Đang tải... (xem toàn văn)
kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS)
TÓM TẮT NỘI DUNGĐề tài hướng tới một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS). Trong phần đầu, nội dung đề cập tới sơ đồ cấu tạo và giải thích nguyên lý hoạt động của một hệ thống DDS (Direct Digital Syntherizer). Khi xem xét toàn bộ hệ thống DDS thì mối quan hệ giữa phổ đầu ra của hệ thống và nhiễu do ảnh hưởng của lấy mẫu, tái tạo tín hiệu, và do các hạn chế phải chấp nhận khi triển khai thực tế là vấn đề đầu tiên được quan tâm tìm hiểu. Tiếp đó là vấn đề sai số, các nguồn gây sai số và ảnh hưởng của sai số tới hiệu năng tín hiệu kí sinh, vấn đề điều chế tín hiệu,bộ lọc triệt méo, bộ lọc FIR, bộ lọc IIR, bộ lọc polyphase… Những ứng dụng điều chế là một phần không thể thiếu khi nghiên cứu kỹ thuật DDS, vì vậy phần sau đề tài trình bày một số vấn đề về điều chế FSK, PSK, QAM dùng DDS. Ngoài những vấn đề lý thuyết trên, đề tài cũng dành một số trang để minh họa những ưu điểm nổi bật của kỹ thuật DDS, những xu thế phát triển nhằm hoàn thiện công nghệ DDS và những tiến bộ đạt được của một hệ thống tích hợp công nghệ DDS.i MỤC LỤCMỞ ĐẦU .1CHƯƠNG 1: NHỮNG ĐIỀU CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT DDS .21.1Những ưu điểm của DDS .21.2Lý thuyết hoạt động .21.3Xu hướng tích hợp chức năng 5CHƯƠNG 2: LẤY MẪU ĐẦU RA VÀ KHẢ NĂNG CHUYỂN PHA VÀ TẦN SỐ CỦA THIẾT BỊ DDS .72.1Lấy mẫu đầu ra thiết bị DDS .72.2Khả năng chuyển pha và tần số của DDS .83.1Xác định tốc độ điều chỉnh tối đa .93.2Giao tiếp điều khiển DDS 9CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ NHIỄU TRONG HỆ DDS .113.1Tác động của độ phân giải DAC lên hiệu năng nhiễu vệt (spurious performance) 113.2Tác động của oversampling) lên hiệu năng nhiễu vệt .123.3Tác động của cắt giảm trong bộ tích lũy pha lên hiệu năng vệt (spur) 133.3.1Biên độ các vệt 143.3.2Phân bố các vệt tạo bởi sự cắt pha .153.3.3Tóm tắt về cắt bỏ phase .183.4Các nguồn gây ra các vệt khác của DDS 193.5Hiệu năng vệt giải rộng 203.6Hiệu năng vệt giải hẹp .213.7Dự báo và khái thác vệt “sweet spots” trong dải điều chỉnh của DDS 213.8Xem xét sự biến động (Jitter) và ồn pha trong hệ thống DDS .213.9Xem xét bộ lọc đầu ra 243.9.1Đáp ứng của họ Chebyshev .273.9.2Đáp ứng của bộ lọc họ Gauss 283.9.3Đáp ứng của họ Legendre .29CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ SỐ CỦA DDS 314.1Lý thuyết điều chế số cơ bản .314.1.1Các khái niệm cơ bản 314.1.2Điều chế 334.2Kiến trúc hệ thống và yêu cầu 35ii 4.3Bộ lọc số 364.3.1Bộ Lọc FIR .364.3.2Bộ lọc IIR .384.4DSP đa tốc .394.4.1Tăng tốc 404.4.2Giảm tốc .414.4.3Chuyển đổi tốc độ với tỷ số n/m 434.4.4Bộ lọc số .434.5Xem xét đồng bộ dữ liệu vào và xung 474.6Các phương thức mã hóa dữ liệu và triển