Báo cáo tốt nghiệp: Kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS)

Chia sẻ: Abcdef_6 Abcdef_6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

284
lượt xem 57
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề 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 hoạtđộng của một hệ thống DDS (Direct Digital Syntherizer). Khi xem xét toàn bộ hệthống DDS thì mối quan hệ giữa phổ đầu ra của hệ thống và nhiễu do ảnh hưởng củalấy mẫu, tái tạo tín hiệu, và do các hạn chế phải chấp nhận khi triển khai thực tế là vấnđề đầu tiên được quan tâm tìm hiểu. Tiếp đó là vấn đề...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tốt nghiệp: Kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS)

TRƯỜNG ………………… KHOA……………………… ----- ----- BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Đề tài: Kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp (DDS)
TÓM TẮT NỘI DUNG Đề tài hướng tới một cái nh ìn 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 ho ạt 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 h ưởng 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 h ưởng 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 ho àn thiện công nghệ DDS và những tiến bộ đạt được của m ột hệ thống tích hợp công nghệ DDS. i
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: NHỮNG ĐIỀU CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT DDS ...................... 2 Nh ững ưu điểm của DDS .................................................................................. 2 1.1 Lý thuyết hoạt động .......................................................................................... 2 1.2 Xu hư ớng tích hợp chức năng ................................................................ ........... 5 1.3 CHƯƠNG 2: LẤY MẪU ĐẦU RA VÀ KHẢ NĂNG CHUYỂN PHA VÀ TẦN SỐ CỦA THIẾT BỊ DDS ........................................................................ 7 Lấy mẫu đầu ra thiết bị DDS ............................................................................. 7 2.1 Kh ả năng chuyển pha và tần số của DDS .......................................................... 8 2.2 Xác định tốc độ điều chỉnh tối đa................................................................... 9 3.1 Giao tiếp điều khiển DDS .............................................................................. 9 3.2 CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ NHIỄU TRONG HỆ DDS ....................................... 11 Tác động của độ phân giải DAC lên hiệu năng nhiễu vệt (spurious 3.1 performance) ................................ ............................................................................. 11 Tác động của oversampling lên hiệu năng nhiễu vệt........................................ 12 3.2 Tác động của cắt giảm trong bộ tích lũy pha lên hiệu năng vệt (spur).............. 13 3.3 Biên độ các vệt ........................................................................................ 14 3.3.1 Phân bố các vệt tạo bởi sự cắt pha................................ ............................ 15 3.3.2 Tóm tắt về cắt bỏ phase............................................................................ 18 3.3.3 Các nguồn gây ra các vệt khác của DDS ......................................................... 19 3.4 Hiệu năng vệt giải rộng ................................................................................... 20 3.5 Hiệu năng vệt giải hẹp................................ ................................ ..................... 21 3.6 Dự báo và khái thác vệt “sweet spots” trong dải điều chỉnh của DDS.............. 21 3.7 Xem xét sự biến động (Jitter) và ồn pha trong hệ thống DDS .......................... 21 3.8 Xem xét bộ lọc đầu ra ................................ ................................ ..................... 24 3.9 Đáp ứng của họ Chebyshev ...................................................................... 