Цифровой синтезатор частот Советский патент 1991 года по МПК H03B19/00 

сл С

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - повышение спектральной чистоты выходного сигнала и расширение диапазона генерируемых частот. Цифровой синтезатор частот содержит опорный генератор 1, блок установки частоты 2, разрядный сумматор 3 кодов, разрядный регистр 4 памяти, блок выборки 5, цифроаналоговый преобразователь(ЦАП) 6, полосовой фильтр 7, первый 8, второй 9 элементы НЕ, первый 10, второй 11 триггеры, первый 12, второй 13 и третий 14 элементы И. В процессе формирования сигнала его максимальное значение меняется от периода к периоду по сложной зависимости, что приводит к паразитной амплитудной модуляции. Элементы НЕ 8 и 9, триггеры 10 и 11, элементы И 12, 13 и 14 формируют п определенные моменты времени импульсы, обеспечивающие управление уровнем выходного сигнала ЦАП 6. 2 ил

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи и радиолокации.

Цель изобретения - повышение спектральной чистоты выходного сигнала и расширение диапазона генерируемых частот.

На фиг.1 приведена электрическая структурная схема цифрового синтезатора частот; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Цифровой синтезатор частот содержит опорный генератор 1, блок 2 установки частоты (БУЧ), n-разрядный сумматор 3 кодов, n-разрядный регистр 4 памяти, блок 5 выборки, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 6, полосовой фильтр 7. первый 8 и второй 9 элементы НЕ, первый 10 и второй

11 триггеры, первый 12 и второй 13 и третий 14 элементы И.

Цифровой синтезатор частот работает следующим образом.

В БУЧ 2 устанавливается двоично-кодированное значение синтезируемой частоты

А ао 2° + ai21 + .,. + aN 1 2N 1. где N - целое число;

А - число, представляющее собой отношение синтезируемой частоты fo (0 fo ) к

одной четвертой значения частоты fr опорного генератора 1,

т 4т5макс(0 А 1).

Это число поступает на вход п-разряд- ного сумматора 3, который вместе с п-раз- рядным регистром 4 образуют накопитель, на выходе которого в каждый тактовый моО 00

4 О

О О

мент времени tn 3-nT, n 1, 2, 3(Т 1 /fT

- длительность тактового интервала) формируется число Bn bon- 2°+ + ... ...+ Ьм-1Р- по следующеу алгоритму: Вп Вд-1 + А, которое пропорционально фазе синтезируемого колебания. В блоке выборки 5 число Вп преобразуется в соответствующую выборку синусоидального сигнала, в ЦАП 6 в аналоговую величину. Ступенчатый сигнал с выхода ЦАП 6 сглаживается полосовым фильтром 7.

Вследствие дискретного преобразования фазы и мгновенных значений синусоидального сигнала при некоторых значениях синтезируемого выходного сигнала заданной частоты происходит уменьшение амплитудного значения либо возникновение паразитной амплитудной модуляции. Покажем появление этих случаев при синтезе сигналов с фиксированной частотой и сигналов, частота которых меняется по линейному закону в некоторой полосе частот.

Нетрудно показать, что выходной сигнал синтезатора будет меняться по закону

8Ш2л:(-Вг-5Т),

где Um - максимальная амплитуда выходного сигнала;

р €1,2Рмакс;

S - номер такта;

N - разрядность накопителя.

Рассмотрим три возможных случая для значения параметра р, несущего информацию о выходной частоте синтезируемого сигнала: параметр р кратен 21, где I - целое число; 2 я р/ укладывается целое число раз в периоде 2я; Ау 2 jrp/2N не укладывается целое число раз в периоде 2 я.

В первом случае паразитной амплитудной модуляции нет, а максимальное значение амплитуды равно Dm при

S (2m+1), гдетЈ (0, 1,2,...).