khai DDS .494.6.1Mã hóa FSK 494.6.2Mã hóa PSK 504.6.3Mã hóa QAM 514.6.4Quadrature up-conversion .52CHƯƠNG 5: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .545.1Giới thiệu chip DDS AD9835 545.2.1Lý thuyết hoạt động 545.2.2Giao tiếp với vi điều khiển 555.2.1Sơ đồ nguyên lý 56KẾT LUẬN 60DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼiii HÌNH 1: SƠ ĐỒ MỘT BỘ TỔNG HỢP TẦN SỐ TRỰC TIẾP ĐƠN GIẢN .3HÌNH 2: HỆ THỐNG DDS CÓ THỂ ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ .3HÌNH 3: TÍN HIỆU CHUYỀN QUA MỘT HỆ DDS 4HÌNH 4: KIẾN TRÚC DDS 12 BÍT VỚI CÁC CHỨC NĂNG PHỤ .5HÌNH 5: PHÂN TÍCH PHỔ ĐẦU RA CỦA DDS 7HÌNH 6: TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI DAC .11HÌNH 7: TÁC ĐỘNG CỦA OVERSAMPLING LÊN SQR .12HÌNH 8: SAI SỐ DO CẮT BÍT VÀ “BÁNH” PHA .13HÌNH 9: MẪU TỪ ĐIỀU CHỈNH CÓ MỨC VỆT CỰC ĐẠI 14HÌNH 10: MẪU TỪ ĐIỀU CHỈNH KHÔNG GÂY RA PHASE TRUNCATION SPUR 15HÌNH 11: DÃY TÍCH LŨY PHA 15HÌNH 12: HOẠT ĐỘNG CỦA TỪ CẮT BỎ 17HÌNH 13: PHỔ CỦA DÃY TỪ BỊ CẮT BỎ .18HÌNH 14: VÙNG NYQUIST VÀ ÁNH XA CỦA CÁC TẦN SỐ BÊN NGOÀI BĂNG NYQUIST 19HÌNH 15: TÁC ĐỘNG CỦA SỰ BIẾN ĐỘNG XUNG HỆ THỐNG 23HÌNH 16: PHỔ ĐẦU RA DDS .24HÌNH 17: BỘ LỌC ANTI-ALIAS .25HÌNH 18: ĐÁP ỨNG MIỀN THỜI GIAN 25HÌNH 19: ĐÁP ỨNG MIỀN TẦN SỐ .26iv HÌNH 20: ĐÁP ỨNG CỦA CÁC BỘ LỌC HỌ CHEBYSHEV 27HÌNH 21: ĐÁP ỨNG BỘ LỌC HỌ GAUSSIAN .29HÌNH 22: ĐÁP ỨNG HỌ LEGENDRE 29HÌNH 23: PHỔ BĂNG THÔNG CỞ SỞ MỘT PHÍA .32HÌNH 24: PHỔ BĂNG THÔNG CỞ SỞ HAI PHÍA .32HÌNH 25: PHỔ BĂNG CƠ SỞ PHỨC 32HÌNH 26: PHỔ BĂNG THÔNG DẢI 33HÌNH 27: CẤU TRÚC ĐIỀU CHẾ CƠ BẢN .34HÌNH 28: CẤU TRÚC ĐIỀU CHẾ SỐ CƠ BẢN .34HÌNH 29: CẤU TRÚC ĐIỀU CHẾ DDS CƠ BẢN 35HÌNH 30: BỘ ĐIỀU CHẾ DDS 35HÌNH 31: BỘ LỌC FIR DẠNG ĐƠN GIẢN 36HÌNH 32: ĐÁP ỨNG TẦN SỐ BỘ LỌC FIR CHO A0 = A1 = 0.5 37HÌNH 33: BỘ LỌC FIR N-TAPS 37HÌNH 34: BỘ LỌC IIR ĐƠN GIẢN .38HÌNH 35: BỘ LỌC IIR NHIỀU TAP 39HÌNH 36: BỘ TĂNG TỐC ĐƠN GIẢN 40HÌNH 37: SỰ TĂNG TỐC BIỄU DIỄN TRONG MIỀN TẦN SỐ 40HÌNH 38: BỘ GIẢM TỐC ĐƠN GIẢN 41HÌNH 39: QUÁ TRÌNH TĂNG TỐC XEM TRONG MIỀN TẦN SỐ 42v HÌNH 40: BỘ CHUYỂN ĐỔI TỐC ĐỘ N/M .43HÌNH 41: BỘ TÍCH PHÂN VÀ BỘ COMP CƠ BẢN .44HÌNH 42: ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BỘ LỌC CIC CƠ BẢN 45HÌNH 43: TĂNG TỐC VÀ HẠ TỐC DÙNG CIC .45HÌNH 44: ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BỘ LỌC CIC CƠ BẢN 46HÌNH 45: BỘ TĂNG TỐC TRIPLE CASCADE CIC .46HÌNH 46: BỘ GIẢM TỐC CIC TRỄ GẤP HAI 47HÌNH 47: SO SÁCH ĐÁP ỨNG BỘ LỌC CIC SAU KHI SỬA ĐỔI 47HÌNH 48: SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU CHẾ CHUNG 48HÌNH 49: BỘ MÃ HÓA FSK DÙNG DDS .49HÌNH 50: BỘ MÃ HÓA RAMPED FSK DÙNG DDS 49HÌNH 51: CHÒM SAO 16QAM 51HÌNH 52: QUADRATURE UP-CONVERTER .52HÌNH 53. SÓNG COS .54HÌNH 54: NGUỒN VÀ MẠCH DAO ĐỘNG .56HÌNH 55: SƠ ĐỒ MẮC AT89C2051 .57HÌNH 56: SƠ ĐỒ GHÉP NỐI MÁY TÍNH QUA CỔNG COM 57HÌNH 57: SƠ ĐỒ MẮC AD9835 .58HÌNH 58: SƠ ĐỒ MẠCH IN 58 HÌNH 59: MẠCH ỨNG DỤNG CHIP DDS AD9835 59vi MỞ ĐẦUThực tế, kỹ thuật DDS trước đây chủ yếu dành riêng cho các ứng dụng quân sự, vì nó đắt, khó triển khai và yêu cầu bộ chuyển đổi số - tương tự tốc độ cao. Vì sự tiến bộ của công nghệ mạch tích hợp, DDS đã trở thành sự lựa chọn khác bên cạnh công nghệ vòng khóa pha để tạo ra tần số đầu ra nhanh trong các ứng dụng dùng tổng hợp tần số. Vì được xây dựng bằng phương pháp xử lý số nên DDS cho phép thực hiện điều chế dễ dàng.Gần đây, những tiến bộ trong công nghệ sản xuất IC, đặc biệt là CMOS, cùng với sự phát triển của các thuật toán DSP đã cung cấp giải pháp chip DDS cho các hệ thống con xử lý tín hiệu số và truyền thông phức tạp như là điều chế, giải điều chế, tạo dao động nội, máy phát xung khả trình, máy phát chirp1). Phạm vi ứng dụng DDS ngày càng mở rộng, bao gồm cable modems, các thiết bị đo, các máy tạo sóng tùy ý, trạm tế bào cơ sở và nhiều ứng dụng khác nữa.Mục đích của đề tài này là tiếp cận công nghệ DDS, trên cơ sở tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các nguồn sai số trong một hệ thống DDS và những khả năng ứng dụng rộng lớn của DDS. Trên cơ sở đó giúp cho trong tương lai có thể triển khai được một hệ thống DDS trên FPGA, hay xa hơn có thể dùng DDS để tích hợp vào các hệ thống khác như là vòng khóa pha, các ứng dụng điều chế và giải điều chế…Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Ngô Diên Tập, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.----------------------------------------------1) chirp là quá trình để chuyển tần số từ một tần số này tới tần số khác.1 CHƯƠNG 1: NHỮNG ĐIỀU CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT DDSTổng hợp tần số là một kỹ thuật sử dụng các khối xử lý tín hiệu số để tạo ra một tín hiệu đầu ra có thể điều chỉnh được về tần số và pha tham chiếu từ một nguồn xung cố định, có độ chính xác cao. Về bản chất, tần số tham chiếu được chia xuống trong khối DDS bằng hệ số tỷ lệ đặt trước trong một từ nhị phân lập trình được.Từ nhớ này có chiều dài từ 24 đến 48 bits, cho phép khối DDS triển khai có khả năng cung cấp độ phân giải tần số cực cao.Sản phẩm DDS ngày nay được đóng trong các khối nhỏ, tích hợp nhiều chức năng hiệu suất cao và giá cả cạnh tranh, nhanh chóng dần trở thành một lựa chọn bên cạnh giải pháp tổng hợp tần số truyền thống tương tự. Sự tích hợp bộ chuyển đổi số tương tự hiệu suất- tốc độ cao và kiến trúc DDS vào trong một chịp đơn cho phép công nghệ này đạt tới phạm vi ứng dụng rộng hơn và cung cấp một sự lựa chọn hấp dẫn khác với bộ tổng hợp tần số tương tự dựa trên PLL. Trong nhiều ứng dụng, giải pháp DDS giữ một vài ưu điểm khác biệt so với bộ tổng hợp tần số tương tự dùng mạch PLL.1.1Những ưu điểm của DDS- Tần số đầu ra độ phân giải cỡ micro Hz, khả năng điều chỉnh góc pha, tất cả đều được thực hiện bằng điều khiển số.