27 3.9.1 Đáp ứng của bộ lọc họ Gauss ................................................................ ... 28 3.9.2 Đáp ứng của họ Legendre ................................ ........................................ 29 3.9.3 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ SỐ CỦA DDS ................................ 31 Lý thuyết điều chế số cơ bản ........................................................................... 31 4.1 Các khái niệm cơ b ản ................................................................ ............... 31 4.1.1 Điều chế................................................................................................ ... 33 4.1.2 ii
Kiến trúc hệ thống và yêu cầu ................................................................ ......... 35 4.2 Bộ lọc số ................................................................................................ ......... 36 4.3 Bộ Lọc FIR .............................................................................................. 36 4.3.1 Bộ lọc IIR ................................................................................................ 38 4.3.2 DSP đa tốc ...................................................................................................... 39 4.4 Tăng tốc ................................................................................................ ... 40 4.4.1 Giảm tốc ................................................................ ................................ .. 41 4.4.2 Chuyển đổi tốc độ với tỷ số n/m............................................................... 43 4.4.3 Bộ lọc số ................................................................ ................................ .. 43 4.4.4 Xem xét đồng bộ dữ liệu vào và xung ............................................................. 47 4.5 Các phương thức mã hóa d ữ liệu và triển khai DDS ........................................ 49 4.6 4.6.1 Mã hóa FSK............................................................................................. 49 4.6.2 Mã hóa PSK............................................................................................. 50 4.6.3 Mã hóa QAM ................................ ................................ ........................... 51 4.6.4 Quadrature up-conversion ................................ ........................................ 52 CHƯƠNG 5: MỘT SỐ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................. 54 Giới thiệu chip DDS AD9835 ................................................................ ......... 54 5.1 Lý thuyết hoạt động ................................................................................. 54 5.2.1 Giao tiếp với vi điều khiển ....................................................................... 55 5.2.2 Mạch tạo dao động sử dụng AD8935 .............................................................. 56 5.2 Sơ đồ n guyên lý ....................................................................................... 56 5.2.1 Sơ đồ mạch in: ......................................................................................... 58 5.2.2 Mạch triển khai thực tế ............................................................................ 59 5.2.3 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 60 iii
