема ЦСПС состоит из регистра частоты, аккумулятора фазы, регистра фазы, преобразователя фазы в амплитуду и цифроаналогового преобразователя.

Функционирует данная схема следующим образом. В регистр частоты записывают число в двоичной системе, определяющее значение частоты выходного сигнала синтезатора и называемое кодом частоты. Код частоты поступает на один из входов аккумулятора фазы, на другой вход которого от внешнего источника опорной частоты поступает цифровой сигнал тактовой частоты f_CLK. Аккумулятор фазы вычисляет адрес, соответствующий мгновенному значению фазы, и подает его на вход регистра фазы. Последний обычно представляет собой ПЗУ с табличными значениями функции синуса. На выходе регистра фазы получают текущее значение фазы, которое преобразователь фазы в амплитуду превращает в текущее значение сигнала в цифровом виде. Цифроаналоговый преобразователь преобразует это цифровое значение в соответствующее значение напряжения или тока.

Цифровые синтезаторы прямого синтеза (ЦСПС) обеспечивают высокую скорость перестройки частоты, низкий уровень фазового шума. Однако в ходе прямого цифрового синтеза возникают негармонические побочные составляющие из-за эффектов дискретизации и округления в узлах синтезатора. Ошибки, вызывающие появление побочных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала, можно разделить на три типа. К первому типу относятся ошибки, вызванные округлением фазы при адресации ПЗУ с таблицей синтезируемой функции. Второй тип - это ошибки, связанные с конечной разрядностью шины данных. Третий тип включает ошибки, вызванные цифроаналоговым преобразователем. Наибольший вклад в ухудшение спектральных характеристик синтезатора вносят ошибки, связанные с округлением фазы, вызывая появление нежелательных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала синтезатора.

Возникновение паразитных дискретных составляющих в ближней зоне спектра выходного сигнала, соответствующей отстройке 1-150 кГц от основного сигнала, связано с необходимостью округления кода частоты до ближайшего целого числа при его расчете по формуле:

,

где f - синтезируемая частота; N - разрядность аккумулятора фазы (накапливающий сумматор), f_CLK - тактовая частота.

Полученное число вносится в цифровом виде в регистр частоты. Из регистра частоты рассчитанный код попадает в аккумулятор фазы. В результате возникает ошибка в значениях частот расчетного и истинного выходного сигнала, которая будет постепенно накапливаться в аккумуляторе фазы. Из-за конечной разрядности аккумулятора фазы, разрядность которого обычно составляет 32 бита, скорость накопления этой ошибки будет достаточной для изменения значения первого значимого бита на единицу при адресации ПЗУ с таблицей синусов синтезируемой функции с определенным периодом, в результате чего будет наблюдаться выброс в спектре выходного сигнала. Это переполнение адреса ПЗУ будет происходить достаточно редко, вследствие чего наблюдаемые паразитные дискретные составляющие будут проявляться только в ближней зоне выходного сигнала.

Однако область отстройки выходного сигнала в диапазоне 0,1-120 кГц попадает в доплеровский диапазон изменения выходной частоты, к которому предъявляются жесткие требования по уровню дискретных паразитных составляющих, уровень которых должен быть не более минус 100-110 дБ.

Известен способ генерации выходной частоты ЦСПС, обеспечивающий подавление дискретных побочных составляющих и описанный в патенте US №4410954, при котором в дополнение к классической структурной схеме синтезатора с фазовым накопителем вводится дополнительный генератор псевдослучайного кода. Периодическое добавление псевдослучайного числа к содержимому фазового накопителя позволяет разрушить когерентность фазовой ошибки и таким образом размыть нежелательные дискретные составляющие в спектре выходного сигнала.

Однако использование данного способа требует введения дополнительных элементов в схему синтезатора, а так как большинство цифровых синтезаторов прямого синтеза выпускается в виде микросхем, то указанный способ требует изменения микросхемы, что в большинстве случаев сделать невозможно.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ генерации частоты сигнала, свободного от негармонических искажений сигнала, описанный в патентной заявке ЕР №543186. В данном способе устанавливают предварительную частоту тактирования fl и задают значение кода частоты (считываемого адреса) в соответствии с выходной частотой. Затем определяют значение отношения количества ячеек памяти ПЗУ к значению кода частоты. Если результат деления является целым натуральным числом, то для синтеза выходной частоты используют предварительную частоту тактирования fl. Если отношение получается с остатком, значение кода частоты изменяют (Р), выбирая его большим значения количества ячеек памяти ПЗУ N, и делят М на него, рассчитывая результат деления M на P. На основе полученных данных вычисляют частоту тактирования f2 для обеспечения требуемой выходной частоты в зависимости от кода частоты Р. Таким образом, для генерации выходной частоты синтезатора используют код частоты Р и частоту тактирования f2. Указанный способ позволяет получить стабильную частоту выходного сигнала, независимую от разрядностей аккумулятора фазы и ПЗУ, и относительно чистый спектр выходного сигнала.

