Direct Digital Synthesis (DDS)

Podobné dokumenty
2. GENERÁTORY MĚŘICÍCH SIGNÁLŮ II

Číslicová filtrace. FIR filtry IIR filtry. ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická

Nízkofrekvenční (do 1 MHz) Vysokofrekvenční (stovky MHz až jednotky GHz) Generátory cm vln (až desítky GHz)

ochranným obvodem, který chrání útlumové články před vnějším náhodným přetížením.

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

ZDROJE MĚŘÍCÍHO SIGNÁLU MĚŘÍCÍ GENERÁTORY

Signál v čase a jeho spektrum

CW01 - Teorie měření a regulace

Měření na nízkofrekvenčním zesilovači. Schéma zapojení:

DIPLOMOVÁ PRÁCE Lock-in zesilovač 500 khz 10 MHz

íta ové sít baseband narrowband broadband

18A - PRINCIPY ČÍSLICOVÝCH MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ Voltmetry, A/D převodníky - principy, vlastnosti, Kmitoměry, čítače, fázoměry, Q- metry

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_05_Modulace a Modulátory

DSY-4. Analogové a číslicové modulace. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

VY_32_INOVACE_E 15 03

Otázka 22(42) Přístroje pro měření signálů, metody pro měření v časové a frekvenční doméně. Přístroje

A/D převodníky - parametry

základní vlastnosti, používané struktury návrhové prostředky MATLAB problém kvantování koeficientů

SIGNÁLNÍ GENERÁTORY DDS2, DDS7 A DDS20 - PROVOZNÍ MANUÁL

Složitější aritmetické operace

Analogové modulace. Podpora kvality výuky informačních a telekomunikačních technologií ITTEL CZ.2.17/3.1.00/36206

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

ŠESTNÁCTIKANÁLOVÝ A/D PŘEVODNÍK ±30 mv až ±12 V DC, 16 bitů

A7B31ZZS 10. PŘEDNÁŠKA Návrh filtrů 1. prosince 2014

Měření pilového a sinusového průběhu pomocí digitálního osciloskopu

Komprese dat Obsah. Komprese videa. Radim Farana. Podklady pro výuku. Komprese videa a zvuku. Komprese MPEG. Komprese MP3.

Přednáška A3B38MMP. Bloky mikropočítače vestavné aplikace, dohlížecí obvody. 2015, kat. měření, ČVUT - FEL, Praha J. Fischer

5. A/Č převodník s postupnou aproximací

DESKA ANALOGOVÝCH VSTUPŮ A VÝSTUPŮ ±24mA DC, 16 bitů

Universální přenosný potenciostat (nanopot)

Návrh frekvenčního filtru

A/D a D/A PŘEVODNÍK 0(4) až 24 ma DC, 16 bitů

Zvukové rozhraní. Základní pojmy

DESKA ANALOGOVÝCH VSTUPŮ ±24mA DC, 16 bitů

Projektová dokumentace ANUI

GRAFICKÉ ROZHRANÍ V MATLABU PRO ŘÍZENÍ DIGITÁLNÍHO DETEKTORU PROSTŘEDNICTVÍM RS232 LINKY

1 / 5. Obr.1: Blokové schéma nízkfrekvenčního generátoru

Úvod do zpracování signálů

Hlavní parametry rádiových přijímačů

11. Logické analyzátory. 12. Metodika měření s logickým analyzátorem

Binární data. Číslicový systém. Binární data. Klávesnice Snímače polohy, dotykové displeje, myš Digitalizovaná data odvozená z analogového signálu

Alfanumerické displeje

Teorie elektronických obvodů (MTEO)

APLIKACE ALGORITMŮ ČÍSLICOVÉHO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ 1. DÍL

Oscilátory Oscilátory

Akustika. 3.1 Teorie - spektrum

Analogově číslicové převodníky

Měřič krevního tlaku. 1 Měření krevního tlaku. 1.1 Princip oscilometrické metody 2007/

Vzorkování. Je-li posloupnost diracových impulzů s periodou T S : Pak časová posloupnost diskrétních vzorků bude:

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY. OPTICKÝ SPOJ LR-830/1550 Technický popis

Schmittův klopný obvod

České vysoké učení technické v Praze. Diplomová práce

Použití programovatelného čítače 8253

ADA Semestrální práce. Harmonické modelování signálů

Teoretický úvod: [%] (1)

