Содержание
Введение
1. Прямые цифровые синтезаторы частоты (DDS)
2. Цифровые синтезаторы частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ)
Заключение
Списоклитературы
Введение
Радиопередающиеустройства (РПдУ) применяются в сферах телекоммуникации, телевизионного ирадиовещания, радиолокации, радионавигации. Стремительное развитиемикроэлектроники, аналоговой и цифровой микросхемотехники, микропроцессорной икомпьютерной техники оказывает существенное влияние на развитие радиопередающейтехники как с точки зрения резкого увеличения функциональных возможностей, таки с точки зрения улучшения ее эксплуатационных показателей. Это достигается засчет использования новых принципов построения структурных схем передатчиков исхемотехнической реализации отдельных их узлов, реализующих цифровые способыформирования, обработки и преобразования колебаний и сигналов, имеющихразличные частоты и уровни мощности.
В областителекоммуникаций и вещания можно выделить следующие основные непрерывновозрастающие требования к системам передачи информации, элементами которыхявляются РПдУ:
— обеспечениепомехоустойчивости в перегруженном радиоэфире;
— повышениепропускной способности каналов;
— экономичность использования частотного ресурса при многоканальной связи;
— улучшениекачества сигналов и электромагнитной совместимости.
Стремлениеудовлетворить этим требованиям приводит к появлению новых стандартов связи ивещания. Среди уже известных GSM, DECT, SmarTrunk II, TETRA, DRM и др.
1. Прямые цифровые синтезаторы частоты (DDS)
Прямыецифровые синтезаторы частоты (DDS) появились на рынке изделий микроэлектроники вначале 90-х годов, и с тех пор их популярность неизменно возрастает. Этообъясняется их уникальными свойствами, недоступными обычным синтезаторам частоткосвенного синтеза. Диапазон перестройки такого синтезатора может бытьнепрерывным от долей Гц до десятков МГц, при этом точность установки частоты ишаг перестройки составляет сотые доли Гц, а скорость перестройки частотыизмеряется наносекундами (и при этом нет разрыва фазы). Многие из имеющихсясинтезаторов способны формировать квадратурные сигналы с высочайшей точностьюсдвига фазы между ними во всем рабочем диапазоне, а также обеспечивают цифровуючастотную и фазовую манипуляцию (возможен и линейный переход к следующемузначению частоты или фазы), а также цифровую квадратурную амплитуднуюмодуляцию.
Вместе с тем,таким синтезаторам свойственны все недостатки цифровых устройств обработкисигналов: шум квантования, наложение спектров цифрового сигнала, ограниченнаяверхняя рабочая частота и пр.
/>
Рис.2.4.1.1.
Рассмотримработу структуры DDS, показанную на рис.2.4.1.1. Такая структура (за исключением ЦАП)называется генератором с цифровым управлением (NCO). Выпускаются имикросхемы NCO, в состав которых не входит, по сравнению с DDS, только ЦАП.
Сердцем такойструктуры является фазовый аккумулятор, в котором сумматор фазы каждый тактзадающего генератора прибавляет к текущему значению фазы число, записанное врегистре приращения фазы. Полученное новое значение фазы сохраняется в регистретекущего значения фазы. Таким образом, фаза постоянно линейно возрастает.Разрядность аккумулятора фазы велика (например, 32 разряда), но конечна,поэтому периодически происходят его переполнения, в результате которых цифровоезначение фазы обнуляется, как показано на рис.2.4.1.2. Текущее значение фазы изрегистра подается к перекодировочной таблице синусов, которая из себяпредставляет обыкновенное ПЗУ. В таком ПЗУ значения фазы являются адресамиячеек, где записаны соответствующие каждой фазе мгновенные значения синусоиды.В результате на выходе перекодировочной таблицы появляются цифровые отсчетымгновенных значений синусоиды, которые быстродействующий ЦАП превращает вколебание тока синусоидальной формы. Разумеется, на выходе такого ЦАПустанавливают фильтр, который выделяет синусоидальное колебание нужной частоты(основной частоты или одного из высокочастотных «образов»).
/>
Рис.2.4.1.2.