Однако, несмотря на все достоинства описанного метода, он требует изменения схемы ЦСПС и введения перестраиваемого по частоте источника сигнала, чтобы обеспечить изменяемую частоту тактирования. Часто осуществить изменение схемы ЦСПС не представляется возможным, а дополнительный перестраиваемый источник будет вносить дополнительный шум.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение генерации выходного сигнала с низким уровнем побочных спектральных составляющих в спектре выходного сигнала цифрового синтезатора прямого синтеза.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в способе генерации выходной частоты цифрового синтезатора прямого синтеза, включающем вычисление кода частоты в соответствии с требуемой величиной выходной частоты, запись в регистр частоты кода частоты, подачу кода частоты в аккумулятор фазы, вычисление посредством аккумулятора фазы адреса, направляемого в ПЗУ регистра фазы, вычисление посредством регистра фазы мгновенного значения выходного сигнала в цифровом виде и преобразование посредством цифроаналогового преобразователя в соответствующее значение в аналоговом виде, в случае, если вычисленное значение кода частоты является дробным, вычисляют первый код частоты, соответствующий округленному до целого числа коду частоты, и дробную часть исходного кода частоты, выбирают второй код частоты, отличающийся на единицу от первого кода частоты, записывают второй код частоты в регистр частоты, попеременно считывают из регистра частоты первый и второй коды частоты с периодичностью, определяемой дробной частью исходного кода частоты.

Кроме того, заявляется способ, в котором наряду с вышеперечисленными признаками используют второй код частоты, на единицу больший первого кода частоты, и считывают коды частоты с периодичностью, определяемой формулой:

,

где a - количество загрузок первого кода частоты из регистра частоты, b - количество загрузок второго кода частоты из регистра частоты, ΔM - дробная часть исходного кода частоты.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в снижении уровня побочных дискретных составляющих выходного сигнала синтезатора без изменения схемы ЦСПС.

Указанный технический результат достигается за счет использования двух кодов частоты, один из которых соответствует коду частоты, рассчитанному в соответствии с требуемым значением частоты выходного сигнала и округленному до целого числа, а второй отличается от первого на единицу; и переключения между ними в процессе генерации с периодичностью, достаточной для компенсации ошибки, возникающей за счет округления кода частоты. При этом переключение на ближайший возможный код частоты обеспечивает генерацию сигнала на другой, но ближайшей к несущей частоте, которая компенсирует накопление ошибки. Благодаря компенсации накапливающейся ошибки не происходит периодических выбросов, проявляющихся в виде побочных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала. Наряду с подавлением побочных дискретных составляющих происходит снижение фазового шума в ближней зоне от несущей при отстройке 200 кГц. Уровень подавления достигает 20 дБ. Заявляемый способ позволяет целенаправленно снижать уровень побочных дискретных составляющих без внесения дополнительного фазового шума и без изменения схемы ЦСПС.

Способ осуществляют следующим образом. На вход CLOCK ЦСПС подают сигнал с тактовой частотой, исходя из условия, что требуемая частота на выходе должна быть не более 0,4 от тактовой частоты. Для синтеза требуемой частоты рассчитывают значение сдвига фазы - кода частоты в соответствии с формулой:

,

где f - синтезируемая частота; N - разрядность аккумулятора фазы, f_CLK - тактовая частота.

Полученное значение кода частоты округляется до целого числа. Данное округление вносит накапливаемую ошибку в выходной сигнал, которая проявляется в виде побочных спектральных составляющих в спектре выходного сигнала. При переполнении аккумулятора фазы происходит выброс накопившейся ошибки в виде побочной спектральной составляющей, расположенной вблизи несущей и которую невозможно подавить в том числе и узкополосным фильтром из-за ограничения полосы пропускания фильтра при фильтрации основного сигнала.

Для решения этой проблемы необходимо обеспечить компенсацию возникающей ошибки.

В один из регистров частоты записывают первый код частоты М, выраженный в двоичном представлении и характеризующий приращение фазы. Для каждой конкретной частоты определяют ошибку, соответствующую отбрасываемым числам после запятой, по формуле: ΔM=M0-M, где M0 - исходный неокругленный код частоты, M - первый код частоты, представляющий собой округленный до целого числа исходный код частоты.