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ một bộ tổng hợp tần số trực tiếp đơn giản............................................. 3 Hình 2: Hệ thống DDS có thể điều chỉnh tần số ........................................................... 3 Hình 3: Tín hiệu chuyền qua một hệ DDS.................................................................... 4 Hình 4: Kiến trúc DDS 12 bít với các chức năng phụ................................................... 5 Hình 5: Phân tích phổ đầu ra của DDS ......................................................................... 7 Hình 6: Tác động của độ phân giải DAC.................................................................... 11 Hình 7: Tác động của oversampling lên SQR............................................................. 12 Hình 8: Sai số do cắt bít và “bánh” pha ...................................................................... 13 Hình 9: Mẫu từ điều chỉnh có mức vệt cực đại ................................ ........................... 14 Hình 10: Mẫu từ điều chỉnh không gây ra phase truncation spur ................................ 15 Hình 11: Dãy tích lũy pha .......................................................................................... 15 Hình 12: Hoạt động của từ cắt bỏ................................................................ ............... 17 Hình 13: Phổ của d ãy từ bị cắt bỏ ................................ .............................................. 18 Hình 14: Vùng Nyquist và ánh xa của các tần số bên ngoài băng Nyquist.................. 19 Hình 15: Tác động của sự biến động xung hệ thống ................................................... 23 Hình 16: Phổ đầu ra DDS .......................................................................................... 24 Hình 17: Bộ lọc anti-alias .......................................................................................... 25 Hình 18: Đáp ứng miền thời gian ................................................................ ............... 25 Hình 19: Đáp ứng miền tần số ................................................................................... 26 Hình 20: Đáp ứng của các bộ lọc họ Chebyshev ........................................................ 27 Hình 21: Đáp ứng bộ lọc họ Gaussian ................................ ........................................ 29 Hình 22: Đáp ứng họ Legendre .................................................................................. 29 Hình 23: Phổ băng thông cở sở một phía ................................................................ ... 32 Hình 24: Phổ băng thông cở sở hai phía ..................................................................... 32 Hình 25: Phổ băng cơ sở phức ................................................................................... 32 Hình 26: Phổ băng thông dải...................................................................................... 33 Hình 27: Cấu trúc điều chế cơ bản ............................................................................. 34 Hình 28: Cấu trúc điều chế số cơ b ản ................................................................ ......... 34 Hình 29: Cấu trúc điều chế DDS cơ bản .................................................................... 35 iv
Hình 30: Bộ điều chế DDS ........................................................................................ 35 Hình 31: Bộ lọc FIR dạng đơn giản ........................................................................... 36 Hình 32: Đáp ứng tần số bộ lọc FIR cho a0 = a1 = 0.5 ................................................ 37 Hình 33: Bộ lọc FIR n -taps ........................................................................................ 37 Hình 34: Bộ lọc IIR đơn giản ................................ ................................ ..................... 38 Hình 35: Bộ lọc IIR nhiều tap ................................ .................................................... 39 Hình 36: Bộ tăng tốc đơn giản ................................................................................... 40 Hình 37: Sự tăng tốc biễu diễn trong miền tần số ....................................................... 40 Hình 38: Bộ giảm tốc đơn giản .................................................................................. 41 Hình 39: Quá trình tăng tốc xem trong miền tần số .................................................... 