Швидкодіючі синтезатори секвентності на основі фазочастотних перетворювачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.11.08 - Радіовимірювальні прилади

Швидкодіючі синтезатори секвентності на основі фазочастотних перетворювачів

Полікаровських Олексій Ілліч

Вінниця 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: к.т.н., професор Троцишин Іван Васильович, Хмельницький національний університет, завідувач кафедри проектування та конструювання радіоелектронних засобів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кичак Василь Мартинович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри телекомунікаційних систем та телебачення

кандидат технічних наук, доцент Афонін Ігор Леонідович, Севастопольський національний технічний університет, доцент кафедри радіотехніки

Провідна установа: Інститут електродинаміки НАН України, відділ вимірювання електричних та магнітних величин, м. Київ

Захист відбудеться “25 ” __03___ 2006 р. о “ _1200___” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК.

Автореферат розісланий “15 ” 02 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Павлов С.В.

1. Загальна характеристика дисертаційної роботи

секвентність сигнал фазочастотний перетворювач

Актуальність теми. Теорія і техніка формування складних сигналів активно розвивається у зв'язку з широким застосуванням мобільних засобів зв'язку, систем прецизійних радіотехнічних вимірювань, радіонавігації та радіолокації. Пристрої формування коливань з високими вимогами до точності формування частоти отримали широке розповсюдження в різноманітних засобах радіотехнічної та побутової апаратури, завдяки тому, що вимірювання частоти коливання може здійснюватись з найбільш високою точністю з поміж інших видів фізичних вимірювань, а широко доступні джерела опорних коливань мають надзвичайно малі відносні нестабільності частоти.

Проблемами синтезу секвентностей (частот) займалися Манасєвич В., Шахгільдян В.В., Шапіро Д.Н., Хармут Х.Ф., Балабонов О.А., Бєлов Л.А., Рижков А.В., Троцишин І.В. Проте питання розробки прямих цифрових синтезаторів секвентності у цих роботах розглянуто недостатньо докладно. Це пов'язано насамперед із тим, що технологія прямого цифрового синтезу (DDS) набуває широкого поширення лише віднедавна, що викликано новими науковими і технологічними рішеннями.

Технологічні досягнення мікромініатюризації і цифрової техніки привели до появи нових структур цифрових синтезаторів сигналів, які дозволили забезпечити прецизійну стабільність частоти повторення для сигналів різноманітної негармонійної форми. Цифрові синтезатори сигналів виконуються на базі інтегральних схем з високим ступенем інтеграції, тому особливе значення набувають питання вибору структури таких пристроїв. Вибір оптимальної структури синтезаторів частот є складним багатопараметричним завданням, під час якого необхідно узгодити велику кількість параметрів: розрізнювальна здатність, діапазон синтезованих коливань, швидкодія переналаштування, кількість елементів на кристалі і т.п.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі проектування та конструювання радіоелектронних засобів Хмельницького національного університету як продовження держбюджетної теми 1Б-95 “Дослідження та розробка нових ортогональних базисів сигналів та їх застосування для передачі інформації та радіовимірювань”, 2Б-2005 “Теорія фазочастотних вимірювань та перетворень радіосигналів та напрями її застосування”, номер держреєстрації НДР №0105U000722. І відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки та техніки України - 2.3 „Електроніка і радіотехніка”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення розрізнювальної здатності та динамічного діапазону синтезу секвентностей і використання отриманих результатів для побудови синтезаторів частоти із поліпшеними характеристиками за точністю та частотним діапазоном.

Для досягнення цієї мети необхідно розв`язати такі задачі:

1. Провести аналіз та визначити обмеження існуючих методів та засобів синтезу секвентності сигналів;

2. Розробити метод одночасного підвищення точнісних та якісних характеристик синтезу секвентності сигналів, що ґрунтується на понятті повного фазового зсуву та його часової розгортки;

3. Встановити джерела та дослідити характеристики похибок розробленого методу, доопрацювати методи та засоби синтезу секвентності сигналів для умов високоточного та швидкісного синтезу секвентності сигналів;

4. Розробити методи та засоби цифрового фазочастотного швидкодіючого синтезу секвентності сигналів для випадків дворівневих сигналів, а також синтезу синусоїдальних сигналів;

5. Розробити рекомендації щодо проектування синтезаторів секвентності сигналів на інтегрованій цифровій елементній базі, провести експериментальні дослідження та впровадити отримані результати в практику синтезу секвентності сигналів.