В другой регистр частоты записывают следующее значение кода частоты M1=M+1 - второй код частоты, и переключают коды с периодичностью, зависящей от величины ошибки.

Периодичность переключения кодов частоты определяют по формуле:

,

где a - количество загрузок первого кода частоты из регистра частоты, b - количество загрузок второго кода частоты из регистра частоты, ΔM - дробная часть исходного кода частоты.

Такой подход, отличающийся от известных способов подавление побочных спектральных составляющих, приводит к тому, что уровень побочной дискретной составляющей снижается, переходя в фазовый шум вблизи несущей.

Пример.

Конкретная реализация заявляемого способа представлена для частоты f=336 МГц при тактовой частоте f_CLK=1008 МГц и разрядности аккумулятора фазы N=32 бита для микросхемы AD9910 фирмы Analog Devices. Расчет кода частоты М0 осуществляют по формуле:

.

M0=1431655765,3(3) в десятичном коде.

В регистре частоты происходит перевод исходного кода частоты М0 в шестнадцатеричную систему счисления с округлением до целого числа. Таким образом, преобразованный регистром частоты код имеет вид M=55555555 в шестнадцатеричной системе счисления. В десятеричной системе счисления: М=1431655765. Затем рассчитывают второй код частоты M1, равный увеличенному на единицу первому коду частоты М: М1=М+1. Таким образом, второй код частоты равен M1=55555556 в шестнадцатеричной системе счисления и M1=1431655766 в десятеричной системе счисления.

Рассчитывают относительную ошибку ΔМ, возникающую при округлении исходного кода частоты М0 до целого числа М, по формуле:

ΔM=M0-M.

Для данного конкретного примера ΔM=1/3.

Рассчитывают относительную ошибку ΔM1, возникающую при использовании кода частоты M1, по формуле:

ΔM1=M0-М1.

Для данного конкретного примера ΔМ1=-2/3.

Для определения частоты переключения между первым кодом частоты М и вторым кодом частоты M1 составляют линейную комбинацию ΔM и ΔM1, которая необходима для компенсации ошибки, возникающей при использовании кодов частоты M и M1, отличающихся от исходного M0, по формуле:

Δ=a·ΔM+b-ΔM1.

Полная компенсация достигается, когда A стремится к 0.

Затем определяют коэффициенты a и b, которые задают частоту переключения между округленным кодом частоты M и вторым кодом частоты M1. Т.е. значение коэффициента а соответствует количеству загрузок частоты, соответствующему количеству непрерывных считываний первого кода М из регистра частоты, после чего происходит загрузка частоты, соответствующая второму коду M1, с продолжительностью, соответствующей значению коэффициента b.

Для данного конкретного примера линейная комбинация примет вид: 0=a·1/3+b·(-2/3).

Отсюда a=2, b=1.

Для данного конкретного примера на Фиг.1 изображен спектр выходного сигнала ЦСПС с полосой обзора 1 МГц с использованием компенсации ошибки (а) и без нее (б). На Фиг.2 изображен фазовый шум выходного сигнала ЦСПС с частотой 336 МГц с полосой обзора 1 МГц при частоте тактового сигнала 1008 МГц с использованием компенсации ошибки (-) и без нее (--).

1. Способ генерации выходной частоты цифрового синтезатора прямого синтеза, включающий вычисление кода частоты в соответствии c требуемой величиной выходной частоты, запись в регистр частоты кода частоты, подачу кода частоты в аккумулятор фазы, вычисление посредством аккумулятора фазы адреса, направляемого в ПЗУ регистра фазы, вычисление посредством регистра фазы мгновенного значения выходного сигнала в цифровом виде и преобразование посредством цифроаналогового преобразователя в соответствующее значение в аналоговом виде, отличающийся тем, что в случае, если вычисленное значение кода частоты является дробным, вычисляют первый код частоты, соответствующий округленному до целого числа коду частоты, и дробную часть исходного кода частоты, выбирают второй код частоты, отличающийся на единицу от первого кода частоты, записывают второй код частоты в регистр частоты, попеременно считывают из регистра частоты первый и второй коды частоты с периодичностью, определяемой дробной частью исходного кода частоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют второй код частоты, на единицу больший первого кода частоты, и считывают коды частоты с периодичностью, определяемой формулой: ,где a - количество загрузок первого кода частоты из регистра частоты,b - количество загрузок второго кода частоты из регистра частоты,ΔM - дробная часть исходного кода частоты.