9. PRINCIPY VÍCENÁSOBNÉHO VYUŽITÍ PŘENOSOVÝCH CEST

Digitalizační rozhraní pro ultrazvukový detektor průtoku krve

FVZ K13138-TACR-V004-G-TRIGGER_BOX

ALGORITMY ČÍSLICOVÉHO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ

3. Měření efektivní hodnoty, výkonu a spotřeby energie

Číslicové multimetry. základním blokem je stejnosměrný číslicový voltmetr

Základy a aplikace digitálních. Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722

Proudové převodníky AC proudů

A/D a D/A PŘEVODNÍK 0(4) až 24 ma DC, 16 bitů

Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol

Chrudim století = stoletím bastlení? Přehled některých jednoduchých, ale užitečných stavebnic TCVR na trhu. OK1IF Milan Stejskal

Měřící přístroje a měření veličin

Experiment s FM přijímačem TDA7000

Softwarové rádio. Zpracoval: Ing. Jiří Sehnal

Multimediální systémy

1. Přednáška: Obecné Inf. + Signály a jejich reprezentace

Řadiče periferií pro vývojovou desku Spartan3E Starter Kit Jaroslav Stejskal, Jiří Svozil, Leoš Kafka, Jiří Kadlec.

MIKROPROCESOROVÁ TECHNIKA 9 Událostní systém 9.1 Události Síť ERN Časování událostí Filtrace

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Cíle. Teoretický úvod

Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

CW01 - Teorie měření a regulace cv. 4.0

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

Řídící a regulační obvody fázové řízení tyristorů a triaků

Sekvenční logické obvody

Semestrální práce EFI

VÝVOJ ŘÍDICÍCH ALGORITMŮ HYDRAULICKÝCH POHONŮ S VYUŽITÍM SIGNÁLOVÉHO PROCESORU DSPACE

Mikrokontroléry. Doplňující text pro POS K. D. 2001

Programovatelný kanálový procesor ref. 5179

Návod k obsluze výukové desky CPLD

A2B31SMS 2. PŘEDNÁŠKA 9. října 2017 Číslicové signály

Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

Osnova. Idea ASK/FSK/PSK ASK Amplitudové... Strana 1 z 16. Celá obrazovka. Konec Základy radiotechniky

POČÍTAČOVÉ ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

Snímání biologických signálů. A6M31LET Lékařská technika Zdeněk Horčík Katedra teorie obvodů

SEKVENČNÍ LOGICKÉ OBVODY

Příloha č. 3 TECHNICKÉ PARAMETRY PRO DODÁVKU TECHNOLOGIE: UNIVERZÁLNÍ MĚŘICÍ ÚSTŘEDNA

Druhy sdělovacích kabelů: kroucené metalické páry, koaxiální, světlovodné

Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol

- + C 2 A B V 1 V 2 - U cc

Spektrální analyzátory

- DAC - Úvod A/D převodník převádějí analogové (spojité) veličiny na digitální (nespojitou) informaci. Základní zapojení převodníku ukazuje obr.

TDA7000. Cílem tohoto experimentu je zkonstruovat FM přijímač s integrovaným obvodem TDA7000 a

Transkript:

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Ing. Radek Sedláček, Ph.D., katedra měření K13138 Direct Digital Synthesis (DDS) Přímá číslicová syntéza Tyto materiály vznikly za podpory Fondu rozvoje vysokých škol v roce 2013 (projekt č. 1256/2013)

Obsah Úvod do přímé číslicové syntézy (DDS) Nejjednodušší způsob realizace Další možnosti vylepšení fázový akumulátor Varianta DDS bez zaokrouhlování fáze Varianta DDS se zaokrouhováním fáze Vztah mezi vstupním hodinovým kmitočtem a parametry generovaného signálu Možnosti fyzické realizace DDS Softwarová implementace algoritmu DDS Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 2 z 23

Přímá číslicová syntéza zkratka z anglického výrazu Direct Digital Synthesis triviální způsob, jak digitálně generovat analogový signál (různé frekvence i tvar, obvykle sinusový) pomocí přesného (referenčního) zdroje kmitočtu a D/A převodníku hojně využívaný algoritmus, v praxi lze nalézt např. u: funkčních generátorů (měřicí technika) kvadraturních modulátorů (telekomunikační technika) Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 3 z 23

Teorie a princip DDS nejjednodušší hardwarový způsob implementace DDS zdroj referenčního (velice stabilního!!!) kmitočtu čítač adresy paměť (uloženy vzorky výstupního signálu např. sin) D/A převodník CLK f REF čítač adresy paměť (sin) register D/A převodník f OUT DATA Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 4 z 23

