Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

МОДЕЛЬ УПРАВЛЯЕМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ В ORCAD

Кузьмин Е.В. 1 Зограф Ф.Г. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)
В статье описывается выполненная реализация технологии прямого цифрового синтеза (DDS) сигналов в системе схемотехнического проектирования OrCAD. Предлагаемая методика позволяет формировать сигналы, структурно идентичные сигналам на выходе цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) реальных систем с DDS. Сформированные сигналы обеспечивают исследование их преобразований в различных радиочастотных трактах, используя все возможности аналогово-цифрового моделирования системы OrCAD. В качестве примера использована модель модулятора сигналов с минимальной частотной манипуляцией (MSK), построенная на основе структуры DDS. Приведена схема, описано функционирование и представлены результаты симуляции разработанной модели: цифровые и аналоговые сигналы, спектр выходного сигнала. Представленная модель адекватно воспроизводит основные свойства цифрового синтезатора на основе DDS и проста в настройке. Для управления формой синтезируемого сигнала (в пределах заданной разрядности), как и в реальных системах с DDS, достаточно изменить значения в таблице отсчетов сигнала и коды частот.
МЧМ
минимальная частотная манипуляция
PSpice
OrCAD
схемотехническое моделирование
прямой цифровой синтез
1. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Шестопалов В.И. Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью / под ред. В.И. Борисова. - М. : РадиоСофт, 2011. – 550 с.
2. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М. : Радио и связь, 1985. - 384 с.
3. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. Параметризованная модель генератора псевдослучайных последовательностей в OrCAD [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона. - 2013. - № 2. - URL: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1766 (дата обращения: 28.02.2014).
4. Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г., Вепринцев В.И., Былкова Г.К., Бауточко А.В. Анализ частотных характеристик полосно-пропускающего фильтра в составе программно-аппаратного комплекса перспективной радионавигационной системы [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2. - URL: www.science-education.ru/108-8730 (дата обращения: 28.02.2014).
5. Ридико Л.И. DDS: прямой цифровой синтез частоты // Компоненты и технологии. - 2001. - № 7. - С. 50-54.
6. Рябов И.В., Юрьев П.М. Системы синтеза частот и сигналов как основные функциональные узлы современных радиоэлектронных средств // Вестник МарГТУ. Серия Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. - 2009. - № 2. - С. 22-34.
7. Goldberg B-G. Digital frequency synthesis demystified. - LLH Technology Publishing, 1999. - 336 p.
8. Kuzmin E.V. Development and experimental investigation of digital MSK-signal receiver // IX International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON – 2011). Proceedings. – Krasnoyarsk : Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, September 15−16. - 2011. - P. 67-70.
9. Tobin Р. PSpice for Digital Communications Engineering. - Morgan & Claypool, 2007. - 214 p.
10. Vankka J., Halonen K. Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Applications. - New York: Springer-Verlag, LLC, 2001. - 216 p.

Введение

Технологии прямого цифрового синтеза (DDS – Direct Digital Synthesis) частоты получили широкое распространение и применяются в устройствах формирования и обработки сигналов в самых разнообразных отраслях промышленности [6].

Генераторы сигналов на основе DDS реализуют аппаратными или аппаратно-программными средствами, c использованием: ПЛИС, специализированных микросхем DDS, микроконтроллеров. При этом применяют различные средства моделирования и отладки: компьютерное имитационное моделирование на языке VHDL, макетные платы и отладочные наборы, прикладное программное обеспечение производителей микросхем DDS (например, интерактивный программный инструмент ADIsimDDS компании Analog Devices).

Одновременно с этим существует необходимость, еще на этапе проектирования, оценить влияние аналоговых узлов (фильтров, усилителей и т.п.) на качество работы систем с DDS, в частности радиоэлектронных систем, использующих сложные сигналы [1-4]. Обозначенную задачу удобнее и проще решать с помощью пакетов, имеющих в своем составе средства схемотехнического моделирования, для чего, прежде всего, необходимо сформировать требуемые сигналы.

Сигнал на выходе генератора DDS имеет сложную структуру, в общем случае – это квантованный сигнал (результат работы ЦАП), огибающая которого должна соответствовать заданной форме. Кроме того, в системах радиосвязи и радионавигации форма сигнала зависит от используемого вида модуляции. Построение гибкой аналитической модели такого сигнала, учитывающей разрядность, быстродействие, динамический диапазон ЦАП и закон модуляции несущей, приводит к весьма громоздкому результату.