Пусть врегистре приращения фазы записано число М, разрядность аккумулятора фазыравна n, а частота задающего генератора Fт. При этом очевиднаформула, определяющая выходную частоту синтезатора:
Fвых = (М*Fт) / 2n.
Итак, шаг почастоте здесь равен Fт / 2n, что при n = 32 и тактовой частоте50 МГц приводит к значению шага 0.01 Гц.
Наивысшаясинтезируемая частота DDS обычно бывает равна 0.4Fт. Это обусловленотребованиями к фильтрации побочных продуктов синтеза («образов» сигнала). Длятого, чтобы сменить рабочую частоту, необходимо только записать новое значениеприращения фазы (оно имеет смысл кода частоты) в регистр приращения. Сменачастоты произойдет с нового отсчета без разрыва фазы.
Необходимоотметить, что для адресации перекодировочной таблицы используются не всеразряды аккумулятора фазы, а только часть старших (например, 12). Это не ведетк существенному ухудшению точности синтеза синусоиды, но уменьшает емкостьперекодировочной таблицы. Разрядность кода фазы должна быть на 2-3 разрядабольше разрядности ЦАП, т.к. дальнейшее увеличение разрядности не приводит кснижению шумов из-за эффекта квантования ЦАП. Разрядность ЦАП и определяетуровень побочных составляющих выходного сигнала DDS (см. спектр сигнала DDS на рис.2.4.1.3):
— 50 дБотносительно несущей для 8-разрядного ЦАП,
— 60 дБотносительно несущей для 10-разрядного ЦАП,
— 70 дБотносительно несущей для 12-разрядного ЦАП.
Дляуменьшения отдельных паразитных частотных составляющих можно их «размыть»,добавив к фазовой информации псевдослучайный сигнал (шумовой). При этом,конечно, общий шум возрастает, а его отдельные компоненты понижаются.
/>
Рис.2.4.1.3.
Структурнаясхема одного из самых простых DDS AD9830 показана на рис.2.4.1.4. От типовойструктуры DDS, рассмотренной нами выше, он отличается наличием встроенныхсредств для частотной и фазовой манипуляции. Чтобы упростить двухпозиционнуючастотную манипуляцию (2-FSK), введен еще один регистр частоты, а выборсинтезируемой частоты осуществляется сменой бита на соответствующем выводесинтезатора. Для осуществления четырехпозиционной фазовой манипуляции введены 4регистра сдвига фазы и дополнительный сумматор сдвига фазы, который прибавляетзначение сдвига фазы, записанное в одном из регистров, к выходному кодуаккумулятора фазы. Выбор конкретного регистра осуществляется сменой битов надвух выводах синтезатора. Этот DDS работает с максимальной тактовой частотой50 МГц, имеет только параллельную загрузку данных, потребляет 250 мВтот источника +5 В. Его свободный от паразитных составляющих динамическийдиапазон составляет 72 дБ.
/>
Рис.2.4.1.4.
Приведемсписок некоторых (не всех) дополнительных возможностей современных DDS (AD983x, AD985x и др.).
· Встроенныйумножитель тактовой частоты с ФАПЧ.
· Дополнительныйсумматор для сдвига фазы.
· Дополнительныерегистры для частотной манипуляции.
· Средствадля осуществления сглаженной частотной манипуляции с программируемой скоростьюперестройки частоты.
· Дополнительныецифровые квадратурные амплитудные модуляторы для синтеза с амплитудно-фазовымивидами модуляции (AM, N-QAM, SSB и др.).
· Выходыквадратурных ВЧ сигналов.
· Фильтрыпредкоррекции x / sin(x)для компенсации частотного ската АЧХ ЦАП.
· Дополнительныйкомпаратор в системе умножения частоты опорного сигнала для уменьшения егофазовых шумов («jitter»).
· Последовательныйи параллельный регистры загрузки данных.
/>
Рис.2.4.1.5.
В качествепримера приведем структурную схему DDS AD7008, имеющую встроенныесредства квадратурной цифровой амплитудной модуляции (с цифровымиперемножителями квадратурных сигналов) и цифровое объединение квадратур передподачей их на ЦАП.
Для болееподробного изучения возможностей современных DDS рекомендуем обратиться кматериалам по ИМС AD9850-AD9854.