42 Hình 40: Bộ chuyển đổi tốc độ n/m............................................................................ 43 Hình 41: Bộ tích phân và bộ Comp cơ b ản ................................................................. 44 Hình 42: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC cơ bản......................................................... 45 Hình 43: Tăng tốc và h ạ tốc dùng CIC ....................................................................... 45 Hình 44: Đáp ứng tần số của bộ lọc CIC cơ bản......................................................... 46 Hình 45: Bộ tăng tốc Triple Cascade CIC ................................ ................................ .. 46 Hình 46: Bộ giảm tốc CIC trễ gấp hai ................................ ........................................ 47 Hình 47: So sách đáp ứng bộ lọc CIC sau khi sửa đổi ................................................ 47 Hình 48: Sơ đồ khối điều chế chung .......................................................................... 48 Hình 49: Bộ mã hóa FSK dùng DDS ................................................................ ......... 49 Hình 50: Bộ mã hóa ramped FSK dùng DDS ............................................................. 49 Hình 51: Chòm sao 16QAM ...................................................................................... 51 Hình 52: Quadrature up -converter................................ .............................................. 52 Hình 53. Sóng Cos ..................................................................................................... 54 Hình 54: Nguồn và mạch dao động ............................................................................ 56 Hình 55: Sơ đồ mắc AT89C2051 ................................................................ ............... 57 Hình 56: Sơ đồ ghép nối máy tính qua cổng COM ................................ ..................... 57 Hình 57: Sơ đồ mắc AD9835 ................................ ................................ ..................... 58 Hình 58: Sơ đồ mạch in ............................................................................................. 58 Hình 59: Mạch ứng dụn g chip DDS AD9835............................................................. 59 v
MỞ ĐẦU Thực 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 đ ược xây dựng bằng phương pháp xử lý số nên DDS cho phép thực hiện điều chế dễ d àng. Gần đây, những tiến bộ trong công ngh ệ 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 h iểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các nguồn sai số trong một hệ thống DDS và nh ững 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 nh ất đến PGS.TS Ngô Diên Tập, người đ ã 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 th ể 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 DDS Tổng hợp tần số là một kỹ thuật sử dụng các khối xử lý tín hiệu số để tạo ra một tín h iệu 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 m ột 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 n ày 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 m ạch PLL. 1.1 Những 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 trư ờng nơi chúng ta có thể thực hiện đ iều khiển từ xa, tối ưu b ằng vi điều khiển. - Khi đư ợc sử dụn g như một bộ tổng hợp vuông pha, DDS cho hai tín hiệu lối ra I và Q cực kì khớp với nhau. 1.2 Lý thuyết hoạt động Trong dạng đơn giản nhất, một bộ tổng hợp tần số có thể đư ợc 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 giản Trong trường hợp n ày, 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 h àm sin. Bộ đếm địa chỉ nhảy tới từng vị trí nhớ, và nội dung về biên độ sóng sin đư ợc 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 đ ược lập trình vào trong PROM. Độ chính xác, độ mịn và công su ất AC của đầu ra của kiến trúc đơn giản n ày là khá tốt, song nó thiếu sự điều chỉnh linh hoạt. Tần số đầu ra chỉ có thể thay đổi nếu thay đ ổi tần số xung tham chiếu hoặc lập trình lại PROM. Nếu ta đưa vào bộ tích lũy pha, kiến trúc này trở th ành 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 số Ở đ ây một bộ đếm biến N bít và thanh ghi pha đã thay th ế bộ đếm địa chỉ, chức năng nhớ làm cho khối n ày 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 3