Наиболее просто получить точную модель сигнала DDS-модулятора можно на основе схемотехнической модели. Одним из лидеров в области схемотехнического моделирования является пакет OrCAD, в состав которого входит большое число инструментов для моделирования как аналоговых, так и цифровых устройств [9].

Актуальной представляется задача синтеза сигнала непосредственно в OrCAD, что предпочтительнее с позиций реализации как можно большего числа этапов проектирования на одной программной платформе и возможности отказа от привлечения иных пакетов программ.

Покажем на примере модели цифрового модулятора MSK-сигналов схемотехническую реализацию алгоритма DDS средствами OrCAD.

MSK-сигналы (Minimum Shift Keying – минимальная частотная манипуляция) можно представить, как частный случай частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой (ЧМНФ) при индексе манипуляции, равном 0,5. На каждом интервале времени сигнал имеет постоянную огибающую и одну из двух возможных частот , здесь
– центральная частота спектра сигнала, T – длительность элемента модулирующей символьной последовательности. MSK-сигналы находят широкое применение в современных системах радиосвязи и перспективных радионавигационных системах [8].

Структура и параметры модели

Наиболее распространенная [5-7; 10] на сегодняшний день структура DDS гармонического сигнала (рис. 1) включает следующие основные блоки: аккумулятор фазы (накапливающий сумматор), преобразователь выходного кода аккумулятора фазы в коды мгновенных значений амплитуды сигнала (обычно ПЗУ, содержащий таблицу отсчетов сигнала), ЦАП. Описание принципов работы приведенной структуры DDS приведено, например, в [5].

Рис. 1. Структура DDS

Для примера использована структура DDS сравнительно небольшой разрядности. Разрядность ЦАП – 8 бит, тогда в ПЗУ необходимо иметь отсчетов сигнала. Разрядности адресной (k) и выходной шины (p) ПЗУ также 8 бит. Разрядность аккумулятора фазы составляет 16 бит, таким образом, n – разрядности шин сумматора, регистра и разрядность «кода частоты» - также 16 бит. Тактовая частота DDS – 250 МГц.

Параметры генерируемого сигнала: MSK-сигнал единичной амплитуды, МГц, мкс, тогда верхняя и нижняя частоты сигнала равны соответственно 1,25 МГц и 0,75 МГц, входной модулирующий сигнал – псевдослучайная последовательность (ПСП) [3] структуры М{14, 10, 06, 01}.

Выходная частота DDS определяется по формуле [5]:

 (1)

где M – «код частоты», модуль счета аккумулятора фазы, – тактовая частота DDS, n – разрядность аккумулятора фазы.

В соответствии с (1), «коды частот»: для «верхней» частоты MSK-сигнала – и – для «нижней» частоты.

Разрешение по частоте составит: кГц.

Конечно, MSK-модулятор, построенный на DDS такой разрядности, будет недостаточно точный для большинства задач связи и радионавигации, и его выходной сигнал будет иметь значительные скачки фазы. Однако использование DDS с описанными параметрами в качестве демонстрационного примера, для компактного представления основной идеи, вполне оправданно.

Реализация модели

Регистр (рис. 2а) в составе аккумулятора фазы построен из двух восьмиразрядных регистров (модель регистра – 74273, библиотека «EVAL»). На входы CLK поступает тактирующая последовательность (сигнал тактовой частоты DDS).

Сумматор (рис. 2б) аккумулятора фаз реализован на стандартных элементах «ADD8» библиотеки «DIG_PRIM». Выход переноса – COUNT, вход расширения CIN.

а  б

Рис. 2. Шестнадцатиразрядные регистр (а) и сумматор (б) в OrCAD

Вся модель MSK-модулятора на основе DDS показана на рис. 3.

Цифро-аналоговое преобразование реализовано элементом «DAC8break» (на схеме U3) из библиотеки «BREAKOUT», представляющим собой восьмиразрядный ЦАП. Источник V1 задает опорное напряжение ЦАП, а V2 - необходимое смещение для получения двухполярного сигнала (в приведенном примере размах выходного напряжения ЦАП составляет ±1 В).

В качестве элемента памяти DDS-модулятора (на схеме U2) использована модель ПЗУ (элемент «ROM32KX8break», библиотека «BREAKOUT»), которая позволяет считывать значения отчетов колебания либо из HEX-файла, либо непосредственно из spice-модели элемента. Для хранения таблицы с отсчетами использовано 8 бит младших адресов ПЗУ.