Princip DDS její podstata V paměti je uložena 1 perioda výstupního signálu (v DSP lze využít symetrie průběhu a tím možno použít menší paměť) V každém taktu hodinového signálu f REF se inkrementuje hodnota čítače ten je použit pro adresaci paměti z paměti se přečte další vzorek výstupního signálu vzorek je nahrán do D/A převodníku Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 5 z 23

Teorie popis funkce frekvence výstupního signálu je dána vztahem: f REF /n kde n je počet vzorků uložených v paměti jedné periody výstupního signálu změna kmitočtu DDS možná změnou n (počtem vzorků), případně změnou f REF není výhodné přidává se tzv. akumulátor fáze Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 6 z 23

Akumulátor fáze varianta DDS bez zaokrouhlování fáze varianta bez zaokrouhování znamená, že všechny bity akumulátoru jsou použity pro adresaci převodníku fáze amplituda Aktuální hodnota akumulátoru nese informaci o aktuální fázi!!! Přírůstek akumulátoru N-bitů N-bitů X-bitů dle použitého D/A převodníku Registr Akumulátor fáze Převodník fázeamplituda D/A převodník N-bitů N-bitů Ref. hodinový signál f CLK Registr akumulátoru šířka akumulátoru = N bitů Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 7 z 23

Parametry výstupního signálu generovaného DDS Pokud zvolím velký počet bitů akumulátoru získám velké frekvenční a fázové rozlišení Ovšem narůstají požadavky na velikost paměti pro uložení vzorků!!! Je-li N = 32, při šířce vzorku 1 Byte potřebuji paměť o velikosti 32 GB to je neúnosné proto se používá varianta DDS se zaokrouhlováním fáze, pro adresaci se použije několik horních bitů akumulátorů Počet bitů akumulátoru N Počet bodů (rozsah akumulátoru) Frekvenční rozlišení @ f clk = 1 MHz Fázové rozlišení @ f clk =1 MHz 8 12 16 32 40 48 256 4 096 65 535 4 294 967 296 1 099 511 627 776 281 474 976 710 656 3,9 khz 244 Hz 15,2 Hz 232 Hz 909 nhz 3,55 nhz 24,5 x 10 3 1,53 x 10 3 9,58 x 10 5 1,46 x 10 9 5,71 x 10 12 2,23 x 10 14 Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 8 z 23

Akumulátor fáze varianta DDS se zaokrouhlováním fáze varianta se zaokrouhováním znamená, že všechny bity akumulátoru NEJSOU použity pro adresaci převodníku fáze amplituda, pro adresaci se vezme pouze M horních bitů Počet vzorků P na 1 periodu signálu určuje počet bitů M pro adresaci paměti dle vztahu: P = 2 M N-bitů Přírůstek akumulátoru Registr Ref. hodinový signál f CLK N-bitů N-bitů M-bitů Akumulátor fáze M horních bitů akumulátoru Registr akumulátoru Převodník fázeamplituda X-bitů dle použitého D/A převodníku D/A převodník šířka akumulátoru = N bitů Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 9 z 23

Zaokrouhlování fáze Pro adresaci slov v paměti vzorků (tabulce) se použijí pouze nejvyšší bity akumulátoru, ostatní nižší se zaokrouhlují ( zahazují ) Příklad: 32-bitový akumulátor mám dostatečné frekvenční a fázové rozlišení nicméně velikost paměti je omezena na 4 k slova (potřebuji 2 12 vzorků) 32-bitový akumulátor fáze nejvyšších12-bitů tyto bity slouží pro adresaci paměti 20-bitů se zaokrouhluje Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 10 z 23

Grafická reprezentace algoritmu DDS Příklad : šířka akumulátoru : N = 3 bity adresa paměť 100 011 010 001 000 přírůstek akumulátoru ACC = 1 Obsah akumulátoru adresuje paměť 0 7 data data data data data data data data 101 111 110 frekvence výstupního signálu generovaného pomocí DDS: f OUT f CLK N 2 Acc Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 11 z 23

Parametry signálu generovaného pomocí DDS Frekvence referenčního hodinového signálu f CLK Šířka (počet bitů) akumulátoru N Frekvenční rozlišení udává nejmenší krok, s jakým lze nastavovat frekvenci generovaného signálu Fázové rozlišení udává, s jakým krokem lze měnit fázi generovaného signálu Frekvenční rozlišení DDS f OUT f 2 CLK N Fázové rozlišení DDS 2 N 2 Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 12 z 23

Výhody DDS algoritmu Hz rozlišení výstupní frekvence a setinové ladění fáze, vše řízené číslicově extrémně rychlé přepínání frekvence bez anomálií výstupního signálu a vlivu doby ustálení snadné odvození dvou fázově posunutých signálů -> často se DDS syntéza používá v I, Q modulátorech/demodulátorech (QAM) vyžadují se dva referenční signály posunuté vzájemně o /2 Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 13 z 23