- Tốc độ bước nhảy cực kỳ cao trong quá trình điều chỉnh pha và tần số, bước nhảy tần số có pha liên tục.- Kiến trúc DDS số loại bỏ việc tinh chỉnh bằng tay liên quan đến những vấn đề về tuổi thọ linh kiện và tác động của nhiệt độ như xảy ra trong tổng hợp tương tự.- Giao tiếp điều khiển số của DDS tạo ra một môi trường nơi chúng ta có thể thực hiện điều khiển từ xa, tối ưu bằng vi điều khiển.- Khi được sử dụng như một bộ tổng hợp vuông pha, DDS cho hai tín hiệu lối ra I và Q cực kì khớp với nhau.1.2Lý thuyết hoạt độngTrong dạng đơn giản nhất, một bộ tổng hợp tần số có thể được triển khai từ một xung tham chiếu chính xác, một bộ đếm địa chỉ, một bộ nhớ chỉ đọc lập trình được, và một bộ chuyển đổi D/A.2 Hình 1: Sơ đồ một bộ tổng hợp tần số trực tiếp đơn giảnTrong trường hợp này, thông tin biên độ số cái tương đương với một chu kỳ đầy đủ của sóng sin được lưu trong PROM. PROM do đó có chức năng giống như một bảng tra cứu hàm sin. Bộ đếm địa chỉ nhảy tới từng vị trí nhớ, và nội dung về biên độ sóng sin được đưa tới bộ chuyển đổi D/A tốc độ cao. Khối này tạo ra tín hiệu hình sin tương tự, tương ứng với từ lối vào số từ PROM. Tần số đầu ra của DDS triển khai theo mô hình này phụ thuộc vào:- Tần số của xung đồng hồ tham chiếu.- Kích cỡ bước nhảy sóng sin, cái được lập trình vào trong PROM. Độ chính xác, độ mịn và công suất AC của đầu ra của kiến trúc đơn giản này là khá tốt, song nó thiếu sự điều chỉnh linh hoạt. Tần số đầu ra chỉ có thể thay đổi nếu thay đổi tần số xung tham chiếu hoặc lập trình lại PROM.Nếu ta đưa vào bộ tích lũy pha, kiến trúc này trở thành một máy phát dao dộng điều khiển số, là lõi của thiết bị DDS mềm dẻo, linh động. Hình 2: Hệ thống DDS có thể điều chỉnh tần sốỞ đây một bộ đếm biến N bít và thanh ghi pha đã thay thế bộ đếm địa chỉ, chức năng nhớ làm cho khối này giống như một vòng pha trong kiến trúc DDS. Để hiểu chức năng cơ bản này, ta xem dao động sóng sin giống như một véc-tơ quay quanh một vòng 3 pha. Mỗi điểm trên vòng pha tương ứng với những điểm trên dạng sóng sin. Khi véc-tơ quay quanh bánh xe, dạng sóng sin được tạo ra. Một vòng quay của véc-tơ xung quanh bánh xe dẫn tới một chu kỳ của sóng sin tại đầu ra. Bộ tích lũy pha được dùng để cung cấp một sự tương đương với sự quay tuyến tính của véc-tơ xung quanh bánh pha. Giá trị trong bộ tích lũy pha tương ứng với các điểm trên một chu kỳ đầu ra của sóng sin. Số điểm pha rời rạc chứa trong một vòng pha được quyết định bởi độ phân giải của bộ tích lũy pha. Đầu ra của bộ tích lũy pha là tuyến tính và không