Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 23-32

ВВЕДЕНИЕ

Цифровые вычислительные синтезаторы (ц.в.с.) вошли в практику в начале 70-х годов. Они основаны на преобразовании не самих колебаний, а значений их цифровых отсчетов. Другими словами, в таких синтезаторах происходит нелинейное преобразование кода частоты в аналоговый многоуровневый сигнал с частотой [1]

где  f_н – нижняя частота диапазона, Δf – шаг сетки частот.

Цифровые вычислительные синтезаторы характеризуются множеством параметров. К основным из них, определяющим качество формируемого сигнала, относятся: диапазон сетки частот, шаг сетки частот, время установки частоты, “чистота” спектра выходных колебаний, нестабильность частоты выходных колебаний.

Ц.в.с. могут иметь некоторые дополнительные цифровые блоки, выполняющие над сигналом различные дополнительные операции и расширяющие функциональные возможности ц.в.с.:

– умножитель опорной частоты;

– дополнительный цифровой сумматор для программирования фазы;

– инверсный sin(x)-фильтр для компенсации неравномерности амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.);

– дополнительный цифровой умножитель для формирования сигнала с амплитудной модуляцией;

– дополнительный цифроаналоговый преобразователь для получения квадратурных сигналов I и Q;

– дополнительный компаратор с малым джиттер-фактором для формирования тактового сигнала;

– дополнительные регистры частоты и фазы, которые могут быть заранее запрограммированы для частотной или фазовой модуляции.

В данной работе представлены алгоритмы работы цифровых синтезаторов прецизионных частот и сигналов, позволившие повысить быстродействие и расширить функциональные возможности ц.в.с., схемотехнические структуры быстродействующих ц.в.с., защищенные патентами РФ на изобретение, и схема ц.в.с. на основе AD9914.

Ц.В.С. ФАЗОМОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Цифровые вычислительные синтезаторы характеризуются тем, что формируемый ими сигнал синтезируется с высокой точностью. В ц.в.с. возможно управлять его параметрами при помощи цифрового интерфейса. Ц.в.с. в настоящее время все больше вытесняют синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты, построенные на базе метода косвенного аналогового синтеза.

Структурная схема ц.в.с. фазомодулированных сигналов представлена на рис. 1 [2].

Цифровой вычислительный синтезатор фазомодулированных сигналов (рис. 1) содержит три регистра памяти (РП), два цифровых накопителя НЧ и НФ (аккумуляторов соответственно частоты и фазы), сумматор, преобразователь кодов x–sin(x), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), фильтр нижних частот (ФНЧ), делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДЧПКД), эталонный генератор (ЭГ) и блок формирования и задержки (БФЗ) [3].

Эталонный генератор формирует сигнал тактовой частоты, который поступает на блок формирования и задержки, в котором формируются импульсы тактовой частоты формы “меандр”, служащие для синхронизации работы основных узлов ц.в.с.: цифровых накопителей и ЦАП.

На вход регистра памяти РП₁ поступает код начальной частоты C_i. Содержимое цифрового накопителя частоты с каждым тактовым импульсом T = Δt линейно увеличивается во времени и зависит от величины кода C_i.

Выходной код цифрового накопителя фазы представляет собой код мгновенной фазы выходного сигнала. Постоянное приращение представляет собой приращение фазы за один такт работы устройства. Чем больше значение кода C_i, тем быстрее изменяется фаза во времени и, следовательно, выше частота генерируемого сигнала.

Далее код фазы подается на вход функционального преобразователя код–синус, представляющий собой постоянное запоминающее устройство (п.з.у.), в котором записаны значения кодов синуса.

Задача ц.в.с. заключается в синтезе сигнала “синусоидальной” формы с заданной частотой и начальной фазой. Так как в ц.в.с. формирование выходного сигнала происходит в цифровой форме, необходимы цифроаналоговый преобразователь и фильтр нижних частот.

