. (5)
Код В поступает на первый вход сумматора 4, на второй вход сумматора 4 поступает код Hi с выхода третьего регистра памяти 10.
Код суммы S на выходе сумматора 4 изменяется по формуле:
. (6)
Результат суммирования S с выхода сумматора 4 поступает на вход преобразователя кодов 5, где происходит преобразование код S - sin(S). Далее код синуса sin(S) поступает на вход ЦАП 6, на выходе которого формируется ступенчатый сигнал «синусоидальной» формы, который подается на ФНЧ 7. Фильтр нижних частот 7 имеет частоту среза , где - тактовая частота и пропускают на выход синтезатора только первую гармонику сформированного сигнала.
Если принять, что - начальная фаза, - начальная частота; - скорость изменения частоты синтезируемого сигнала, - период следования тактовых импульсов, то тогда на выходе ФНЧ 7 формируется сигнал, амплитуда которого изменяется по формуле:
, (7)
где Um - амплитуда сигнала,
- начальная частота синтезируемого сигнала,
- скорость изменения частоты синтезируемого сигнала,
- начальная фаза синтезируемого сигнала,
Таким образом, задавая коды: начальной частоты - Ci, код начальной фазы - Hi, код Dk, определяющий скорость изменения частоты, можно управлять начальной фазой, частотой и скоростью изменения частоты синтезируемого сигнала.
ЦВС - схема электрическая принципиальная
Цифровой вычислительный синтезатор (рис.4) содержит:
Модулятор, предназначенный для преобразования двоичных данных, поступающих на входные порты по протоколу USB 2.0 (разъем X3) или IEE 802.3/Ethernet (разъем X11) с внешнего устройства (персональный компьютер или любое другое внешнее устройство, поддерживающее упомянутые стандарты передачи данных), в модулированные сигналы, формирующиеся на выходах X7, X8, X9, X10.
Напряжение питания схемы 5В, ток потребления до 2А. Схема может питаться через внешний разъем низковольтного питания X1, либо через разъем X3, предназначенный для подключения по USB, которые выбираются переключателем SA1. О наличии напряжения питания сигнализирует светодиод VD4. Поскольку в модуляторе имеются цепи, требующие напряжений питания +1,8В, +3,3В и +5В, то схема питания содержит стабилизатор на +3,3В на основе микросхемы М2 1309ЕН3,3Т, а также стабилизатор на +1,8В на основе микросхемы М3 1309ЕН1,8Т.
Основу ц.в.с. составляет микросхема М1 32-разрядного микроконтроллера 1986ВЕ91Т с ядром ARM Cortex-M3, управляющая микросхемой М6 1508ПЛ8Т - цифрового вычислительного синтезатора.
Ц.в.с. построен по схеме, содержащей шину адреса, шину данных, а также шину управления, которая идет от микроконтроллера М1 к синтезатору М6, а также к контроллеру М13 локальной вычислительной сети уровня звена данных протокола IEE 802.3/Ethernet.
Шина адреса 16-разрядная, шина данных 16-разрядная, шина управления включает себя сигналы чтения RD, записи WR, а также выборки. Выборку кристалла среди микросхем М6 и М13 осуществляет дешифратор М6 в зависимости от выставляемого микроконтроллером М1 адреса на шине адреса.
В задачи микроконтроллера входит инициализация и управление микросхемой М6, инициализация М13, обмен данными по USB и по Ethernet, отсчет реального времени, вывод состояния модулятора на светодиоды индикации VD5, VD6. Для организации резервного питания внутренней схемы, ведущей отсчет реального времени в составе М1, реализовано подключение к разъему-держателю X5 батареи типа CR2032 через схему на диодах Шоттки VD1.1 и VD1.2 на случай отключения внешнего питания. Для отсчета реального времени к микроконтроллеру М1 подключена схема внешнего кварцевого резонатора ZQ1, настроенная на частоту 32768 Гц. Тактирование микроконтроллера М1 внутреннее с внешним подключением кварцевого резонатора ZQ2 на 16 МГц. Разъем X4 предназначен для программирования М1. Микроконтроллер поддерживает обмен данными по протоколу USB 2.0, поэтому разъем X3 для организации передачи по USB 2.0 подсоединен напрямую к микроконтроллеру М1. Предельная скорость передачи порта USB 12 Мбит. Для электростатической защиты входов микроконтроллера М1 к линиям данных шины USB подсоединена диодная сборка VD2. Светодиод VD3 предназначен для индикации внешнего подключения хоста к схеме ц.в.с. по интерфейсу USB 2.0.
