Используя технологию Interpolated DDS, решаются такие проблемы, как искажение пропускной способности фильтра фильтра и искажения интермодуляции полосы пропускания, что повышает производительность.
ДЕРЕК ПЕСНЯ, Siglent Technologies America
www.siglent.com
Термин «Interpolated DDS Technique», используемый для описания принципа работы некоторых современных генераторов сигналов, может быть незнакомым или запутанным для некоторых инженеров, даже опытных пользователей генераторов функций. Чтобы объяснить смысл этого термина и обсудить его преимущества, давайте сравним традиционный прямой цифровой синтез (DDS) с Interpolated DDS.
Традиционный и интерполированный
В базовой конструкции традиционной технологии DDS (рис.1) данные цифровой волны выводятся с интервалами, определяемыми частотой опорных часов схемы DDS. Каждый из этих выборок дискретных данных затем преобразуется последовательно цифро-аналоговым преобразователем с использованием тех же часов. То есть в традиционной структуре DDS часы для DDS и для D / A преобразователя работают с одинаковой частотой.
Рисунок 1: В традиционной структуре DDS выход схемы DDS, управляемой опорным тактовым импульсом, подается на цифровой преобразователь, управляемый теми же часами. Выход D / A сглаживается фильтром восстановления.
Выход D / A-преобразователя затем подается в фильтр восстановления, который сглаживает дискретные значения шага выхода D / A для получения более непрерывного «аналогового» сигнала.
В интерполированной системе DDS (рис.2) основное различие заключается в том, что интерполятор вставлен между схемой DDS и цифроаналоговым преобразователем. В этой структуре данные цифровых сигналов выводятся в ответ на опорный тактовый сигнал схемы DDS, интерполированный некоторым числовым коэффициентом I, что, таким образом, увеличивает число дискретных выборок данных цифровой волны в I раз.
Рисунок 2: Структура Interpolated DDS-системы включает в себя два дополнительных элемента: цикл с фазовой автоподстройкой (PLL) и интерполятор, показанный здесь зеленым цветом.
Полученные цифровые данные затем превращают в D / A, который в настоящее время с тактовой частотой посредством тактового сигнала дискретизации, частота которого «Я» разы частоты опорного тактового сигнала DDS. Как и в случае традиционного DDS, к выходу преобразователя D / A применяется фильтр реконструкции.
Как реальный пример того, как это работает, рассмотрим технологию Interpolated DDS, применяемую в Siglent SDG2000X. SDG2000X использует коэффициент интерполяции (I) 4, а так как опорная тактовая частота схемы DDS SDG2000X составляет 300 МГц, частота часов выборки D / A увеличивается до 1, 2 ГГц. Таким образом, D / A выдает при частоте дискретизации 1, 2 Gsamples / s.
Превышение предела пропускной способности
Хотя в предыдущих параграфах объясняются механики метода интерполированной выборки, остается вопрос: «Зачем использовать эту уникальную методику выборки?». Чтобы ответить, давайте сначала сделаем сравнение результатов D / A во временной области с использованием двух выборочных ставок.
Рассматривая выходную форму сигнала D / A, интерполированная частота дискретизации 1, 2-Gsamples / s приводит к меньшим шагам (более высокое разрешение), чем к такту дискретизации 300-Msamples / s (рис.3).
. Рисунок 3: Интерполятор увеличивает количество выборок, отправленных на D / A от коэффициента I, работающий на тактовой частоте дискретизации, созданного PPL, который раз я основной ДДС частоты опорного тактового; для случая, показанного выше, I = 4.
Вы можете подумать: «Если обе формы волны должны пройти через фильтр восстановления, чтобы сгладить шаги, тогда частота выборки не должна иметь значения». Но размер шага влияет на окончательный сглаженный сигнал.
Чтобы получить более четкое представление о том, почему, давайте посмотрим на две формы волны в частотной области. Рассмотрим пример, в котором синусоидальная волна с частотой 80 МГц (f out) создается традиционным DDS с использованием D / A, синхронизированного на частоте дискретизации (f s) 300 МГц. Спектр выхода D / A (рис.4) включает в себя основную частоту (f out) и частоты ее изображения (N xf s) ± f out, где N = 1, 2, …. Амплитуды всех компонентов спектра соответствуют огибающей sin (x) / x.
Рисунок 4: На приведенной выше диаграмме показан спектр формы волны 80 МГц, созданный традиционным DDS с аналого-цифровым преобразователем 300 Msamples / s.
Чтобы сгладить форму волны, фильтр реконструкции должен идеально отфильтровать все частоты изображения, расположенные вне полосы, от 0 Гц до половины частоты дискретизации, то есть за пределами полосы частот Найквиста, и сохранить все сигналы, частоты которых расположены в полосе частот Найквиста, Другими словами, частотный отклик фильтра должен совпадать с шириной полосы Найквиста (заштрихованная область на рисунке 4). В этом случае максимальная частота сохраняемых сигналов может достигать предела Найквиста (т. Е. Половины частоты дискретизации).
Конечно, в технике идеальный фильтр с ответом «кирпичная стена» (полное затухание сигнала выше определенной частоты без ослабления до этой частоты) не существует. В реальном мире фильтры фактически имеют некоторую степень сползания. (Обратите внимание, что на рисунке 4 ближайшее изображение происходит на частоте 220 МГц, поэтому для наклона спуска, показанного синим цветом, спуск должен начинаться с 140 МГц, чтобы обеспечить максимальное затухание.)