Чтобы получить синусоидальный сигнал, на вход ЦАП необходимо подать последовательность отсчетов функции синуса sin(x), следующих с частотой дискретизации. Наиболее подходящим методом формирования отсчетов функции sin(x) является табличный метод, который реализуется посредством ввода в п.з.у. таблицы соответствий код х–sin(x).

Аккумулятор фазы работает с периодическими переполнениями, обеспечивая суммирование по модулю 2^N. Такое периодическое переполнение соответствует поведению функции sin(x) с периодом 2π. Другими словами, частота переполнений аккумулятора фазы равна частоте выходного сигнала, определяемой по формуле

где f_выч – выходная частота, f_т – тактовая частота C_i – код начальной частоты, N – разрядность аккумулятора фазы.

Шаг перестройки частоты определяется формулой

Например, если тактовая частота равна f_т = = 2000 МГц, а разрядность N = 32, то шаг перестройки частоты составит примерно δf = 0.4 Гц.

Из этого соотношения следует, что если увеличить разрядность N, то уменьшится шаг перестройки частоты.

Увеличение разрядности аккумулятора фазы не требует обязательного увеличения разрядности адреса п.з.у. Для адресации п.з.у. можно использовать лишь необходимое количество старших разрядов кода фазы.

Отсчеты амплитуды синтезированного сигнала поступают на ЦАП, на выходе которого формируется “ступенчатый” синусоидальный сигнал. Этот сигнал фильтруется с помощью аналогового ФНЧ [4, 5].

Высокие требования к стабильности характеристик предъявляются к параметрам опорного генератора, так как главным источником фазовых шумов в ц.в.с. является генератор опорной частоты. Фазовый шум выходного сигнала синтезатора теоретически меньше фазового шума сигнала тактового генератора на 20log(f_т/f_выч) дБ/Гц.

На практике это улучшение ограничено свойствами схем, входящих в состав синтезатора [6].

Как уже было сказано, максимальная выходная частота синтезируемого сигнала не может быть выше половины тактовой частоты f_т, на практике она, как правило, в 4 раза меньше тактовой частоты [1–8].

Огибающая спектра сигнала на выходе ЦАП изменяется по закону sin(x)/x, и амплитуду сигнала можно определить по формуле

где A(f_вых) – амплитуда сигнала на выходе ЦАП на заданной частоте.

ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Цифровой вычислительный синтезатор предназначен для синтеза сигналов с частотной модуляцией и может использоваться в радиолокации, навигации и в адаптивных широкополосных системах связи с программной перестройкой рабочей частоты.

Структурная схема цифрового вычислительного синтезатора частотно-модулированных сигналов представлена на рис. 2.

Цифровой вычислительный синтезатор частотно-модулированных сигналов содержит последовательно соединенные эталонный генератор, блок формирования и задержки; последовательно соединенные регистр памяти РП₁, цифровые накопители ЦН₁, ЦН₂, функциональный преобразователь код x–sin(x) ФП₁, инверсный sinх/х-фильтр ИФ₁, вход коммутатора, выход которого соединен с информационным входом ЦАП₁; такая же последовательная цепь РП₂, ЦН₃, ЦН₄, ФП₂, ИФ₂ через коммутатор соединена с информационным входом ЦАП₂; последовательно соединенные РП₃ и ДЧПКД, выход которого подключен к входам последовательного переноса цифровых накопителей ЦН₁ и ЦН₃; выходы блока формирования и задержки подключены к тактовым входам всех цифровых накопителей, а также к тактовым входам ЦАП₁, ЦАП₂ и к управляющему входу коммутатора. Цифровыми входами ц.в.с. являются входы регистров памяти, а его аналоговыми выходами являются выходы ЦАП [9].

Ц.в.с. работает следующим образом. Эталонный генератор вырабатывает синусоидальный сигнал опорной частоты, из которого в блоке формирования и задержки формируются последовательности прямоугольных импульсов формы “меандр”, служащие для синхронизации работы основных узлов ц.в.с. Они поступают на тактовые входы цифровых накопителей, тактовые входы обоих ЦАП и управляющий вход коммутатора [10].