6. Розробити методику оцінки метрологічних характеристик синтезаторів секвентності.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше встановлено, що часо-імпульсні перетворювачі у реверсивному режимі роботи дають можливість розширити максимальний діапазон синтезованих секвентностей до тактової частоти опорного генератора (у порівнянні із накопичувальним суматором максимально можливий діапазон роботи якого - половина тактової частоти) і доведено, що реверсивний режим роботи часо-імпульсних перетворювачів дозволяє синтезувати вихідну секвентність до тактової частоти опорного генератора з одночасним збереженням кроку сітки синтезованих секвентностей.

2. Вперше запропоновано метод розширення робочого діапазону синтезаторів секвентності на базі накопичуючого суматора за допомогою квадратурної обробки сформованих радіосигналів, що полягає у застосуванні двох накопичуючих суматорів, сигнали з виходів яких складаються в суматорі за модулем два, що, на відміну від існуючих методів синтезу секвентності, дало можливість розширити робочий діапазон від половини до тактової частоти опорного генератора, проте у цьому методі відбувається збільшення кроку сітки синтезованих секвентностей у два рази.

3. Вперше запропоновано метод прямого цифрового синтезу частоти синусоїдального сигналу на основі модифікованого методу CORDIC із акумулятором фази на основі реверсивних часо-імпульсних перетворювачів, що, на відміну від існуючих методів прямого цифрового синтезу, дало можливість синтезувати синусоїдальні сигнали з частотами в два рази вищими за частоти систем з накопичувальним суматором (класичним DDS) та зменшити фазові шуми синтезатора.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі запропонованого методу розроблено спосіб фазочастотного цифрового синтезу секвентності сигналів, що рекомендуються використовувати як у радіовимірювальних пристроях, пристроях захисту інформації, так і у складі телекомунікаційних пристроїв. Спосіб реалізовано у ряді пристроїв - синтезатор секвентності дворівневих сигналів, частотомір послідовного наближення, генератор завад у вибраних частотних діапазонах.

Запропоновано структурні схеми побудови синтезаторів частоти на базі часо-імпульсні перетворювачів у реверсивному режимі роботи. Сформульовано рекомендації та вимоги до проектування цифрових фазочастотних синтезаторів секвентності сигналів та їх складових частин. Розроблено структурні, принципові схеми та дослідні зразки цифрових фазочастотних синтезаторів секвентності сигналів із можливістю повної інтеграції на кристалах ПЛІС (EPM7128SLC84-7 фірми Altera). Запропоновано методи та пристрої використані для створення кінцевих синтезаторів частоти сигналів у сучасних телекомунікаційних системах, які розробляються та впроваджуються ТОВ „Internet - сервіс” та ТОВ „Фетронікс”. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримано автором самостійно. В публікаціях [2-4, 6], що написані у співавторстві, дисертанту належить розробка та аналіз математичних моделей, математичне моделювання, структурна оптимізація синтезатора, проведення експериментальних робіт. У роботі [1] автором запропоновано використання часо-імпульсного перетворювача у якості генератора функцій Уолша, спосіб вибору функцій із зростаючою секвентністю із повного набору функцій, що формується часо-імпульсним перетворювачем. У роботі [2] автором проаналізовано швидкість зменшення розрізнювальної здатності синтезатора від розрядності вхідного коду. Запропонована математична модель закону, за яким відбувається таке зменшення. Проведено експериментальне дослідження затримок переносів у синтезаторі на основі НС. У роботі [3] автором проведено аналіз нелінійних спотворень синтезаторів та проведено порівняльний аналіз синтезаторів на основі накопичувального суматора та кодокерованого напівсуматора секвент. Запропоновано метод покращення синтезатора з точки зору подавлення бічних складових у спектрі вихідного сигналу. У роботі [4] автором проведена класифікація існуючих методів формування синусоїдальних сигналів на основі відліків фази сформованих фазовим акумулятором. Запропоновано модифікований метод CORDIC. У роботі [5] автором проведено експериментальне дослідження, проведена обробка отриманих результатів, автором запропоновано спосіб зменшення побічних складових у вихідному коливальному процесі. У роботі [6] автором запропоновано структурну схему синтезатора частоти із кодокерованим напівсуматором секвент у структурі кола зворотнього зв'язку.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень пройшли апробацію на таких наукових конференціях і семінарах: 10-та НТК “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”, ХНУ, м. Хмельницький, 2003 р.; НТК „Наукові розробки молоді на сучасному етапі” - КНУТД, м. Київ, 2003 р.; МНТК „Науковий потенціал світу” - м. Дніпропетровськ, 2004; МНТК СПРТП1-2005 „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування”, м. Вінниця, 2005 р.; РТ-2005 „Радіотехніка”, м. Севастополь, 2005 р. Результати роботи також доповідалися на щорічних наукових конференціях, що проводяться у Хмельницькому національному університеті та міжкафедральних наукових семінарах факультету радіоелектроніки Хмельницького національного університету (м. Хмельницький) у 2003- 2005 роках.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць. З них 6 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України; 4 статті у матеріалах та тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, що містять 74 рис. і 9 таблиць, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (149 найменувань) та 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 196 сторінки, з яких основний зміст викладено на 138 сторінках.

2. Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі дана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми, сформульована мета досліджень, дана характеристика наукової новизни та практичного значення отриманих результатів, показано апробацію результатів дисертації, оцінено особистий внесок здобувача, публікації та впровадження.

В першому розділі проведено опис сучасного стану та проаналізовано тенденції розвитку синтезаторів секвентності. Показано, що сучасні технічні рішення не задовольняють вимогам, які до них висуваються. Детально проаналізовано причини безперспективності застосування систем синтезу сітки секвентностей на основі накопичувального суматора (НС).

Залежність вихідної секвентності від вхідного коду для синтезатора на основі накопичувального суматора представлено

Встановлено, що використання накопичу вального суматора доцільне лише до половини шкали вхідних кодів - максимальна вихідна (секвентність) частота пасивної системи синтезу на базі накопичувального суматора завжди менше опорної частоти генератора.

Встановлено рівняння залежності вихідної секвентності від вхідного коду для накопичувального суматора можна описати таким рівнянням:

У розділі розглянуто існуючі методи перетворення відліків акумуляторі фази у гармонійні коливання. Виявлено, що найперспективнішими методами є обчислювальні методи та методи фільтрації необхідного гармонійного коливання. З обчислювальних методів перспективними є методи CORDIC - рекурсивного, а особливо нерекурсивного типів.

Досліджено проблему сучасних цифрових синтезаторів частоти (DDS), що полягає у збільшення часу поширення сигналу переносу із зростанням розрядності. У суматора великої розрядності із зростанням вхідної частоти виникають похибки у формуванні відліків фази. Затримки поширення переносу у акумуляторі фази на основі накопичувального суматора відбиваються на якості синтезованого синусоїдального сигналу, що полягає у стрибках фази і збагаченні спектру вихідного синусоїдального коливання.

Наявність затримок сигналів переносу акумуляторів фази на основі накопичувального суматора накладає обмеження на розрядність та робочу частоту пристрою, , що не дозволяє сформувати сітку частот із кроком меншим

.

У другому розділі запропоновано математичну модель кодокерованого напівсуматора секвент на основі часо-імпульсних перетворювачів у реверсивному режимі роботи.

Синтезатор секвент на основі часо-імпульсних перетворювачів у реверсивному режимі роботи реалізує функцію перетворення

, (1)

де - вихідна секвентність перетворювача, Dn - ваговий коефіцієнт одиничного кодокерованого перетворювача, - вхідна секвентність на знакові переносу, - вхідна тактова частота. Для синтезатора секвентності на основі кодокерованих напівсуматорів секвент встановлено наступні співвідношення:

- максимальне значення секвенти, що синтезується: ;

- мінімальне значення секвенти, що синтезується: ;

- динамічний діапазон зміни секвент: ;

-стрибок фази: ;

-швидкодія переналаштування залежить від попереднього та наступного значення коду секвенти, але максимальне значення не перевищує N тактів тобто:.

Таблиця 1 Порівняльна характеристика властивостей синтезаторів на основі накопичувального суматора та напівсуматорів секвент

Характеристика	метод накопичувального суматора	метод напівсумування секвент
Максимальна секвента Sfmax
Мінімальна секвента Sfmin
Динамічний діапазон D
Стрибок фази Дц
Швидкодія переналагодження
Відносна складність реалізації	середня Кскл=50	середня Кскл=50

Проаналізовано функціональні можливості синтезаторів на основі накопичувального суматора та кодокерованого напівсуматора секвент типи синтезаторів з точки зору максимізації функції за трьома координатами. Встановлено, що синтезатори на основі напівсуматорів секвент за параметрами мають перевагу над синтезаторами на основі накопичувального суматора

У другому розділі розроблено математичні моделі перетворення фаза-синусоїдальний сигнал. Розроблено математичні моделі для перетворення відліків фази з кодокерованого напівсуматора секвент у гармонійний сигнал. Розроблено математичні моделі методів перетворення відліків фази у гармонійний сигнал.