Поскольку микросхема М13 работает при напряжении +5В, а микроконтроллер М1 работает при напряжении +3,3В, то для корректного обмена данными между М1 и М13 необходимо согласование напряжений логического нуля и логической единицы по уровню. Для этого в схеме модулятора присутствуют буферы, М7, М8, М9, М10, М11, М12, которые согласуют шину адреса (М7, М8), шину данных (М9, М10), сигналы чтения RD, записи WR, выборки CS2 (М8). Кроме того, для увеличения скорости передачи данных по ЛВС Ethernetна микроконтроллер М1 с микросхемы М13 через согласующий буфер М11 заведены сигналы прерывания LANIRQ, а также готовности LANRDY. Вход перезагрузки М13 соединен с выходом микросхемы М1. Тактирование микросхемы М13 внутреннее с подключением внешнего кварцевого резонатора ZQ2, Предельная скорость передачи порта Ethernet 10 Мбит.
Микросхема М6 представляет собой двухканальный цифровой вычислительный синтезатор. Обеспечивает формирование гармонических квадратурных колебаний и сигналов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ), амплитудно-фазовой (QAM), частотной и фазовой манипуляцией (ЧМ и ФМ) на частоте дискретизации до 1 ГГц.
Выходные сигналы М6 поступают на разъем X7 без фильтрации для канала 1, на разъем X9 с выхода схемы фильтрации для канала 1, на разъем X8 без фильтрации для канала 2, на разъем X10 с выхода схемы фильтрации для канала 2. Источник частоты дискретизации внешний, подключаемый к М6 через коаксиальный разъем X5. Управление синтезатором М6, а также загрузка кодов частоты и фазы с М1 осуществляется через 16-разрядные шины адреса и данных, либо через SPI. Выбор профилей для синтеза сигналов осуществляется через выделенные шины управления, каждая из которых содержит сигналы SEL10, SEL11, SEL12, SEL13,SEL14,SEL15 для 1 канала и сигналы SEL20, SEL21, SEL22, SEL23,SEL24,SEL25 для 2 канала соответственно. Синхронизация работы модулятора с внешними устройствами осуществляется сигналом, поступающим от внешних устройств на разъем X2.
Схема ц.в.с.. работает следующим образом. При включении питания происходит инициализация микроконтроллера М1, инициализация синтезатора М6, инициализация М13. При инициализации М1 происходит инициализация портов, инициализация USB, инициализация интерфейса SPI для связи c М6. Далее микроконтроллер М1 инициализирует М6, записывая во внутреннюю память стандартные профили, которые хранятся во внутренней EEPROM микроконтроллера М1. Затем микроконтроллер М1 производит настройку М13 на прием и передачу данных по параллельной шине. Схема готова к приему внешних сигналов, среду которых могут быть внешние сигналы по USB, внешние сигналы по Ethernet, внешние сигналы синхронизации. По приходу пакета данных по USB или Ethernet микроконтроллер М1 выделяет из пакета команду и данные, обрабатывает их и выполняет соответствующие действия.
По приходу внешнего сигнала синхронизации с разъема X5 синтезатор осуществляет немедленную генерацию сигналов по заранее запрограммированному сценарию.
Рис.4. Цифровой вычислительный синтезатор сложных широкополосных сигналов. Схема электрическая принципиальная
Основные технические параметры ЦВС:
Тактовая частота: 800 МГц,
Диапазон частот формируемых сигналов: 0,001 - 200 МГц,
Шаг перестройки частоты: 1,5 * 10-6 Гц,
Разрядность накопителя частоты: 48,
Разрядность накопителя фазы: 48,
Разрядность ЦАП: 10,
Амплитуда выходного сигнала: 300 мВ,
Виды модуляции сигналов: амплитудная (АМ), частотная (FSK),
фазовая (PSK),
Уровень амплитудных шумов: менее - 60 дБ/В,
Напряжение питания периферии 3,3 В.