По первому тактовому импульсу в момент времени t₁ код A_i записывается из регистра памяти РП₁ в цифровой накопитель ЦН₁, код B_j – из РП₂ в ЦН₃, код D_k – из РП₃ в делитель с переменным коэффициентом деления ДЧПКД.

В момент t₂ по второму тактовому импульсу код A_i из цифрового накопителя ЦН₁ записывается в ЦН₂, а код B_j из ЦН₃ записывается в ЦН₄. Код D_k будет определять скорость изменения частоты в цифровых накопителях ЦН₁ и ЦН₃: чем больше значение кода D_k, тем ниже скорость изменения информации в них.

Далее с каждым последующим тактовым импульсом информация в цифровом накопителе ЦН₁ будет изменяться по формуле

в ЦН₃ – по формуле

Информация в цифровых накопителях ЦН₂ и ЦН₄ будет описываться следующими формулами:

В функциональных преобразователях ФП₁ и ФП₂ происходит сопоставление кодов Ф₁ и Ф₂ в коды sin Ф.

Далее коды sin Ф поступают через инверсные фильтры ИФ₁ и ИФ₂ на коммутатор, а оттуда на информационные входы ЦАП₁, ЦАП₂. Инверсные фильтры служат для выравнивания а.ч.х. на высоких частотах.

Если ввести обозначения

то сигналы на выходах ЦАП можно описать следующими выражениями:

Форма сигнала на выходе ЦАП₁ приведена на рис. 3.

Таким образом, цифровой вычислительный синтезатор формирует двухчастотный составной частотно-модулированный сигнал [11].

Ц.В.С. ЧАСТОТНО- И ФАЗОМОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Цифровой вычислительный синтезатор предназначен для формирования сложных широкополосных сигналов, сигналов с частотной, фазовой и амплитудной модуляцией, он может использоваться в составе адаптивных систем связи с программной перестройкой рабочей частоты и в телекоммуникациях.

Цифровой вычислительный синтезатор, схема которого приведена на рис. 4, состоит из двух основных частей – интерфейсной части (рис. 4а) и микросхемы цифрового вычислительного синтезатора (рис. 4б).

Напряжение питания +5 В, потребляемый ток не более 3 А.

Интерфейсная часть представляет собой микроконтроллер М₂ на базе ядра ARM Cortex-M4, который осуществляет ввод-вывод данных, обработку команд. Для питания интерфейсной части требуется внешний источник +5 В, подключаемый к разъему X₂ либо к разъему X₃ шины USB. Выбор источника питания осуществляется переключателем SA₁. Поскольку микроконтроллер и большая часть микросхем работают на напряжении +3.3 В, то в схеме интерфейсной части имеется стабилизатор М₃ на +3.3 В.

Обмен данными и ввод команд с микроконтроллером осуществляется через Ethernet, RS-232 либо USB. Обмен данными по Ethernet осуществляется с помощью микросхемы М₁, обеспечивающей скорость обмена до 100 Мбит/с и предоставляющей полнодуплексный канал связи. Передача и прием данных, команд осуществляется через разъем X₁. Обмен данными по USB осуществляется с микроконтроллером М₂ напрямую через разъемы X₃ и X₅. Обмен данными по RS-232 осуществляется через стандартный разъем X₈ и преобразователь М₄ (UART – RS-232).

Источник тактирования микроконтроллера М₂ – внешний на базе кварцевого резонатора ZQ₁. Для осуществления отсчета реального времени к микроконтроллеру М₂ подключается внешний источник тактирования на базе кварцевого резонатора ZQ₂. Для автономной работы модуля часов реального времени в составе микроконтроллера М₂ возможно подключение батарейного источника питания через разъем X₇.