Во втором случае паразитная амплитудная модуляция отсутствует, а максимальное значение амплитуды определяется в зависимости от параметра р формулой

иМа и„со5Я 2N-1-p.|-NT(2N 1/p)

В третьем случае возникает двухчастот- ная паразитная амплитудная модуляция с максимальным периодом повторения, равным длительности Т рТо, и максимальной частотой с длительностью периода, равной

тРТ0

1 2N-PIN-T(2N/p) Максимальная амплитуда в каждый период синтезируемого сигнала будет выражаться формулой

LWv- UMcos {2N-1-plNT(2N-1/p)+2-1 Ј (2N-,

м(р)

-PINT(2N/p))},

.,

где М - номер периода синтезируемого сигнала;

м

У - сумматор по модулю Р.

(Р)

Из последней зависимости следует, что максимальное значение синтезируемого сигнала меняется от периода к периоду по сложной зависимости от параметра Р синтезируемой частоты.

В этом случае квазипериодическое изменение максимального амплитудного значения выходного сигнала синтезатора приводит к паразитной амплитудной модуляции, которая в свою очередь приводит к появлению в спектре выходного сигнала паразитных составляющих кратных То1, Ti, nTd-mT1, r T+mTi, где m, ne (0,1,...).

Наиболее существенна паразитная амплитудная модуляция с периодом Т1, так как ее составляющие находятся вблизи основной полезной спектральной составляющей. Таким образом, для того, чтобы выделить частоту синтезируемого сигнала fo, необходимо применить сложные полосовые фильтры 7 с хорошими эксплуатационными характеристиками,

В случае формирования ЛЧМ-сигнала параметр р меняется во времени и выходной сигнал постоянно проходит три рассмотренных случая, при этом амплитуда выходного сигнала меняется по сложному закону.

Таким образом, для формирования высо окачественного сигнала необходимо исключить паразитную амплитудную модуляцию используя метод вычисления добавок по выведенным формулам для каждого из трех случаев либо упрощенный метод

для коррекции максимального амплитудного значения синусоидального сигнала в моменты переполнения накопителя (состоящего из n-разрядного сумматора 3 и п-раз- рядного регистра 4).

С этой целью в определенный момент времени формируется импульс, предназначенный для управления уровнем выходного сигнала ЦАП 6.

На фиг.2 показано изменение выходного сигнала на максимуме синтезируемого синусоидального сигнала с исключением амплитудной модуляции.

Кривая 1 (фиг. 2 показывает изменение непрерывного синусоидального сигнала, кривая 2 (фиг. 2 г,д)-дискретное приближение (формирование) синусоидального сигнала на выходе ЦАП 6 без коррекции паразитной амплитудной модуляции; кривая 3 (фиг. 2 г,д) - дискретное приближение синусоидального сигнала на выходе ЦАП 6 с коррекцией паразитной амплитудной модуляции, кривые 4 и 5 (фиг, 2 г,д) - отклонение формы дискретного синусоидального сигнала с коррекцией паразитной амплитудной модуляции и без нее.

Рассмотрим работу блоков цифрового синтезатора частот, выполняющих коррекцию паразитной амплитудной модуляции формируемого сигнала (эпюры работы представлены на фиг. 2).

В n-разрядном сумматоре 3 накопителя с опережением по длительности одного такта по отношению к выходному сигналу п- разрядного регистра 4 происходит анализ шага приращения фазы на заданной частоте. В случае, если шаг (Р) больше остатка фазы до л- /2 (), т.е. р (2N 2 - pS), то на выходе (п-1)-го разряда n-разрядного сумматора 3 формируется лог. 1, которая поступает на второй вход первого элемента И 12, открывая его. Здесь используется опорный генератор 1, который формирует две импульсные последовательности с одинаковым тактовым интервалом (т), смещенные по времени (фаза л) относительно друг друга на Т/2 (см.фиг.2 а,б). На выходах опорного генератора 1 формируются две последовательности импульсов (меандр) с тактовым интервалом Т, смещенные во времени относительно друг друга на Т/2. Первая импульсная последовательность (фиг, 2а) предназначена для записи в п-разряд- ный регистр 4 выходного кода п-разрядного сумматора 3. Вторая импульсная последовательность используется для формирования (временной привязки) управляющего импульса ЦАП 6 с целью сохранения минимальных фазовых ошибок при коррекции амплитуды.