Було розроблено модифікований табличний метод для акумулятора фази на основі кодокерованих напівсуматорів секвент. Для акумулятора фази на основі кодокерованого напівсуматора секвент рівняння перетворення табличним методом прийме вигляд

.

Для вирішення проблеми табличного методу - проблеми обмеженості робочих частот мікросхем постійного запам'ятовуючого пристрою та ЦАП, було запропоновано модифікувати метод CORDIC, що не застосовує ПЗП та ЦАП у структурі.

Модифікований метод CORDIC із акумулятором фази на основі часо-імпульсного перетворення дасть можливість генерувати синусоїдальний та косинусоїдальний сигнали з частотами істотно вищими ніж у разі використання табличного методу перетворення, та обчислювальних алгоритмів на основі розкладення у ряд Маклорена і т.п.

Рівняння вихідного сигналу для модифікованого методу CORDIC прийме вигляд

.

Було запропоновано математичну модель системи синтезу на основі ФАПЧ із кодокерованим напівсуматором секвент у колі зворотнього зв'язку. Для математичної моделі показано, що у комбінованої системи з ФАПЧ із цифровим фазовим детектором на основі напівсуматора секвент виграш у подавлені бічних складових спектру завжди більший за 20 дБ. Кодокерований напівсуматор секвент здатний забезпечити високу швидкість переналаштування з частоти на частоту, що не перевищує . Швидкість переналаштування такої системи синтезу ФАПЧ буде визначатися лише перехідними процесами у кільці ФАПЧ.

У третьому розділі розглядаються синтезатори секвентностей дворівневих сигналів. Запропоновано ряд схем для покращення якісних характеристик синтезаторів. Розглядаючи проблему збільшення динамічного діапазону синтезаторів секвентностей на базі накопичувального суматора, було запропоновано метод збільшення діапазон синтезу методом квадратурної обробки двох сигналів, що формуються у двох різних накопичувальних суматорах. Метод полягає у застосуванні двох акумуляторів фази, що працюють паралельно, а тактуються один по передньому, а другий по задньому фронтах вхідної тактової послідовності. Динамічний діапазон синтезованого сигналу зростає у два рази, проте кількість синтезованих секвентностей зменшується у 2 рази

Велика різноманітність методів часо-імпульсного перетворення створює проблему вибору оптимальної структури, яка б змогла ефективно працювати у реверсивному режимі роботи. З аналізу максимальних похибок часо-імпульсних пертворювачів синхронного та асинхронного типів було зроблено висновок про перспективність синхронних структур ЧІП у якості синтезаторів секвентності.

Для реалізації усіх переваг кодокерованих напівсуматорів секвент у розробках потрібно застосовувати надшвидкодіючі ІМС серій 1500 (ЕЗЛ), 6500 (КМОП, арсенід-галієві), які мають типові робочі частоти 500 МГц та 1,2 ГГц.

У четвертому розділі проведено розробку структурних схем синтезаторів частоти з точки зору перетворення дворівневих сигналів акумуляторів фази у гармонійні, розширення динамічного діапазону та підвищення якості синтезованого сигналу. Обґрунтовано варіант синтезатора у поєднання акумулятора фази із смуговим фільтром, який виділяє з вихідного коливання акумулятора фази гармонійну складовув

Амплітудно-частотна характеристика смугового фільтру повинна бути рівномірна в межах діапазону вихідним частот системи синтезу від до . Встановлено що рівень вищих гармонік по всьому діапазону переналаштування системи синтезу не перевищував допустимого рівня, потрібно обмежити ширину цього діапазону так, щоб у смугу пропускання смугового фільтру не повинні потрапляти компоненти більш високих гармонік. Швидкість перехідних процесів у синтезаторі при зміні частоти залежить від значень f1 і f2. За однакових абсолютних значень стрибка частоти перехідні процеси e(t) під час перебудови частоти вверх або вниз відрізняються тільки знаком. Найбільш сильні спотворення виникають після ввімкнення і вимикання пристрою, що працює в режимі синтезу максимальної частоти. З ростом порядку фільтра тривалість перехідних процесів збільшується, що ілюструють дані табл. 3, 4, де відповідає включенню сигналу з частотою , - переключенню частот з на , а - включенню коливань з максимальною частотою, дБ - нерівномірність амплітудно-частотної характеристики фільтру.