Но если выходной сигнал имел частоту 149, 5 МГц, а не 80 МГц, то ближайшее изображение было бы на уровне 150, 5 МГц (1f s - f out), а пространство, оставшееся для сползания, было бы 1 МГц, причем практически без кирпичной стены фильтр и не реализуется. Как правило, предел пропускной способности фильтра восстановления составляет 40% от частоты дискретизации. Таким образом, для 300-Msamples / s D / A максимальная доступная выходная частота будет составлять 120 МГц.
На фиг.5 нанесены два спада, рассчитанных для фильтра эллиптической реконструкции девятого порядка. Разница в том, что расчет для графика слева использует идеальные компоненты, а один справа использует компоненты реального мира с паразитными параметрами. Как показано, реальный фильтр имеет затухание ~ 3 дБ на угловой частоте (120 МГц), а его характеристики ослабления на частоте среза стоп-диапазона (~ 180 МГц) ухудшаются (~ 18 дБ).
Рисунок 5: График рассчитанных характеристик фильтра эллиптической реконструкции девятого порядка с идеальными компонентами (слева) существенно отличается от графика с использованием реальных компонентов с паразитными параметрами.
Кроме того, огибающая sin (x) / x самого ответа D / A добавит ослабление сигнала. При 40% часов выборки затухание, вызванное D / A, составляет около 2, 4 дБ. Для компенсации этого затухания обычно необходим обратный фильтр sin (x) / x.
Теперь рассмотрим случай для Interpolated DDS, который использует частоту дискретизации для D / A 1, 2 ГГц (1, 2 Gsamples / s) для получения сигнала 80 МГц. Ближайшее изображение составляет 1, 12 ГГц (1, 2 ГГц - 180 МГц), поэтому максимальный спад фильтра реконструкции может составлять 1, 04 ГГц (рис.6), а конструкция фильтра реконструкции значительно упрощена (рис.7).
Рисунок 6: для вышеупомянутого спектра выхода на 80 МГц форма волны генерировалась с использованием интерполированного генератора DDS с 1, 2-Gsamples / s цифроаналоговым преобразователем; обратите внимание, как можно отключить сканирование фильтра восстановления.
Рисунок 7: Реальная конструкция фильтра реконструкции с откатностью от 120 МГц до 1, 08 ГГц намного проще, чем одна с откатом от 120 до 180 МГц.
С другой стороны, по мере увеличения ширины основного лепестка огибающей sin (x) / x затухание, вызванное D / A, уменьшается. На 120 МГц затухание, вызванное 1, 2-Gsamples / s D / A, составляет около 0, 14 дБ, что в большинстве случаев можно игнорировать. Следовательно, не требуется обратная фильтрация sin (x) / x.
Исходя из вышесказанного, из-за пределов фильтра реконструкции 300-Msamples / s D / A может выводить только максимальную частоту 120 МГц. Но 1, 2-Gsamples / s D / A может достичь более высокого верхнего предела частоты. Конечно, в интерполированной структуре DDS цифровой фильтр в интерполяторе будет ограничивать частоту Nyquist-предел DDS-часов (например, 150 МГц), но цифровой фильтр намного проще проектировать, чем аналоговый фильтр восстановления. Используя интерполированный DDS, легко поднять верхний предел выходной частоты от 120 МГц до 130 МГц или более.
Избегайте шпоры
Посторонние сигналы из-за интермодуляционных искажений неизбежны в цифроаналоговом преобразователе. В традиционной структуре DDS трудно удалить некоторые компоненты интермодуляционных искажений, называемые шпорами, между часами и выходным сигналом, такими как шпоры в f s - 2f out и f s - 3f out. При выходной частоте 120 МГц и частоте дискретизации 300 мс / с искажение f s - 2f для традиционного DDS происходит, таким образом, на частоте 60 МГц (рис.8), попадая, таким образом, в полосу пропускания фильтра восстановления. Его нельзя удалить.
Рис. 8: интермодуляция искажение между частотой генерируемого выходного сигнала и частоты опорного тактового не может быть отфильтрован, если он находится в пределах полосы Найквиста.
Но с интерполированной структурой DDS с I = 4, для частотного выхода 120 МГц и 1, 2 Gsamples / s компоненты искажения f s - 2f out находятся на частоте 960 МГц, а f s - 3f out на частоте 840 МГц, далеко за пределами реконструкции полоса пропускания фильтра. Поэтому в случае интерполяции DDS шпоры не влияют на окончательный выходной сигнал.
Рекомендации
- Analog Devices, Техническое руководство по синтезу цифровых сигналов, //www.analog.com/media/cn/training-seminars/tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev12-2-99.pdf
- AV Oppenheim, RW Schafer, JR Buck, Обработка сигналов с дискретным временем, 2- е издание, //ie.u-ryukyu.ac.jp/~asharif/pukiwiki/index.php?plugin=attach&refer=Frontiers%20of%20Engineering&openfile= Discrete. Time. Signal. Processing.2nd. Ed. Oppenneim.pdf
DEREK SONG, Siglent Technologies, www.siglent.com