một vòng pha. Mỗi điểm trên vòng pha tương ứng với những điểm trên d ạng 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 đ ể 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 đư ợc sử dụng để chuyển đổi từ phiên bản bị cắt xén của giá trị đầu ra tức thời của bộ tích lũy pha th ành giá trị biên độ sóng sin cái sau đó đư ợc 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 – b iên 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 n ên kích thước bước pha, nó tác động tới số các điểm bỏ qua trên một vòng pha. Kích thước bư ớc nhảy càng lớn bộ tích lũy pha càng nhanh tràn và sóng sin tạo ra càng nhanh hơn, dẫn tới ta sẽ có. 4
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. Thay đ ổi giá trị của M trong thanh ghi DDS dẫn tới sự thay đ ổi lập tức tần số đầu ra (pha vẫn liên tục). Trong các ứng dụng thực tế, giá trị của M, hay từ điều chỉnh tần số được nạp vào trong một thanh ghi nối tiếp nạp theo byte trước khi đ ưa vào thanh ghi delta phase (song song). Điều n ày nói chung là đ ể tối thiếu số chân của thiết bị DDS. Ngay khi thanh ghi đệm đư ợc nạp xong và th anh ghi delta phase được kích thì DDS sẽ thay đổi tần số đầu ra. Nói chung giới hạn thay đổi tần số đầu ra là th ời gian nạp thanh ghi đệm và chạy nó. Vậy rõ ràng là giao tiếp tải b yte song song tăng cường khả năng nhảy tần số. 1.3 Xu hướng tích hợp chức năng Hình 4: Kiến trúc DDS 12 bít với các chức năng phụ Ưu điểm của kiến trúc DDS thuần số, đó là các khối chức năng số có thể dễ dàng thêm vào lõi để tăng cường khả năng của thiết bị. Với mục đích sử dụng chung, thiết bị DDS sẽ được tích hợp một bộ DAC để cung cấp tín hiệu đầu ra tương tự. Các thiết bị DDS bây giờ được tích hợp DAC 10bit hỗ trợ tốc độ REFCLK lên tới 180Mhz. Chip DDS tối tân hiện nay đ ạt tốc độ xung 300MHz với ADC 12bit. Cùng với việc tích hợp DAC, giải pháp DDS thông thường còn chứa th êm các khối thực hiện đa d ạng các hoạt động trên tín hiệu. Những khối này cũng cấp mức tính 5
năng cao hơn mở rộng khả năng điều khiển của người sử dụng. Sơ đ ồ khối của một DDS hiện đại như trong hình 4. Chức năng cơ bản của các khối như sau: - Chức năng nhân REFCLK có thể lập trình, nó nhân tần số xung tham chiếu ngoài, do đó giảm yêu cầu về tốc độ xung tham chiếu. Khối này cũng tăng cường khả năng của thiết bị sử dụng nguồn xung hiện có. - Thêm một bộ cộng phía sau khối gia tốc pha, cho phép tín hiệu ra trễ pha tương ứng với pha trễ đặt trong thanh ghi chỉnh pha. Độ d ài m ạch cộng xác định số bít của từ ch ỉnh pha, trong kiến trúc n ày là 14 bít. - Một khối SINC đảo đư ợc thêm vào trước bộ DAC bù cho đ áp ứng SINC vì đáp ứng đầu ra do lượng tử. Nhờ đó cung cấp biên độ đầu ra trong một giải rộng. - Một bộ nhân được chèn vào giữa bảng tra cứu SIN và bộ DAC, cho phép điều ch ế biên độ đầu ra. - Một bộ chuyển đổi D/C có thể đư ợc thêm vào đ ể cung cấp đầu ra cos. Nó cho phép thiết bị DDS cung cấp đầu ra I&Q, khớp chính xác về tần số pha và biên độ. Khối ADC n ày 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 đư ợc 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 đ ược thêm vào cho phép từ pha và tần số có thể tiền lập trình và nội dung của nó có thể đ ược thực thi qua một chân điều khiển đ ơn. Cấu h ình này cũng hỗ trợ điều chế khóa dịch pha với chân lối vào được lập trình “mark” hoặc “space”. Các thiết bị DDS đ ã đ ược sản xuất với đầy đủ các tính năng trên và nhiều tính năng khác nữa, hỗ trợ tốc độ đồng hồ bên trong lên tới 300MHz. Tính phổ biến của giải pháp DDS là vì chip với hiệu suất và chức năng trên được bán với giá hợp lý và được đóng trong một gói tương đối nhỏ. --------------------------- 6