Встановлено, що більш тривалі спотворення сигналів виникають в обчислювальних синтезаторах з фільтрами Чебишева, ніж у синтезаторах з фільтрами Баттерворта, особливо за великих . Тривалість перехідних процесів при переключенні частот з на слабко залежить від значень і близька до максимального , що для фільтрів Баттерворта і Чебишева лежить відповідно в межах (1,04...4,25) Т и (1,25...7,5) Т.

Тривалість перехідних процесів під час зміни початкової фази визначаються як значенням стрибка фази , так і значенням синтезованої частоти . Під час регулювання початкової фази на високих частотах, близьких до , перехідні процеси будуть найбільшими. Тривалості перехідних процесів на частоті при зміні початкової фази приведені в таблиці 4.

З даних табл.4 випливає, що при стрибках фази в межах 90... 180° тривалість спотворень максимальна й істотно знижується лише у разі зменшення їх до 45°. Час перехідного процесу зменшується при зниженні порядку фільтра. При цьому варто пам'ятати, що зниження порядку приводить до зростання рівня гармонійних складових у спектрі вихідного сигналу.

Таблиця 3 Залежності тривалості перехідних процесів у синтезаторі частоти на основі кодокерованих напівсуматорів секвент в залежності від порядку фільтрів

Тривалість		Порядок фільтрів Баттерворта	Порядок фільтрів Чебишева (дБ)
		3	4	5	6	3	4	5	6
Т	0,25 0,5 0,75	0 0,25 0,5	0,5 0,75 2,5	0,75 2,5 3,0	1,25 3,0 3,5	0 0 0,75	0,25 1,5 2,0	1,0 2,5 3,0	1,75 3 5,25
	1,0	1,0	2,75	3,5	4,25	1,25	3,75	6,5	7,75
Т	0,25 0,5 0,75	1,0 1,0 0	2,75 1,5 1,5	3,5 3;5 2,55	4,25 4,25 4,25	1,25 0 0	3,75 2,5 2,25	6,5 6,5 6,5	7,75 7,75 7,75

Розроблено модифікований табличний метод. Встановлено, що для перетворення відліків фази у синусоїдальний сигнал може так саме як і для накопичувального суматора бути використаний табличний метод перетворення. Розглянуто табличний метод з точки зору застосування у синтезаторах на базі напівсуматорів секвент.

Проаналізовано рівні фазових та амплітудних шумів (шумів квантування) для систем синтезу табличним методом із акумулятором фази на основі кодокерованих напівсуматорів секвент. Рівні фазових та амплітудних шумів відповідно оцінюються за формулами

.

Для того, щоб отримати рівень амплітудного шуму достатньо мати

,

де k - кількість рівнів представлення фази сигналу, n - кількість рівнів представлення амплітуди.

Для отримання достатньо мати . Кожен додатковий розряд в квантуванні фази зменшує фазові шуми на , проте призводить до подвійного зростання пам'яті синтезатора.

Для ефективної роботи на високих частотах (у діапазоні ), за відсутності достатньої інформації для коректної апроксимації синусоїдальних сигналів за відліками, можливо застосовувати у DDS синтезаторах схем із застосуванням лінійних перетворень сигналів. Лінійні операції такі як зсув, додавання та множення на постійний коефіцієнт не призводять до спотворення частоти сигналів. Пристрій для зменшення рівнів побічних спектральних складових наведений на вхід якого поступає синтезована частота (секвентність) із акумулятора фази. Пристрій складається із елементів затримки на час - . Де , а , що формують трикутний сигнал. Трикутний сигнал є неперервною функцією і амплітуди гармонік його ряду Фур'є мають множник , тоді як прямокутні періодичні сигнали мають множник . Екстраполюючи цю залежність, отримаємо наступне правило: якщо N - номер останньої неперервної похідної сигналу, то спектр такого сигналу буде спадати із швидкістю . Граничним випадком є гармонійний сигнал.

Для перевірки працездатності системи проведемо моделювання у середовищі MatLab 6.0. Результати моделювання наведені, де представлені форми вихідних сигналів синтезатора на базі ЧІП у реверсивному режимі, форма вихідного сигналу після процесів зсуву та додавання.

Очевидно, що такий метод „згладжування” прямокутного сигналу дає відчутне подавлення найближчої гармонійної складової з 0,6 до 0,35 відносно носійної з рівнем 1. Ще більше подавлення відбувається у разі використання коефіцієнтів множення до кожного із затриманих у часі сигналів.