2. Цифровые синтезаторы частоты с косвеннымсинтезом (ФАПЧ)/>
Несмотря нато, что прямые цифровые синтезаторы активно вытесняют традиционные косвенныесинтезаторы из их традиционных областей применения, последние остаютсянепревзойденными по ряду параметров и вряд ли когда-нибудь будут заменены на DDS полностью. Втабл.2.4.2.1 даны сравнительные характеристики этих двух типов синтезаторовчастоты.
Табл.2.4.2.1.Преимущества синтезаторов DDS Преимущества синтезаторов с ФАПЧ 1. Перекрытие по частоте — синтезируется частота от долей Гц до десятков МГц, тогда как у синтезаторов с ФАПЧ частотный диапазон составляет 10-3...10-1 от центральной частоты. 1. Чистота спектра выходного сигнала: SFDR до -120 дБ за счет малого уровня фазовых шумов (у DDS до -75 дБ). 2. Точность установки частоты — сотые или тысячные доли Гц, а у синтезаторов с ФАПЧ — десятки Гц на тех же рабочих частотах. 2. Высокая рабочая частота — до единиц ГГц, у DDS — десятки МГц. 3. Шаг (разрешение) по частоте — тысячные доли Гц. 3. Потребляемая мощность — единицы-десятки мВт (DDS — сотни мВт, даже около 1 Вт). 4. Скорость перестройки частоты — один период тактовой частоты DDS (5...40 нс), а у синтезаторов с ФАПЧ — сотые доли секунды при равных условиях 4. Низкая стоимость по сравнению с DDS (стоимость DDS — 15...25$). 5. Цифровое управление частотой и фазой, частотная и фазовая модуляция без разрыва фазы, у косвенных синтезаторов — прямое управление только частотой. 6. Синтез квадратурных сигналов с цифровой точностью фазового сдвига 90о. 7. Квадратурная АМ. 8. Габариты — всё в одном корпусе ИМС.
Такимобразом, синтезаторы с косвенным синтезом (на основе петли ФАПЧ) незаменимы вОВЧ-СВЧ-генераторах, гетеродинах высокочувствительных приемников ипередатчиков, к которым предъявляются жесткие требования по чистоте спектрасигнала.
Рассмотримструктуру простейшего синтезатора частоты с косвенным методом синтеза(рис.2.4.2.1). Принцип работы этой схемы хорошо известен: частотно-фазовыйдетектор (ЧФД) подстраивает частоту генератора, управляемого напряжением (ГУН)до тех пор, пока не буде выполнено равенство
F0 / M = Fвых / N, тогдаFвых = (F0 / M)*N.
Здесь (F0 / M)имеет смысл шага перестройки по частоте синтезатора. Петлевой фильтробеспечивает заданные динамические характеристики и устойчивость петли ФАПЧ.Периодическая модуляция частоты в такой схеме (эта схема применяется, например,в цифровых передатчиках системы DECT не частоте 1.9 ГГц) осуществляетсяпосле достижения установившегося значения средней частоты ГУН. Для этого петляФАПЧ размыкается путем установления выхода ЧФД в третье состояние, затем черезгауссовский фильтр на ГУН подается пачка модулирующих частоту импульсов, послечего петля ФАПЧ снова замыкается и производится подстройка среднего значениячастоты.
/>
Рис.2.4.2.1.
Недостаткомподобного синтезатора является увеличение шага перестройки частоты приповышении его рабочей частоты. Это происходит потому, что для повышения рабочейчастоты синтезатора перед ДПКД (который может работать на частотах донескольких десятков МГц) устанавливают предварительный делитель частоты скоэффициентом деления К, при этом и шаг перестройки частотыувеличивается в К раз:
Fвых = (К*F0 / M)*N.
Длясохранения на высоких рабочих частотах такого же шага перестройки, как в схемебез предварительного делителя (F0 / M) применяют схему с перестраиваемым поглощающимсчетчиком и перестраиваемым предварительным делителем (рис.2.4.2.2).
/>
Рис.2.4.2.2.
Предварительныйделитель в этой схеме имеет переключаемый коэффициент деления: К или К+1(например, 10/11 или 40/44, такие ИМС выпускаются промышленностью).
