ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА С ПРЯМЫМ ЦИФРОВЫМ СИНТЕЗОМ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной электронике и может быть использована при создании твердотельных устройств формирования СВЧ сигналов оптимизированных СВЧ параметров, применяемых в системах радиосвязи, в тестовом, измерительном и коммутационном оборудовании различного назначения.
Из уровня техники известно устройство, содержащее последовательно соединенные фазовый накопитель многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду, цифроаналоговый преобразователь и фильтр выходных частот синтезатора, а также источник тактовой частоты, своим выходом соединенный с входами синхронизации указанных фазового накопителя, входом преобразователя фазы в их амплитуду и цифроаналогового преобразователя. Источник тактовой частоты выполнен в виде М опорных генераторов тактовой частоты, подключенных своими выходами к соответствующим входам первого высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом указанного источника тактовой частоты, а фильтр выходных частот синтезатора выполнен в виде схемы многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации, содержащей второй высокочастотный многоканальный переключатель, на входе соединенный с выходом цифроаналогового преобразователя и на выходе - параллельно с входами N полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах, в количестве N≥2, параллельно соединенных своими выходами с соответствующими входами третьего высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом цифрового вычислительного синтезатора многоуровневых сигналов, причем к каждому из трех упомянутых переключателей подключен блок управления их синхронным переключением (см. патент РФ №244067, кл. H03L 7/16, опубл. 20.01.2012).
Недостатками известного устройства является сложное конструктивное выполнение и недостаточно высокие рабочие характеристики.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Технический результат заключается в минимизации дискретных составляющих в радиочастотном спектре твердотельного устройства формирования сигнала с прямым цифровым синтезом частоты.
φ
Технический результат обеспечивается тем, что твердотельное устройство формирования сигнала с прямым цифровым синтезом частоты включает функциональный блок, содержащий последовательно соединенные накопитель кода фазы, преобразователь кода фазы к и блок выходного каскада, выполненные с возможностью тактирования от опорного генератора. При этом блок выходного каскада содержит по меньший мере один каскад, включающий фазовращатель, обеспечивающий возможность формирования синусоидального I и квадратурного Q сигналов и соединенный с входами смесителей, которые соединены другими своими входами с генератором прямого цифрового сигнала, а своими выходами с сумматором, обеспечивающим возможность формирования результирующего сигнала на выходе.
Сущность настоящей полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:
фиг.1 - отображено устройство в схематическом виде;
фиг.2 - отображен график функции, характеризующий распределение флуктуаций;
фиг.3 - отображен график функции, характеризующий рабочую частоту;
фиг.4 - отображен график функции, характеризующий рабочую частоту;
фиг.5 - приведена зависимость уровня дискретных составляющих в радиочастотном спектре сигнала ТУФС с ПЦСЧ от значения рабочих частот в высокочастотной части диапазона рабочих частот ТУФС с ПЦСЧ 200÷400 МГц.
фиг.6 - приведено экспериментально измеренное распределение вероятности флуктуации напряжения на выходе ЦАП P(ΔU) от номера разряда ΔU;
фиг.7 - отображен в схематическом виде каскад блока выходного каскада.
φ
Твердотельное устройство формирования сигнала с прямым цифровым синтезом частоты включает функциональный блок, содержащий последовательно соединенные накопитель кода фазы (НКФ), преобразователь кода (ПК) фазы к и блок выходного каскада (БВК), выполненные с возможностью тактирования от опорного генератора (ОГ) (см. фиг.1). При этом каскад БВК содержит фазовращатель, соединенный с входами смесителей, которые соединены другими своими входами с генератором прямого цифрового сигнала (DDS) и своими выходами с сумматором, обеспечивающим возможность формирования результирующего сигнала. Фазовращатель тактируется от опорного генератора (см. фиг 7).
Настоящее устройство функционирует следующим образом.
f
φ0
f
На вход НКФ поступает код частоты K, а в регистре НКФ записан код начальной фазы к. С каждым импульсом тактовой частоты в НКФ к текущему коду фазы прибавляется код частоты K, так, что на выходе НКФ накапливается код выходной фазы:
φ(i)
φ0+∑Kf
к=K,
где, i - текущий номер тактового импульса.
s
φ
s
φ
Форма выходного колебания на периоде записана в преобразователе кода (ПК) в виде зависимости кода ординаты к от кода фазы к. Разрядность к обычно ниже, чем разрядность k, так как требования к погрешностям установки фазы выходного колебания значительно выше, чем требования к амплитудному шуму дискретизации по ординатам.
Выходное колебание ТУФС с ПЦСЧ имеет ступенчатый характер и аппроксимирует с фиксированной погрешностью дискретизации по уровням и по времени нужную периодическую функцию времени. Фазовый шум (функция распределения флуктуации), обусловленный квантованием фазы (см. фиг.2.).
В схеме ТУФС с ПЦСЧ (фиг.1.) фактически отсутствуют частотно-зависимые узлы, поэтому диапазон значений частоты выходного сигнала может быть чрезвычайно широким.