Запропоновано структурну схему синтезатора для реалізації цього методу,. На рисунку позначено RG - вхідний регістр та регістр проміжного результату, Pir - кодокерований напівсуматор секвент, ПЗП (sin) - постійний запам'ятовуючий пристрій із відліками функції синус, DC - дешифратор необхідної структури цифрокерованого фільтра, ПЗП(ЦФ) - постійний запам'ятовуючий пристрій коефіцієнтів цифро керованого фільтра, ЦФ - цифрокерований фільтр, Г - генератор опорної тактової послідовності.

Запропоновано модифіковану структурну схему синтезатора на ФАПЧ із кодокерованим синтезатором частоти у структурі фазового детектора, див.. Як показало моделювання застосування кодокерованого напівсуматора секвент, дає можливість отримати виграш у зменшенні побічних спектральних складових більший 18 дБ у порівнянні із системами на основі накопичуючого суматора.

У п'ятому розділі розглянуто практичні розробки та методики експериментальних досліджень синтезаторів секвентності, що підтвердили основні теоретичні положення роботи.

За результатами моделювання у середовищі MAX + plus II 10.0 BASELINE та експериментальної перевірки було встановлено, що із зростанням розрядності спостерігається явище зменшення максимальної можливої синтезованої секвентності.

Залежність максимально можливої секвентності (частоти), що може сформувати синтезатор на основі накопичувального суматора від розрядності цього синтезатора може бути описана формулою:

,

де: Nсум - розрядність суматора; ф - кодовий коефіцієнт, визначає залежність часу затримки від коду поданого на вхід синтезатора; k - коефіцієнт пропорційності, що характеризує елементну базу на котрій побудовано цифровий синтезатор прямого синтезу.

Синтезатор на основі накопичувального суматора за діапазоном синтезованих секвентностей в два рази поступається синтезатору на основі напівсуматорів секвент. Вихідні секвентності сигналів накопичувального суматора та напівсуматора секвент в залежності від вхідного коду представлені на одному графіку

Проведено моделювання системи синтезу з перетворювачем гармонійного сигналу типу модифікований CORDIC та системи ФАПЧ із кодокерованим напівсуматором секвент у системі MatLab, що підтвердило адекватність запропонованих моделей.

Розроблено методику метрологічної атестації синтезаторів секвентності. Принципово важливими параметрами систем синтезу є швидкість переналаштування та паразитне відхилення фази. Розроблено технічний комплекс для оцінки паразитного відхилення фази. Технічні характеристики приладів комплексу дозволяють використовувати їх у регулюванні, випуску і періодичній перевірці генераторів стандартних сигналів, синтезаторів секвентностей і т.д.

Висновки

1. На основі проведеного огляду та аналізу основних методів прямого синтезу секвентності встановлено, що існуючі методи прямого цифрового синтезу секвентності мають принципові обмеження, що не дозволяють використовувати синтезатори такого типу з одночасним збільшенням кроку розрядної сітки та величини синтезованої секвентності.

Встановлено, що для накопичувального суматора існує пилкоподібна залежність вихідної секвентності від вхідного коду K із максимумом на половині частоти опорного генератора.

2. Встановлено, що перспективним напрямком розвитку прямих цифрових синтезаторів частоти (DDS) є заміна акумулятора фази на основі накопичувального суматора акумулятором фази, що не використовує підсумовування кодів. Встановлено, що потенційна швидкодія фазочастотних синтезаторів досягає із збереженням кроку синтезу сітки частот. Запропоновано структуру фазочастотного синтезатора із розширеними вдвічі частотним діапазоном із застосуванням накопичувального суматора та кола фазової корекції, а також вказано на можливість його застосування для завдань високошвидкісного синтезу секвентності. Запропоновано структуру фазочастотного синтезатора із розширеними вдвічі діапазоном із застосуванням спарених накопичувальних суматорів. Проведена розробка базової структури синтезатора синусоїдального сигналу з акумулятором фази на основі напівсуматора секвент.

3. Отримано математичні моделі синтезаторів синусоїдальних сигналів на основі модифікованих методів табличного (логічного) та методу CORDIC. За фазові акумулятори синтезаторів обрано кодокеровані напівсуматори секвент, що показали можливість синтезу синусоїдальних сигналів із частотами, що обмежуються лише можливостями елементної бази (для модифікованого методу CORDIC), що дає можливість більш ефективно використовувати елементну базу до її максимальної частоти.

4. Встановлені найбільш ефективні діапазони використання синтезаторів на основі накопичувального суматора та кодокерованого напівсуматора секвент. Проведено аналіз розподілів коефіцієнтів гармонійних спотворень для синтезаторів на основі накопичувального суматора та на основі напівсуматора секвент. Встановлено, що накопичувальний суматор ефективно використовувати у діапазоні вхідних кодів .