ДПКД ипоглощающий счетчик работают таким образом, что по команде загрузки онизагружаются числом В и А соответственно (причем обязательно В>À),после чего каждый входной импульс уменьшает их состояние на 1. Пока в счетчикахостается число, большее 0, на их выходах присутствует высокий логическийуровень, а при достижения 0 этот уровень меняется на низкий.
Схема споглощающим счетчиком работает следующим образом. Пусть в какой-то моментвремени счетчик В обнулился, при этом оба счетчика, согласно схеме,перезагружаются величинами А и В соответственно, и начинается новый цикл счетана уменьшение их значений. Пока поглощающий счетчик не обнулился, на его выходе1 и предварительный делитель работает с коэффициентом К+1, поэтому он обнулитсячерез (К+1)*А периодов частоты ГУН. Как только его значение достигнет 0,на его выходе установится низкий логический уровень, он перестанет считать, акоэффициент предварительного делителя станет равным К. До обнуления счетчика Востанется еще (В-А) циклов счета (счетных импульсов). Поскольку счетныеимпульсы теперь поступают с частотой ГУН, деленной на К, то до обнулениясчетчика В пройдет еще (В-А)*К периодов частоты ГУН. После обнуления ДПКДописанный цикл повторится.
Итак,подсчитаем эквивалентный коэффициент деления схемы: он равен полному числупериодов частоты ГУН до ее повторной перезагрузки
N= (A*(K+1))+((B-A)*K) = A+B*K.
Частота ГУНпри этом описывается той же формулой, что и для простейшей петли ФАПЧ:
Fвых = (F0 / M)*N.
Важно здесьто, что теперь изменением коэффициента деления поглощающего счетчика А можнодобиться перестройки синтезатора на высокой частоте с малым шагом, равным (F0 / M). Пределы изменения эквивалентногокоэффициента деления N= К2-К...Amax+Bmax*K.
Описанныйпринцип реализован в отечественных ИМС К1015ХК2А (им требуется внешнийпредварительный делитель с изменяемым модулем счета) и в ИМС семейства ADF4110-ADF4112 (у них этот делительвыполнен на кристалле ИМС).
В цифровыхприемопередатчиках широко используют сдвоенные синтезаторы частоты — микросхемы, способные формировать одновременно две частоты от одного опорногосигнала. Сдвоенные синтезаторы частоты можно разделить на два типа: ВЧ/ВЧ синтезаторы,вырабатывающие одновременно две высокие частоты, номиналы которых различаютсянезначительно, и ВЧ/ПЧ синтезаторы, у которых номиналы частот различаютсяболее, чем на порядок.
Заключение:
Основнымнаправлением развития систем связи является обеспечение множественного доступа,при котором частотный ресурс совместно и одновременно используется несколькимиабонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA иих комбинации. При этом повышают требования и к качеству связи, т.е.помехоустойчивости, объему передаваемой информации, защищенности информации иидентификации пользователя и пр. Это приводит к необходимости использованиясложных видов модуляции, кодирования информации, непрерывной и быстройперестройки рабочей частоты, синхронизации циклов работы передатчика, приемникаи базовой станции, а также обеспечению высокой стабильности частоты и высокойточности амплитудной и фазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемыхгигагерцами. Что касается систем вещания, здесь основным требованием являетсяповышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит кповышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровыестандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров такихрадиопередатчиков — частоты, модуляции. Очевидно, что аналоговая схемотехника стакими задачами справиться не в состоянии, и формирование сигналов передатчиковнеобходимо осуществлять цифровыми методами.
Списоклитературы:
1. Кириллов С.Н., Бодров О.А., Макаров Д.А.Стандарты и сигналы средств подвижной радиосвязи. Рязань: РГРТА. 1999.
2. Гольцова М. Широкополосные ЦАП: борьба нарынке коммуникационных систем усиливается. // Электроника. 2001. №2.
3. Bluetooth: устройства всех стран,соединяйтесь!… без проводов. // Электроника. 2000. №5.
4. Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт. Аналого-цифровыепреобразователи для задач цифровой обработки сигналов. www.analog.com.ru/public/3.pdf
5. Проектирование радиопередатчиков: Учеб.пособие для вузов. / Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь. 2000. 654 с.