Možné realizace DDS speciální integrované obvody např. AD 9854 (v sobě zahrnuje akumulátor + konvertor amplitudy + D/A převodník) FPGA obvody softwarová implementace lze implementovat např. na DSP, případně i libovolném dostatečně rychlém (mikro)procesoru Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 14 z 23

Příklad realizace - obvod AD9854 Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 15 z 23

Časové průběhy Registr N-bitů Akumulátor fáze 1 Převodník fázeamplituda 2 D/A převodník 3 N-bitů N-bitů M-bitů X-bitů Ref. hodinový signál f CLK 1 2 3 Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 16 z 23

Frekvenční spektrum na výstupu D/A dáno konvolucí generovaného signálu (např. sinusovky) se spektrem obdélníkového okna (sin x/x) spektrum obsahuje složky na frekvencích f f ( i M) i CLK amplitudy jednotlivých složek jsou dány vztahem U i sin( ( i M)) ( i M) kde M je poměr f OUT / f CLK i je přirozené číslo Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 17 z 23

Frekvenční spektrum DDS signálu pro sinusový signál příklad : f CLK = 300 MHz, f OUT = 80 MHz Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 18 z 23

Důsledky vyplývající ze spektra nutno zařadit filtr typu dolní propust D/A převodník filtr DP útlum amplitudy na f CLK/2 (vzorkovací věta) -3.92 db ( cca 16 %!!! ) v případě potřeby nutno korigovat na úrovni SW nebo HW z tohoto důvodu se typicky volí mezní kmitočet filtru cca 40 % f CLK/2 Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 19 z 23

Efekt zaokrouhlování fáze Díky němu vznikají chyby v amplitudě generovaného signálu Tyto chyby mají periodický výskyt Negativně ovlivňují výstupní spektrum DDS generátorů ve spektru jsou další rušivé složky DDS generátory proto nejsou vhodné např. pro testování A/D převodníků nemají nízké THD či SINAD ve srovnání s klasickými RC, LC oscilátory Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 20 z 23

Softwarová implementace DDS bez zaokrouhlování fáze Co potřebuji? akumulátor fáze 1 proměnná přírůstek akumulátoru 1 proměnná tabulka se vzorky výstupního signálů pole dat velikost N je dána velikosti (bitovou šířkou) akumulátoru Princip v přerušení od DA převodníku se k akumulátoru fáze přičte přírůstek akumulátoru aktuální hodnota akumulátoru se použije pro adresaci tabulky dat aktuální frekvence výstupního signálu je dána četností volání přerušovací rutiny a velikostí přírůstku akumulátoru pokud např. DA převodník či audiokodek vzorkuje frekvencí 48 khz, tato frekvence přímo představuje referenční hodinový signál DDS algoritmu Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 21 z 23

Softwarová implementace DDS se zaokrouhlováním fáze Co potřebuji? akumulátor fáze 1 proměnná přírůstek akumulátoru 1 proměnná ukazatel na paměť 1 proměnná tabulka se vzorky výstupního signálů pole dat velikost N je dána požadavkem na parametry DDS Princip v přerušení od DA převodníku se k akumulátoru fáze přičte přírůstek akumulátoru vezme se hodnota akumulátoru fáze a bitově se posune doprava o daný počet bitů, zbylá hodnota se uloží do ukazatele na paměť pro adresaci paměti vzorků se použije hodnota uložena do ukazatele na paměť velikost přírůstku fáze přímo určuje aktuální frekvenci výstupního signálu Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 22 z 23

Příklad v jazyce C volatile short ACC = 0; // akumulator faze - 16 bitu volatile short delta_acc = 1024 // prirustek akumulatoru faze 16 bitu volatile short pointer // ukazatel na pamet 16 bitu volatile short data[256] =. // pole vzorku vystupniho signalu //preruseni od DAC prevodniku - vzrokovací frekvence 48 khz void DAC_interrupt { ACC = ACC + delta_acc; pointer=acc >>8; DAC=data[pointer] // hodnotou z tabulky posli na vystup DAC } Parametry DDS výše uvedeného příkladu N = 16 Fclk = 48 khz Fout = 48 khz/ 2^16*1024 = 750 Hz velikost tabulky 256 vzorku => 2^8 = 256 => zaokrouhleni akumulatoru faze na 8 bitů Podpůrné výukové materiály pro předmět A4M38AVS - Aplikace vestavných systémů Snímek 23 z 23