Иерархические блоки SUM16 и REG16 (рис. 3) это, соответственно, сумматор и регистр в составе аккумулятора фазы (схемы показаны на рис. 2). Сам аккумулятор имеет 16 разрядов, для адресации к таблице отсчетов использованы 8 старших бит шины. Регистр тактируется синхроимпульсами от источника CLK (элемент «DigClock», библиотека «SOURCE»), частота следования импульсов – 250 МГц (тактовая частота DDS).

Еще один элемент «ROM32KX8break» (на схеме U1) использован для хранения «кодов частот». В ПЗУ занято две 16-битные ячейки, содержащие значение модуля счета аккумулятора фазы для верхней и нижней частоты MSK-сигнала. Для адресации используется 1 бит. Переключением «кодов частот» (сменой адресса в ПЗУ) управляет источник PSP_test (элемент «DigStim», библиотека «SOURCSTM»), считывающий модулирующую символьную последовательность из файла сигнала.

Рис. 3. Шестнадцатиразрядный регистр в OrCAD (символ и модель компонента U1 изменены, увеличена разрядность шины данных)

Ниже представлены результаты симуляции разработанной модели в OrCAD. На рис. 4 показаны диаграммы работы DDS-модулятора в интервале от 20 до 40 мкс.

На вход ПЗУ U1 поступает модулирующая символьная последовательность psp. В соответствии с psp меняется адрес ячейки ПЗУ и на шине данных B выставляется код соответствующей частоты (на рис. 4 сигнал code представлен в десятичном формате). Выходной сигнал модулятора обозначен V(out).

Рис. 4. Диаграммы работы DDS-модулятора (интервал от 20 до 40 мкс)

На рис. 5 показаны диаграммы работы DDS-модулятора в первые 60 нс и спектр MSK-сигнала на выходе DDS-модулятора. Тактирующий сигнал – clk, модулирующая символьная последовательность – psp, сигнал шины B – code, сигнал шины A (полный код фазы) – phase, усеченный код фазы, поступающий на адресную шину ПЗУ U2 – ph_red, с ПЗУ U2 на ЦАП поступают значения амплитуд колебания – DAC, выходной сигнал ЦАП – V(out).

Рис. 5. Диаграммы работы DDS-модулятора (интервал от 0 до 60 нс) и спектр MSK-сигнала на выходе DDS-модулятора

Амплитудный спектр результирующего шумоподобного MSK-сигнала получен в результате симуляции разработанной модели DDS-модулятора. Спектр сигнала получен в программе PSpice A/D, время анализа – 16383 мкс (один период ПСП), максимальный шаг интегрирования – 1 нс.

В заключение отметим, что в PSpice разработчик может менять параметры динамической модели ЦАП, настраивая время установления сигналов на выходах. Кроме того, возможен выбор и настройка моделей цифро-аналоговых интерфейсов с указанием выходной емкости и выходных сопротивлений ЦАП.

Выводы

Разработана и выполнена в системе OrCAD функционально-схемная модель генератора сигналов на основе технологии прямого цифрового синтеза частоты.

Модель реализована на примере модулятора MSK-сигналов и обеспечивает формирование сигналов для исследования их прохождения по различным радиочастотным трактам, используя все возможности аналогово-цифрового моделирования системы OrCAD.

Представленные результаты симуляции свидетельствуют о правильном функционировании разработанной модели.

Функционально-схемная реализация технологии DDS именно в OrCAD дает возможность разработчику изменять параметры сигнала непосредственно в пакете, без обращения к сторонним программным средствам, сокращая тем самым трудоемкость и сроки разработки.

Разработанная модель позволяет получать сигналы, структурно идентичные сигналам на выходе ЦАП реальных DDS-систем.

Модель будет полезна специалистам, решающим конкретные задачи в области разработки радиоэлектронных систем и использующим в своей работе методы и средства схемотехнического проектирования и моделирования. Модель также может использоваться при изучении дисциплин, затрагивающих вопросы цифровой передачи данных, компьютерного моделирования электронных средств.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в базовой части НИР, выполняемых по государственному заданию в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Рецензенты:

Громыко А.И., д.т.н., профессор кафедры «Инфокоммуникации» ИИФиРЭ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.

Алдонин Г.М., д.т.н., профессор кафедры «Приборостроение и наноэлектроника» ИИФиРЭ ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.


Библиографическая ссылка

Кузьмин Е.В., Зограф Ф.Г. МОДЕЛЬ УПРАВЛЯЕМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ В ORCAD // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=12876 (дата обращения: 20.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074