Стабильность частоты выходного сигнала ТУФС с ПЦСЧ определяется, погрешностями вида «дрожание фазы» цифровых вычислительных узлов, выходным шумом выходного каскада, но, в основном, - фазовыми шумами и частотным дрейфом, вносимым опорным генератором и измеренный СПФШ ТУФС с ПЦСЧ слабо отличается от СПФШ опорного генератора.
НКФ в ТУФС с ПЦСЧ формирует последовательность кодов мгновенной фазы сигнала, которая изменяется линейно. Скорость изменения фазы задается кодом частоты. Далее с помощью ПК линейно изменяющаяся фаза преобразуется в изменяющиеся по синусоидальному закону отсчеты выходного сигнала. Эти отсчеты поступают на каскад БВК, на выходе которого формируется выходной сигнал.
0
0
Измерения проведенные в описанной выше конструкции, при некоторых значениях кода частоты, вызванные усечением кода фазы, например при рабочей частоте f=252,0 МГц, невелики (фиг.3.), в то время как при других значениях кода частоты, например, при рабочей частоте f=299,8 МГц, эти составляющие имеют максимальный уровень (фиг.4.).
Причиной полученных результатов является тот факт, что целое число отсчетов на период укладывается лишь в частном случае. Как правило, на каждом новом периоде сигнала отсчеты находятся в новых местах, что приводит к появлению гармонических составляющих, период повторения которых зависит от кода частоты, разрядности аккумулятора фазы и от разрядности используемого кода фазы.
p
clk
Исследования показывают периодическую зависимость уровня дискретных составляющих от значения рабочих частот. Минимальное значение уровня дискретных составляющих в радиочастотном спектре сигнала ТУФС с ПЦСЧ достигается при значениях рабочих частот, равных f=f/n, где n - целое число, когда в отбрасываемой части кода фазы всегда все нули. При увеличении рабочих частот уровень дискретных составляющих увеличивается, но не превышает уровня -80 дБ.
clk
Зависимость в высокочастотной части диапазона рабочих частот ТУФС с ПЦСЧ 200÷400 МГц (фиг.5.), значения которых приближаются к половине тактовой частоты f/2, показывает нарастание уровня дискретных составляющих до уровня -60дБ.
p≤
clk
В общем случае рабочая частота ТУФС (при выполнении условия ff/2 может быть представлена в виде ряда:
cLk/n
Поскольку предельное значение частоты, в основном, ограничивается частотой подачи отсчетов на блок выходного каскада, теоретически частотацифрового выходного сигнала не может превышать половины частоты отсчетов. Для реализации вышеприведенного условия необходимо обеспечить цифровое квадратурное перемножение сигналов с частотами f
Цифровое квадратурное перемножение сигналов обеспечивает формирование однополосного высокочастотного сигнала, то есть обеспечивает фильтрацию выходного сигнала в узкой полосе частот.
clk/n
clk/m
Схема построения выходного каскада БВК отображена на фиг.7. Формирование однополосного высокочастотного сигнала, то есть фильтрация выходного сигнала в узкой полосе частот, обеспечивается каскадом БВК. Каждый каскад состоит из фазовращателя, формирующего синусоидальный I и квадратурный Q сигналы с частотой f, которые соединены с первыми входами смесителей, а на вторые входы смесителей подается сигнал fт генератора DDS, а выходы смесителей соединены с входами сумматора, на выходе которого формируется результирующий сигнал, при этом количество каскадов зависит от заданной точности формирования номинала частоты.
clk
clk
clk/m
При преобразовании квадратурного сигнала, на смесители подаются синусоидальный и косинусоидальный сигналы частоты f/n, которые образуются внутренним фазовращателем из внешнего сигнала тактовой частоты f и сигнала f. В случае необходимости количество перемножаемых сигналов может быть больше, и схема может иметь ступенчатую структуру. В каждой ступени выходные сигналы на выходе умножителей суммируются таким образом, что составляющие с одинаковой фазой складываются, тогда, как квадратурные компоненты вычитаются друг из друга и подавляются. Итоговый результат (без дополнительной фильтрации) представляет собой однополосный сигнал, с подавлением несущей и ненужной боковой полосы.
На фиг.6 приведена схема создания одной ступени формирования частоты с помощью квадратурных преобразований.
Погрешности фаз квадратурных сигналов I и Q внутри программы логической интегральной схемы (ПЛИС) можно корректировать за счет программирования ПЛИС. Соотношение ее выходных сигналов строго квадратурное и оно - неизменно. Полученная степень подавления дискретных составляющих обеспечивается при погрешности фаз входных сигналов менее 0.3°. Таким образом, разработанный алгоритм формирования сигнала ТУФС с ПЦСЧ на основе цифрового квадратурного перемножения частот, полученных делением тактовой частоты, позволяет реализовать эффективное подавление дискретных составляющих не менее 80 дБ.
0
Сравнение радиочастотных спектров сигнала ТУФС с рабочей частотой f=299,8 МГц с прямым цифровым синтезом по алгоритму с усеченным кодом фазы и с квадратурным прямым цифровым синтезом показывает эффективность алгоритма квадратурного цифрового синтеза, обеспечивающего уровень подавления дискретных составляющих в радиочастотном спектре сигнала ТУФС более 80 дБ.