Первый же тактовый импульс с второго выхода опорного генератора 1 через открытый первый элемент НЕ 8 поступает на счетный вход первого триггера 10, изменяя его состояние. С выхода первого триггера 10 единичный уровень поступает на входы второго 13 и третьего 14 элементов И и открывает их.

Сигнал с выхода n-го старшего разряда n-разрядного сумматора 3 поступает на управляющие входы ЦАП 6, в качестве которого может быть применен быстродействующий ЦАП типа К. 1118ПА2. Особенность известного ЦАП 6 заключается в том,

что его внутренняя структура позволяет по указанным двум управляющим входам (Н и L) независимо от входного цифрового кода устанавливать на его аналоговом выходе максимальное значение выходного напряжения (Умакс) либо минимальное выходное напряжение (1/Мин). Второй тактовый импульс устанавливает первый триггер 10 в нулевое состояние, а второй триггер 11 в

0 единичное состояние. Уровень логического О с инверсного выхода второго триггера 11 поступает на вход первого элемента И 12, запрещая прохождение тактовых импульсов на счетный вход первого триггера 10.

5 Первый и второй триггеры 10 и 11 устанавливаются в исходное состояние с приходом нулевого уровня по (п-1)-му разряду п-разрядного сумматора 3.

Таким образом, на выходе второго 13 и

0 третьего 14 элементов И формируются сигналы (фиг. 2 в) длительностью один тактовый интервал, который управляет аналоговым выходом ЦАП 6. при этом на вторые входы второго 13 и третьего 14 элементов И сигна5 лы поступают с входа и выхода второго элемента НЕ 9.

В качестве ЦАП 6 в данном устройстве вместо 1118ПА2, имеющего управляющие входы Н и L, можно использовать любой

0 другой, дополнив его входные цепи управляющими входами при использовании соответствующих точек их структурного построения.

При отсутствии управления ЦАП 6 для

5 стабилизации максимального уровня выходного сигнала синтезатора при формировании сигнала с максимальной частотой тмакс тт/4 уровень его снижается на 10% по сравнению с уровнем на нулевой частоте.

0 При стабилизации уровня с помощью предлагаемого устройства уровень выходного сигнала на частоте fMaKC не отличается от уровня на нулевой частоте.

Таким образом, использование предла5 гаемого цифрового синтезатора частот позволяет улучшить спектральную чистоту и расширить диапазон частот формируемого сигнала, который определяется быстродействием цифроаналогового преобразовате0 ля.

Формула изобретения Цифровой синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные блок установки частоты, n-разрядный сумматор

5 кодов, n-разрядный регистр памяти, блок выборки, цифроаналоговый преобразователь и полосовой фильтр, а также опорный генератор, выход которого подключен к входу синхронизации n-разрядного регистра памяти, выход которого соединен также с

вторым входом n-разрядногосумматора кодов, отличающийся тем, что, с целью повышения спектральной чистоты выходного сигнала и расширения диапазона генерируемых частот, между вторым выходом опорного генератора и первым управляющим входом цифроаналогового преобразователя введены последовательно соединенные первый элемент И, первый триггер и второй элемент И, третий элемент И, первый элемент НЕ, второй элемент НЕ и второй триггер, вход установки нуля которого соединен с входом установки нуля первого триггера и с выходом первого элемента НЕ, вход которого соединен с вторым вхоФЛ1

Фиг1

0

5

дом первого элемента И и с выходом (п-1)-го разряда n-разрядного сумматора кодов, п-й разряд которого соединен с n-м разрядом цифроаналогового преобразователя, вторым входом второго элемента И и входом второго элемента НЕ, выход второго элемента НЕ подключен к первому входу третьего элемента И, выход которого соединен с вторым управляющим входом цифроаналогового преобразователя, счетный вход второго триггера соединен с вторым входом третьего элемента И и с выходом первого триггера, а выход второго триггера соединен с третьим входом первого элемента И.

r-v4-,

-Jf-1 IN

71I N

ч

IvkLU

КИ

i

Физ2