5. Досліджено синтезатор сітки частот на фільтрах ПАХ з напівсуматором секвент у якості фазового акумулятора. Встановлено, що застосування напівсуматора секвент замість генератора коротких імпульсів дає виграш у 25 дБ. Застосування фільтрів на ПАХ робить перспективним застосування схеми у синтезатора частоти діапазоном до 2ГГц.

6. Розроблено однокристальний швидкодіючий синтезатор секвентності (частоти). Проведено моделювання його роботи у середовищі САПР MAX+PLUSII, які підтвердили що синтезатор досягає своїх теоретичних параметрів: максимальна синтезована секвента синтезатора досягає , не існує залежності зменшення максимальної синтезованої секвентності із зростанням розрядності, максимальні фазові стрибки вихідного сигналу складають не більше . Було розроблено робочу модель синтезатора на базі мікросхем ПЛІС фірми Altera EPM7128SLC84-7. Досягнуті технічні параметри роблять застосування синтезаторів подібного типу перспективними у радіовимірювальних засобах.

7. Розроблено метод метрологічної атестації синтезатора секвентності на основі кодокерованих напівсуматорів секвент. Запропоновано структурну схему вимірювачів паразитного відхилення фази та паразитного відхилення частоти сигналів, сформованих синтезатором секвентностей.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Полікаровських О.І. Дослідження методу формування ортогональних функцій на базі часо-імпульсних перетворювачів //Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2003. - №1. - С.195-198.

2. Полікаровських О.І. Новий спосіб синтезу функцій Уолша // Збірник наукових праць Київського національного університету технологій та дизайну. - 2003. - С.43-44.

3. Полікаровських О.І., Троцишин І.В Генератори секвентності сигналів та їх основні недоліки // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2004. - №1. - С.79-84.

4. Полікаровських О.І., Троцишин І.В. Порівняльний аналіз роботи синтезаторів на базі напівсуматорів секвент та накопичуючого суматора. //Вісник Технологічного університету Поділля. - №1. - 2005. - С.193-197.

5. Полікаровських О.І., Троцишин І.В. Методи формування квазігармонійних сигналів з дворівневих у цифрових синтезаторах частоти //Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології.-№2(8). - 2004. - С.147-153.

6. Полікаровських О.І.. Порівняльний аналіз синтезаторів частот прямого синтезу на базі накопичуючого суматора та часо імпульсного перетворювача //Збірник наукових праць МНТК „Науковий потенціал світу”. - Дніпропетровськ. - 2004. - С.38-40.

7. Полікаровських О.І., Троцишин І.В., Любчик І.В. Полікаровських О.І., Троцишин І.В Теорія вимірювання та перетворення фазочастотних параметрів радіосигналів (Принципи, методи, практичні застосування).// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2004. - №2. - С.158-175.

8. Полікаровських О.І. Однокристальний синтезатор гармонійних сигналів на основі модифікованого методу CORDIC //Вісник Технологічного університету Поділля. - №4. -Ч.1. - Т.1. - 2005. - С.169-172.

9. Полікаровських О.І Синтезатор гармонійних сигналів на основі модифікованого методу CORDIC //Матеріали Міжнародної конференції РТ-2005 „Радіотехніка”. - Севастополь. - 2005. - С.94.

10. Полікаровських О.І. Нові акумулятори фази у цифрових синтезаторах частоти//Матеріали І Міжнародної конференції „Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” (СПРТП-2005). - Вінниця. - 2005. - С.39-41.

Анотація

Полікаровських О.І. Швидкодіючі синтезатори секвентності на основі фазочастотних перетворень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.08 - радіовимірювальні прилади. - Вінницький національний технічний університет. - Вінниця, 2006.

Дисертацію присвячено розробці методів та пристроїв швидкісного формування секвентностей (частот).

Запропоновано метод формування сітки секвентностей (частот) дворівневих сигналів до тактової частоти опорного сигналу на основі фазо-частотної теорії. Розроблено модифікації методів перетворення дворівневий сигнал - гармонійний сигнал для акумуляторів фази на основі кодокерованих напівсуматорів секвент. Розроблено метод зменшення рівнів бічних складових у спектрі вихідного сигналу.

На підставі методу запропоновано та розроблено способи та ряд пристроїв для високошвидкісного синтезу сигналів. За робочим діапазоном синтезатори секвентності на основі кодокерованих напівсуматорів секвент переважають у 2 рази аналоги.