CHƯƠNG 2: LẤY MẪU ĐẦU RA VÀ KHẢ NĂNG CHUYỂN PHA VÀ TẦN SỐ CỦA THIẾT BỊ DDS 2.1 Lấy mẫu đầu ra thiết bị DDS Phổ của tín hiệu đầu ra được minh họa trong hình vẽ sau: Hình 5: Phân tích phổ đầu ra của DDS Ở đây xung lấy mẫu là 300Mhz và xung đầu ra là 80Mhz. Theo lý thuyết của Nyquist cần tối thiếu hai mẫu trên một chu kỳ để tái tạo lại tín hiệu đầu ra mong đợi. Các ảnh đáp ứng, của phổ tín hiệu đầu ra đ ược lấy mẫu, tại các tần số Fclk +/- Fout. Trong ví dụ n ày ảnh của nó lần lượt ở 220 Mhz, 380 Mhz, 520 Mhz…. Lưu ý nó không xu ất hiện tại nguyên lần tần số lấy mẫu. Trong trường hợp fout vượt quá fclk, ảnh thứ nhất sẽ xuất hiện b ên trong băng thông Nyquist như một ảnh chồng phổ. Ảnh chồng phổ này không th ể lọc khỏi đầu ra bằng bộ lọc triệt chồng phổ Nyquist truyền thống. Trong các ứng dụng DDS đặc trưng, một bộ lọc thông thấp được dùng để triệt đáp ứng ảnh trong phổ đầu ra. Để giữ yêu cầu cutoff trong bộ lọc thông thấp chúng ta phải chấp nhận giới hạn băng thông fout tới xấp xỉ 40% tần số xung chuẩn. Điều này thu ận tiện cho việc dùng bộ lọc thông thấp kinh tế hơn trong triển khai lọc đầu ra. 7
Như ở trong hình vẽ biên độ của fout và ảnh đáp ứng được bao bởi đáp ứng Sinc(X). Điều này là vì tính chất lượng tử của đầu ra được lấy mẫu. Biên độ của thành phần cở bản và b ất cứ ảnh n ào của nó có thể tính được sử dụng công thức Sin(X)/X. Với hàm đáp ứng cuộn, biên độ của đầu ra cơ bản sẽ giảm ngược với sự tăng tần số điều chỉnh của nó. Như đã đề cập ở trên, kiến trúc DDS có thể bao gồm một bộ lọc Sinc đảo để bù cho hiệu ứng Sinc và duy trì m ột biên độ đầu ra phẳng từ bộ DAC trên băng thông lên tới 45% xung chuẩn hay 80% băng thông Nyquist. Điều quan trọng là phải lưu ý rằng, trong đường cong đáp ứng sinc biên độ của ảnh đầu tiên là đáng kể. Điều quan trọng để tạo ra dư án tần số ứng dụng DDS và phân tích phổ là xem xét đáp ứng ảnh và đáp ứng biên độ tại fout mong đợi và tần số fclock. Nh ững điều không bình thường khác trong phổ đầu ra, nh ư là sai số tuyến tính tích phân vi phân của bộ chuyển đổi DAC, và các yếu tố khác sẽ không tuân theo đáp ứng Sinc(X). Những điều không b ình thường này sẽ xuất hiện như là các họa, và năng lượng vệt trong phổ đầu ra và sẽ tạo ra biên độ bé hơn nhiều so với biên độ đáp ứng ảnh. Nền nhiễu nói chung của thiết bị DDS được xác định bởi sự chồng chập của nhiễu nền , nhiễu nhiệt, nối đất và đa dạng các nguồn gây nhiễu khác. Nền nhiễu, công su ất vệt, công suất jitter1) của thiết bị DDS là chịu ảnh hưởng rất lớn của bố trí của bo mạch, chất lượng nguồn nuôi và chất lượng xung tham chiếu. 2.2 Khả năng chuyển pha 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 đ ịnh mức độ độ phân giải tần số của DDS. Biết Fout b iết N và tần số xung chuẩn ta có thể xác định giá trị trong từ điều chỉnh tần số, nạp giá trị n ày vào thanh ghi điều khiển tần số ta thu được đầu ra mong đợi. 1) jitter là sự biến động 8
3.1 Xác định tốc độ điều chỉnh tối đa Tốc độ điều chỉnh của một thiết bị DDS xác định bởi cấu h ình n ạp được lựa chọn, từ nối tiếp hay là byte song song, và tốc độ của giao tiếp điều khiển. 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 sẽ cung cấp quá trình nạp song song thuận tiện cho việc lấy dữ liệu vào thanh ghi điều khiển ở tốc độ cao hơn. Tốc độ đồng hồ xung dữ liệu điều khiển là 100 Mhz được hỗ trợ giao tiếp nạp byte song song. Điều n ày có ngh ĩa một từ mới có thể được đưa tới đầu ra thiết bị mỗi 10 ns. Đầu ra liên tục về pha của chuyển tần số của DDS là phù hợp với những ứng dụng nhảy tần số tốc độ cao. Thiết bị DDS cũng thường cung cấp một tập các thanh ghi, có thể tiền lập trình từ điều chỉnh. Nội dung của thanh ghi này được điều khiển thực thi từ một chân ngoài của thiết bị. Điều này cung cấp tốc 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 th ể