В интерфейсной части предусмотрена работа устройства синтезатора с SD-карты, которая подключается к микроконтроллеру М₂ через разъем-держатель SD-карты X₄.

Для обеспечения обработки входного потока данных и команд интерфейсная часть содержит в своем составе динамическую память на базе микросхемы M₅, состоящей из двух банков по 4096 16-битных слов. Это также позволяет организовать на базе интерфейсной части web-сервер, обеспечивающий удобный интерфейс настройки устройства синтезатора с любого внешнего устройства, поддерживающего веб-протокол. Микроконтроллер М₂ позволяет также организовать защищенный канал связи с шифрованием AES-128, AES-192 или AES-256.

Цифровой вычислительный синтезатор в данном устройстве основан на базе микросхемы одноканального цифрового синтезатора AD9914 (М₈), который обеспечивает формирование гармонических квадратурных колебаний и сигналов с линейно-частотной модуляцией, амплитудно-фазовой модуляцией, частотной модуляцией и фазовой манипуляцией с частотой дискретизации до 3.5 ГГц.

Синтезатор содержит высокоскоростное ядро, работающее на частотах до 3.5 ГГц, устройство управления и тактирования, умножитель частоты с петлей фазовой автоподстройки частоты, высокоскоростной параллельный и последовательный порты, цифроаналоговый преобразователь с разрядностью 12 бит и блок цифрового генератора линейного изменения сигнала.

Синтезатор может работать в нескольких режимах: режим непосредственного управления выходным сигналом, режим генерации сигнала по запрограммированным профилям, режим работы цифрового генератора линейного изменения сигнала. Выбор режима осуществляется во внутренних регистрах управления микросхемы М₈. Доступ к внутренним регистрам микросхемы осуществляется 4 различными способами: через 8-разрядную параллельную шину, через 16-разрядную параллельную шину адреса, через интерфейс SPI, через 32-битную параллельную шину. Выбор способа доступа к внутренним регистрам микросхемы М₈ осуществляется микроконтроллером М₂ с помощью сигналов F0, F1, F2, F3.

В режиме 8-битного и 16-битного параллельного порта или последовательного порта управление модуляцией сигнала происходит через микроконтроллер M₂, осуществляя запись во внутренние регистры соответствующих значений. При этом в режиме параллельного порта управление чтением и записью осуществляется сигналами DDS_D1, DDS_D2. Переключение между 8-битным и 16-битным режимом параллельного порта осуществляется сигналом DDS_D0.

В режиме 32-битной параллельной шины коды частоты, фазы и амплитуды сигналов передаются с микроконтроллера M₂ в микросхему M₈ непосредственно по шине, при этом все 32 бита шины DDS_D0…DDS_D31 может занимать как код частоты, так и коды частоты и фазы, частоты и амплитуды, фазы и амплитуды. Выбор назначения разрядов шины в этом случае определяется значениями сигналов F0, F1, F2, F3. Чтение и запись внутренних регистров микросхемы M₈ в случае режима параллельной 32-битной шины осуществляется по фронту сигнала SYN_CLK при высоком уровне сигнала UPDATE. Сигнал SYN_CLK формируется внутри микросхемы M₈ при наличии сигналов тактирования CLKP и CLKN, которые поступают извне через разъем X₉. Для синхронизации работы микроконтроллера M₂ и микросхемы M₈ сигнал SYN_CLK поступает на вход прерывания микроконтроллера M₂.

Режим работы по запрограммированным профилям включается по предварительной записи соответствующего значения во внутреннем регистре микросхемы M₈. При этом способ записи (параллельная 16-битная или последовательная шина) определяется сигналами F0, F1, F2, F3. В режиме работы по запрограммированным профилям переключение профилями осуществляется с помощью сигналов PS0, PS1, PS2. Выбор профиля осуществляется по фронту сигнала SYN_CLK при высоком уровне сигнала UPDATE. Микросхема M₈ позволяет запрограммировать 8 профилей.