На основі програмного та апаратного забезпечення MAX + PLUS II “Altera” здійснено комп'ютерне моделювання та практична реалізація у програмованих логічних інтегральних схемах.

Ключові слова: синтез секвентностей, синтез частот, повний фазовий зсув, кодокерований напівсуматор секвент, функції Уолша, часо-імпульсні перетворювачі, фазочастотний синтезатор, програмована логічна інтегральна схема.

Annotation

Polikarovskykh O.I. High speed sequence synthesizer based on phase-frequency converters. - A Manuscript.

Thesis for obtain the scientific degree of the candidate of technical science on the speciality 05.11.08 - Measuring instruments. - Vinnytsia National Technical University. - Vinnytsia, 2006.

The thesis is devoted to development of methods and devices of high speed sequence (frequency) synthesis.

The method of the formation of the net of the sequences (frequencies) two-level signal to the clock frequency of the basis signal on the base of the phase-frequency theory was proposed. The modifications of the methods of the transformation of two-level signals - harmonica signal for the accumulations of the phase on the base of code control half-adder of the sequences was developed. The method of increasing the levels of the side components in the spectrum of the output signal was proposed.

The line and several devices for high speed synthesis of the signals were proposed and developed on the base of the method.

The synthesizer of the sequency on the base the code controlled half-adder sequences predominated their analogues by a factor of two for the work range.

On the basis of the software MAX + PLUS II "Altera" the computer simulation and practical implementation in programmed logical integrated circuits FPGA are realized.

Keywords: frequency synthesis, phase-frequency synthesizer, function Walsh, binary- dirigible half-sum adder, programmed logical integrated circuit.

Аннотация

Поликаровских А.И. Быстродействующие синтезаторы секвентности на основе фазочастотных преобразований. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.08 - радиоизмерительные приборы. - Винницкий национальный технический университет. - Винница, 2006.

Диссертация посвящена разработке методов и устройств измерения девиации частоты на основе фазочастотной обработки измерительной информации.

Анализ известных отечественных и зарубежных методов и устройств синтеза частоты показал, что на сегодняшний день не существует метода синтеза секвентности (частоты) с динамическим диапазоном до тактовой частоты опорного генератора.

Разработан цифровой метод синтеза секвентности высокого быстродействия, который основывается на понятии полного фазового сдвига, динамический диапазон которого достигает тактовой частоты, а фазовые переходы между соседними значениями фазы имеют интервал меньший .

Разработан модифицированный метод на основе метода тригонометрических преобразований CORDIC, который позволяет синтезировать гармонический сигнал из отсчетов аккумулятора фазы на основе кодоуправляемых полусумматоров секвент.

Модификация метода позволила существенно уменьшить погрешности синтеза, использовать его для синтеза гармонического сигнала на частотах выше рабочих частот современных ЦАП.

Разработан новый способ синтеза функций Уолша время-импульсными преобразователями в реверсивном режиме работы, что позволяет строить синтезаторы секвентности небольшой разрядности с высокими значениями скорости переключения и минимальными габаритами. Предложенный метод позволяет минимизировать паразитную модуляцию которая возникает в генераторах функций Уолша на комбинационных элементах.

Проведено усовершенствование метода цифрового ФАПЧ путем введения в структуру обратной связи вместо ДПКД (делителя с переменным коэффициентом деления) кодоуправляемых полусумматоров секвент, что обеспечивает расширение полосы захвата ФАПЧ в 2 раза и подавление паразитных спектральных составляющих на 20 дБ.

На основе предложенного метода предложен и разработан способ синтеза сетки гармонических сигналов на основе фильтров на ПАВ с кодоуправляемым полусумматором секвент в качестве генератора опорного колебания, что дает возможность использовать такие синтезаторы на частотах до 2 ГГц.

На основе программного обеспечения MAX + PLUS II “Altera” и MatLab 6.5 осуществлено компьютерное моделирование для всех предложенных схем. Для проверки правильности функционирования разработаны алгоритмы и программы получения тест-векторов MAX + PLUS II. На основе тест-векторов проведена проверка работоспособности и метрологический анализ предложенных схем на этапе проектирования для разных конфигураций структур. Предложенный способ синтеза реализован в структуре программируемых логических интегральных схем фирмы “Altera” EPM7128SLC84-7.

Ключевые слова: синтез секвентностей, синтез частот, полный фазовий сдвиг, кодоуправляемый полусуматор секвент, функции Уолша, время-импульсные преобразователи, фазочастотный синтезатор, программируемая логическая интегральная схема, фазочастотный синтезатор, программируемая логическая интегральная схема.

Размещено на Allbest.ru