được lập trình trước. Khi sử dụng thanh ghi lập trình trước, tốc độ chuyển tần số có thể lên tới 250 Mhz. 3.2 Giao 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 khiển thiết bị. Giao tiếp điều khiển thiết bị DDS đã được xây dựng ở đa dạng cấu hình. Cấu h ình thông thường là giao tiếp nối tiếp và giao tiếp truyền byte song song. Vùng giao tiếp ngầm định từ một thanh ghi 40 bít lưu trữ tất cả các từ điều khiển tất cả chức năng tới cổng giao tiếp nối tiếp đồng bộ tương thích với vi điều khiển. Thanh ghi profile: Các thanh ghi lập trình trước được xây dựng trong các thiết bị DDS cho phép tăng cường tốc độ chuyển pha và tần số của tín hiệu đầu ra. Dữ liệu chứa trong thanh ghi này đư ợc 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 đư ợc 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 ngư ời sử dụng thu được tốc độ nhảy tần số tối đa. Sự có mặt của các thanh ghi tần số cũng thuận tiện cho việc sử dụng thiết bị DDS như m ột bộ điều chế FSK ở đây dữ liệu vào trực tiếp lái lối ra tới tần số mong đợi “mark” hoặc “space”. - Pha của thanh ghi đầu ra, chức năng này cho phép người sử dụng thực hiện tăng trễ pha được lập trình trước tới tín hiệu lối ra. Vùng phân giải có thể từ 11,5 độ với 5 bít và 0.02 độ với 14 bít. Điều chế khóa dịch pha có thể thực hiện được nhờ tính năng này. - Trong điều chế số và bộ chuyển đổi vuông pha và các chức năng tăng cường có thể được lập trình trước trong thanh ghi profile. Những chức năng này bao gồm đáp ứng bộ lọc FIR, lấy mẫu lên, và đảo phổ đầu ra. ----------------------------------- 10
CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ NHIỄU TRONG HỆ DDS 3.1 Tác động của độ phân giải DAC lên hiệu năng nhiễu vệt (spurious performance) Độ phân giải của DAC phụ thuộc số bit đầu vào của nó. Một DAC 10 bít thì có độ phân giải là 10 bít. Ảnh hư ởng của độ phân giải DAC có thể dễ dàng hiểu và thấy được trong việc xây dựng lại sóng sin. Hình 6: Tác động của độ phân giải DAC Trong ví dụ này ta dùng một DAC 4 bit để tạo lại tín hiệu sin. Các đư ờng thẳng đứng đánh dấu thời gian, khoảng cách giữa chúng thể h iện chu kỳ lấy mẫu. Lưu ý độ lệch giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu sóng sin hoàn hảo. Khoảng cách trục đứng giữa hai đường tín hiệu tại thời điểm lấy m ẫu là sai số được đưa vào bởi DAC như là kết quả của độ phân giải của nó. Sai số này đư ợc gọi là sai số lượng tử và gây ra m ột tác động là méo lượng tử. Để hiểu được tính chất của méo lượng tử, lưu ý những rìa lên nhọn của tín hiệu đầu ra DAC, những rìa lên này th ể hiện sự có mặt của thành phần tần số cao thêm vào trong thành phần cơ bản. Những thành phần tần số cao này tạo nên méo lượng tử. Trong miền tần số, sai số méo lượng tử bị chồng lên nhau bên trong băng thông Nyquist và xu ất hiện nh ư là các vệt rời rạc trong phổ đầu ra của DAC. Khi độ phân giải DAC tăng, méo lượng tử giảm, nghĩa là giá trị kí sinh của phổ đầu ra giảm. Trong thực tế mối quan hệ độ phân giải DAC và lượng méo là xác định. Nếu DAC hoạt động tối đa, th ì tỉ lệ công suất tín hiệu trên công suất ồn lượng tử cho bởi: SQR= 1.76 + 6.02B ( dB) 11
Ở đây B là số bít của DAC. Ví dụ, một DAC 8 bít sẽ có SQR bằng 49.92 dB. Chú ý , phương trình SQR chỉ ch ỉ ra công suất ồn tổng cộng do sai số lượng tử. Nó không cung cấp bất cứ thông tin về các vệt hay mức vệt cực đại, chỉ là công suất tổng cộng của tất cả các vệt liên quan tới tín hiệu cơ bản. Điểm thứ hai là phương trình trên chỉ áp dụng nếu DAC hoạt động hết công suất (fullscale). Tại mức đầu ra thấp hơn, công suất trong th ành ph ần chính là giảm nhưng sai số lượn g tử vẫn không đổi. Tác động thực tế là làm giảm SQR, do đó ồn lượng tử trở n ên nghiêm trọng hơn với th ành ph ần chính. Tác động của DAC khi hoạt động ở mức đầu ra thấp được xác định bằng: A = 20log(FFS) (dB) Trong đó FFS là một phân số của fullscale, ở chế độ hoạt động đó của DAC, do đó phương trình SQR