thể được sử dụng trực tiếp để tạo ra sóng sin hoặc bất kì một dạng khác trừ một đường dốc. Do đó một bảng tra cứu pha- biên độ được sử dụng để chuyển đổi từ phiên bản bị cắt xén của giá trị đầu ra tức thời của bộ tích lũy pha thành giá trị biên độ sóng sin cái sau đó được đưa tới bộ D/A. Hầu hết kiến trúc DDS khai thác tính chất đối xứng tự nhiên của sóng sin và dùng logic ánh xạ để tổng hợp một chu kỳ sóng sin đầy đủ từ ¼ chu kỳ dữ liệu từ bộ tích lũy pha. Bảng tra cứu pha – biên độ tạo ra tất cả dữ liệu cần thiết bằng cách đọc qua đọc lại bảng tra cứu. Hình 3: Tín hiệu chuyền qua một hệ DDS.Bộ tích lũy pha thực sự là một mô-đun đếm M bít, nó tăng giá trị được lưu trong nó mỗi khi nhận một xung clock. Giá trị được cộng vào được xác định bởi một từ số chứa trong thanh ghi delta phase. Từ trong thanh ghi delta phase tạo nên kích thước bước pha, nó tác động tới số các điểm bỏ qua trên một vòng pha. Kích thước bước nhảy càng lớn bộ tích lũy pha càng nhanh tràn và sóng sin tạo ra càng nhanh hơn, dẫn tới ta sẽ có.4 [...]... và tần số của DDS Tính toán từ điều chỉnh tần số Tần số đầu ra của thiết bị DDS được xác định theo công thức: Fout = (M (REFCLK))/ 2N Ở đây: Fout là tần số ra của DDS M là từ điều chỉnh nhị phân REFCLK là tần số xung tham chiếu trong (xung hệ thống) N là chiều dài số bít của bộ gia tốc pha Chiều dài của bộ tích lũy pha chính là chiều dài của từ điều chỉnh tần số, cái sẽ xác định mức độ độ phân giải tần. .. là tuần hoàn trong miền tần số Hơn nữa dãy từ bị cắt bỏ là một dãy thực vì vậy biến đổi fourier có thể được biểu diễn bằng một nửa số điểm tần số của số các điểm trong miền thời gian vì tính chất đối xứng trong miền tần số Do đó sẽ có 1024 tần số rời rạc, những tần số này tạo nên các vệt nhiễu Thêm nữa, phổ của dãy từ cắt bỏ sẽ có liên quan tới phổ của dạng sóng răng cưa Tần số cơ bản của xung răng... hiệu mà bộ lọc cho phép truyền qua ở một tần số cho trước Các tham số đặc trưng cho bộ lọc mà chúng ta quan tâm là tần số cắt fc, dải dừng fs, độ suy giảm giải thông cực đại Amax và độ suy giảm giải dừng cực tiểu Amin Hình 19: Đáp ứng miền tần số Về mặt toán học có một liên kết trực tiếp giữa đáp ứng xung và đáp ứng tần số, gọi là biến đổi Fourier Đáp ứng tần số là biến đổi Fourier của đáp ứng xung.Có... trong miền tần số Một tham số quan trọng khác là trễ nhóm (liên quan tới đáp ứng trong miền thời gian) Trễ nhóm là đơn vi đo tốc độ tín hiệu của các tần số khác truyền qua bộ lọc Nói chung, trễ nhóm tại một tần số là không giống với trễ nhóm tại một tần số khác, trễ nhóm là một đại lượng đặc trưng phụ thuộc tần số Điều này có thể gây ra một vấn đề khi bộ lọc phải cho qua một nhóm các tần số đồng thời... những hài có tần số lơn hơn Fs/2 sẽ xuất hiện ảnh (alias) trong vùng 0 – Fs/2 Vùng Nyquist thứ 2 từ 1/2Fs tới Fs, tương tự vùng thứ 3 từ Fs tới 1,5Fs Những tần số trong vùng Nyquist lẻ được ánh xạ trực tiếp lên vùng đầu tiên, còn những vùng chẵn ánh xạ dạng ảnh gương tới vùng tần số Nyquist đầu tiên Hình 14: Vùng Nyquist và ánh xa của các tần số bên ngoài băng Nyquist Quá trình để xác định tần số bị ánh... độ chuyển tần số cực nhanh giữa các giá trị tần số lập trình trước Cách bố trí này là đặc biệt phù hợp cho ứng dụng điều chế FSK, ở đây tần số “mark” và “space” có thể được lập trình trước Khi sử dụng thanh ghi lập trình trước, tốc độ chuyển tần số có thể lên tới 250 Mhz 3.2Giao tiếp điều khiển DDS Tất cả các chức năng, đặc tính, và cấu hình của thiết bị DDS nói chung được lập trình qua giao tiếp điều... ta thấy có một sự mở rộng tần số cơ bản Sự mở rộng này được gọi bằng thuật ngữ ồn pha (phase noise) 3.9Xem xét bộ lọc đầu ra Về cơ bản, DDS là một hệ thống lấy mẫu Như thế phổ đầu ra của một hệ thống DDS là vô hạn Dù thiết bị có được chỉnh tới một tần số cố định,nhưng tần số điều chỉnh vẫn phải nằm trong băng thông Nyquist Thực tế phổ đầu ra bao gồm tần số f 0 và các tần số gây chồng phổ được chỉ ra... Trong một vài ứng dụng, tốc độ điều chỉnh tần số tối đa là cần thiết Với các ứng dụng như là GMSK (Gaussian minimum shift keying) và điều chế ramped-FSK2), yêu cầu tốc độ điều chỉnh tần số tối đa để hỗ trợ chuyển hình dạng phổ giữa các tần số điều chế Khi từ điều chỉnh được nạp bởi giao tiếp điều khiển, sự ép buộc cập nhật tần số là phụ thuộc tốc độ cổng giao tiếp điều khiển Đặc trưng, một thiết bị DDS... khớp chính xác về tần số pha và biên độ Khối ADC này có thể được điều khiển bằng giao tiếp để có thể được sử dụng với đa dạng ứng dụng - Một bộ so sánh tốc độ cao có thể được tích hợp để thiết bị thuận tiện sử dụng như máy phát tần số Bộ so sánh được cấu hình để chuyển đổi sóng sin đầu ra thành dạng sóng vuông - Thanh ghi pha và tần số có thể được thêm vào cho phép từ pha và tần số có thể tiền lập... và tần số của tín hiệu đầu ra Dữ liệu chứa trong thanh ghi này được thực thi qua một chân dành riêng cho phép sử dụng để thay đổi tham số hoạt động không qua giao tiếp điều khiển Ví dụ về các dạng tính năng có thể lập trình trước được là: 2) FSK trong đó người sử dụng có thể lập trình tần số bắt đầu và kết thúc 9 - Từ điều khiển tần số đầu ra từ này cho phép người sử dụng thu được tốc độ nhảy tần số . tần số từ một tần số này tới tần số khác.1 CHƯƠNG 1: NHỮNG ĐIỀU CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT DDSTổng hợp tần số là một kỹ thuật sử dụng các khối xử lý tín hiệu số. TÓM TẮT NỘI DUNGĐề tài hướng tới một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS). Trong phần đầu, nội dung đề cập tới sơ đồ cấu