Напряжение питания ядра 1,8 В.
Цифровой вычислительный синтезатор 1508ПЛ8Т имеет два канала синтеза выходных сигналов, поэтому, задавая коды начальной фазы в первом и втором канале, отличающиеся на 900, можно сформировать квадратурные частотно-модулированные сигналы, которые можно описать формулой (7). Далее они через согласующие трансформаторы поступают на ФНЧ, имеющие частоту среза 300 МГц, где происходит выделение только первой гармоники синтезируемых сигналов и подавление гармоник высших порядков. Данный ЦВС обладает широкими функциональными возможностями, позволяет синтезировать сигналы с амплитудной, частотной и фазовой модуляцией; управление ЦВС осуществляется программой, предварительно записанной в микроконтроллер М2.
Заключение
Сравнительный анализ современных методов синтеза частот и сигналов показал, что наиболее перспективным для радиотехнических и телекоммуникационных систем, является метод прямого цифрового синтеза, который обладает следующими преимуществами: высокой технологичностью и надежностью, малым шагом по частоте, высокой скоростью перестройки частоты при непрерывности фазы формируемых колебаний, способностью формирования сложных сигналов, хорошей повторяемостью параметров при тиражировании.
Предложенный 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 ЦВС может быть использован в качестве возбудителя передатчиков и гетеродинов приемников современных адаптивных систем КВ и УКВ связи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, что позволит увеличить помехоустойчивость и надежность сеанса связи, а также в аппаратно-программном радиокомплексе для дистанционного зондирования ионосферы Земли для получения амплитудно-частотных и дистанционно-частотных характеристик радиолиний.
Литература
1. Ямпурин Н. П. Формирование прецизионных частот и сигналов: Учеб. пособие / Н. П. Ямпурин, В. В. Болознев, Е. В. Сафронов, Е. Б. Жалнин. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 2003. - 187 с.
2. Белов Л.А. Формирование стабильных частот и сигналов. М.: ИЦ «АКАДЕМИЯ», 2005.
3. Рябов И. В. Цифровой синтез прецизионных сигналов: Монография / И. В. Рябов. - Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2005. - 152 с.
4. Рябов И.В. Цифровые синтезаторы частотно-модулированных сигналов // Приборы и техника эксперимента, 2001. № 2. С.62-69.
5. Рябов И.В. Цифровой синтезатор с V-образным законом изменения частоты // Приборы и техника эксперимента, 2006, № 3. С. 88-90.
6. Ryabov I.V. Digital Synthesizers of Frequency-Modulated Signals // Instruments and Experimental Techniques. V. 44. № 2. 2001. P.62-68.
7. Ryabov I.V. Digital Calculating Synthesizer with V-shaped Law Of Frequency Change // Instruments and Experimental Techniques. V. 49. №3. 2006. P.376-378.
8. Рябов И.В. Метод прямого цифрового синтеза прецизионных сигналов // Радиотехника, 2006. № 9. С.14-17.
9. Патент № 2058659 Российской Федерации МКИ Н03В 19/00. Цифровой синтезатор частот / Рябов И.В., Фищенко П.А. Заявл. 23.09.93. Опубл. 20.04.1996. Бюл.№ 11. 4 с.
10. Патент № 2490789 Российской Федерации МПК Н03L 7/18. Цифровой синтезатор фазомодулированных сигналов / Рябов И.В., Дедов А.Н., Толмачев С.В. Заявл. 18.07.2012. Опубл. 20.08.2013. Бюл.№ 23. 7 с.
11. Vankka, J. Direct digital synthesizers Theory and Application// Proc. Int. Symp. Circuits and Systems ISCAS'03. - 2006. - 210 p.
12. Wang, C.-C. Phase-Adjustable Pipelining ROM-Less Direct Digital Frequency Synthesizer With a 41.66-MHz Output Frequency / C.-C. Wang, J.-M. Huang, Y.-L. Tseng // Circuits and Systems II: Express Briefs, IEEE Transactions. - 2006. - V.53. - P.1143-1147.