trở th ành: SQR= 1.76 +6.02B + 20log(FFS) 3.2 Tác động của oversampling 1) lên hiệu năng nhiễu vệt Trong oversampling tốc độ lấy mẫu cao hơn tốc độ yêu cầu theo lý thuyết Nyquist. Nh ớ rằng, Nyquist yêu cầu băng thông của tín hiệu được lấy mẫu bằng ½ tốc độ lấy mẫu. Nếu băng thông của tín hiệu được lấy mẫu cố tình nén xuống còn một phần nhỏ của yêu cầu Nyquist, thì tốc độ lấy mẫu là vượt giới hạn của yêu cầu Nyquist và oversampling được sử dụng. Hình 7: Tác động của oversampling lên SQR Hình vẽ chỉ ra cách oversampling cải thiện SQR, Công suất ồn lượng tử tổng cộng là phụ thuộc vào độ phân giải DAC. Nó là một đại lượng cố định và tỷ lệ với 1) Lấy mẫu cao hơn tiêu chuẩn Nyquist 12
vùng bôi đen. Trong trường hợp lấy mẫu oversampling, tổng lư ợng ồn là giống trường hợp lấy mẫu Nyquist. Vì công suất ồn là không đổi và diện tích h ình ch ữ nhật tỉ lệ với công su ất ồn, do đó chiều cao của h ình chữ nhật trong lấy mẫu oversampling phải nhỏ hơn trong lấy mẫu Nyquist. Lưu ý rằng diện tích hình chữ nhật trong vùng băng thông quan tâm là nhỏ hơn trong trường hợp lấy mẫu oversampling. Tác động của oversampling được cho bởi công thức: C = 10 log ( Fsos/Fs) (dB) Và SQR= 1,72 + 6,02B + 20log(FFS) + 10log(Fsos/Fs) (dB) 3.3 Tác động của cắt giảm trong bộ tích lũy pha lên hiệu năng vệt (spur) Cắt pha là một phạm vi quan trọng trong kiến trúc DDS. Xem xét một DDS với 32 bít của b ộ tích lũy pha. Để trực tiếp chuyển 32 bít pha tới biên đ ộ tương ứng yêu cầu 232 entry trong bảng tra cứu và không thể triển khai thực tế. Giải pháp là sử dụng chỉ sử dụng một phần nhỏ những bít quan trọng nhất của đầu ra bộ tích lũy để cung cấp thông tin p ha. Ví dụ ta chỉ sử dụng 12 bít cao của đầu ra phần còn lại cắt bỏ. Để hiểu về việc cắt tín hiệu đầu ra bộ tích lũy pha ta sử dụng khái niệm “bánh pha số”. Ta xem xét một bộ DDS đơn giản sử dụng bộ tích lũy pha 8 bít và ch ỉ sử dụng 5 bít cao cho phân giải pha. Với một bộ tích lũy pha 8 bít, độ phân giải pha là 1.41 độ. Hình 8: Sai số do cắt bít và “bánh” pha 13
Nếu chỉ có 5 bít quan trọng nhất được sử dụng để tạo thông tin pha thì độ phân giải trở thành 11.25º, được mô tả trong hình vẽ là những chấm đỏ. Giả sử bước đếm là 6, góc pha đầu tiên tương ứng với b ước nhảy 6 của bộ tích lũy pha mô tả trong h ình vẽ. Lưu ý rằng bước nhảy pha đầu tiên rơi vào phần dưới của điểm m àu đỏ thứ 1, do đó tăng sự khác nhau giữa pha của bộ tích lũy pha và pha với độ phân giải 5 b ít. Sự khác nhau này d ẫn tới sự sai pha 6*1.41 = 8.46 độ. Trong bước pha thứ 2 của bộ tích lũy pha, nằm giữa điểm thứ nhất và điểm thứ 2 của vòng chấm m àu đỏ và kết quả là dẫn tới sự sai pha góc E2…. Rõ ràng rằng, sai pha do cắt từ pha lối ra sẽ dẫn tới sai số trong biên độ khi ánh xạ. Những sai số này sẽ tuần hoàn bởi vì sau một số vòng quay pha của bộ tích lũy pha và pha b ị cắt sẽ trùng nhau. Vì biên độ sai số này là tuần ho àn trong miên thời gian, do đó chúng sẽ xuất hiện như phổ vạch trong miền tần số và cái này được gọi là phase truncation spurs (các vệt tạo bởi sự cắt pha). Người ta đã chỉ ra rằng, biên độ và sự phân bố của các vệt tạo bởi sự cắt pha là phụ thuộc vào 3 h ệ số là kích thước bộ tích lũy pha (A bít), kích thước từ pha (P bít) và từ điểu chỉnh (T bít). 3.3.1 Biên độ các vệt Có nh ững từ chỉnh pha không gây ra các vệt trong khi những từ khác gây ra các vệt ở m ức cao. Nếu đại lư ợng A – P b ằng 4 hoặc nhiều hơn thì m ức spur cực đại đư ợc ch ỉ ra là gần xấp xỉ -6.02P dBc ( nghĩa là 6.02P dB ứng với tần số từ điều chỉnh). Vì vậy một DDS 32 bít với từ pha 12 bít sẽ gây ra các vệt tạo bởi sự cắt pha không nhiều hơn -72dBc không quan tâm tới việc chọn từ điều chỉnh. Những từ điều chỉnh có mức vệt cực đại là những từ thỏa mãn đ iều kiện sau: GCD(T, 2( A- P )) = 2(A-P-1) GCD là ước số chung lớn nhất. Để ph ương trình này là đúng m ẫu của từ điều ch ỉnh sẽ như sau: Hình 9: Mẫu từ điều chỉnh có mức vệt cực đại 14