В режиме цифрового генератора линейного изменения запускается генератор, формирующий последовательно изменяющийся код сигнала, который затем преобразуется внутренним ЦАП микросхемы M₈ в аналоговый сигнал. Причем скорость изменения кода сигнала, его пределы изменения задаются также во внутренних регистрах микросхемы M₈. Запуск режима цифрового генератора линейного изменения осуществляется выставлением соответствующего бита одного из внутренних регистров микросхемы M₈. При этом сигнал DRCTL (активный уровень высокий) управляет направлением линейного изменения цифрового генератора (спад или нарастание), сигнал DRHOLD (активный уровень высокий) позволяет поставить цифровой генератор на паузу.

В принципиальной схеме возможны все перечисленные режимы работы. Плата ц.в.с. формирует на выходном разъеме X₁₃ сигнал определенной модуляции по приходу внешнего сигнала SYN_SGN с входного разъема X₁₁.

При появлении активного уровня на линии SYN_SGN микроконтроллер М₂ инициирует запуск генерации сигнала с соответствующей модуляцией с помощью микросхемы М₈. Входной сигнал DDS_SYNC и выходной сигнал SYNC_OUT, выведенные соответственно на разъемы X₁₀ и X₁₂, позволяют синхронизировать работу платы ц.в.с. с другими внешними устройствами.

Поскольку на плате цифрового синтезатора используется питание +3.3 В и +1.8 В, а сама плата использует напряжение питания +5 В, то для конвертации входного напряжения питания +5 В в напряжения +3.3 В и +1.8 В используются микросхемы M₆ и М₇ соответственно.

Основные технические характеристики ц.в.с. Тактовая частота 3500 МГц; диапазон частот формируемых сигналов 0.001–920 МГц; шаг перестройки частоты 5 ⋅ 10^–4 Гц; разрядность накопителя частоты и накопителя фазы 48 бит, разрядность ЦАП – 12 бит; амплитуда выходного сигнала не менее 300 мВ; виды модуляции сигналов: амплитудная (АМ), частотная (FSK), фазовая (PSK); уровень фазовых шумов не хуже –148 дБн/Гц, уровень амплитудных шумов –72 дБ/В; напряжение питания периферии 3.3 В, питания ядра – 1.8 В.

На рис. 5 приведен алгоритм работы ц.в.с.

ВРЕМЕННЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСИКИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА Ц.В.С.

На рис. 6 приведены временные диаграммы работы ц.в.с. при частоте тактового генератора f_т = 3500 МГц и частоте синтеза  f_c = 90 МГц.

На рис. 7 приведен спектр выходного сигнала ц.в.с. 910 МГц, без фильтрации, который показал, что ц.в.с. может синтезировать сигнал в полосе от 0.001 до 920 МГц при частоте опорного тактового генератора  f_т = 3500 МГц.

Как видно из спектрограммы, уровень амплитудных шумов не превышает –(65–70 дБ) [12, 13}.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее перспективным для адаптивных систем связи и телекоммуникационных систем является метод прямого цифрового синтеза, при котором ц.в.с. обладает следующими преимуществами: высокой технологичностью и надежностью, сверхмалым шагом по частоте, высокой скоростью перестройки частоты, преемственностью фазы формируемых колебаний при перестройке с одной частоты на другую, хорошей повторяемостью параметров синтезатора при тиражировании.

Цифровой вычислительный синтезатор сложных широкополосных сигналов позволяет синтезировать сигналы с частотной, фазовой и амплитудной модуляцией, причем управление цифровым вычислительным синтезатором осуществляется при помощи удобного цифрового интерфейса.

Данный ц.в.с. может быть использован в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника современных адаптивных систем коротковолновой и ультракоротковолновой связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, что позволит увеличить помехоустойчивость и надежность сеанса связи, а также может использоваться в программно-аппаратном комплексе для дистанционного зондирования атмосферы Земли для получения амплитудно-частотных и дистанционно-частотных характеристик радиолиний.