雜散抑制基本簡(jiǎn)介

近些年來(lái), 隨著數(shù)字電視, 通信雷達(dá), 航空航天等領(lǐng)域的急速發(fā)展, 傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)由于其固有限制已滿足不了對(duì)信號(hào)頻率的穩(wěn)定度、頻譜純度、分辨率及切換時(shí)間等方面的要求。 DDS技術(shù)自上世紀(jì) 70年代問(wèn)世以來(lái), 由于其頻率分辨率高, 穩(wěn)定可靠, 容易控制, 相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。直接數(shù)字頻率合成 ( DDS)技術(shù)由 J. Tierney在 1971年首次提出。近年來(lái)隨著 V LSI技術(shù)的進(jìn)步 ,這種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的頻率合成技術(shù)得到了充分的發(fā)展。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比 , DDS具有頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)、易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制等諸多優(yōu)點(diǎn) ,使得 DDS具有廣闊的應(yīng)用前景。 但是由于 DDS數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的固有特點(diǎn) ,決定了其輸出頻譜雜散較大 ,因此 80年代末 90年代初 ,掀起了對(duì) DDS譜質(zhì)研究的熱潮。 Nicholas建立了雜散信號(hào)模型,對(duì) DDS相位截?cái)嘁鸬碾s散進(jìn)行了深入的分析 ,并以數(shù)論為基礎(chǔ)得到了一些有益的結(jié)論,隨后 Garvey和 Babitch從波形分析角度、 Kroupa從傅氏分析角度進(jìn)行了類似的討論。 在深入研究認(rèn)識(shí)了 DDS雜散成因及分布規(guī)律后 ,對(duì) DDS雜散抑制的研究成果便不斷出現(xiàn) ,其中包括對(duì) DDS相位累加器的改進(jìn)、 ROM 數(shù)據(jù)壓縮、抖動(dòng)注入技術(shù)的使用以及對(duì) DDS工藝結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等等。DDS作為一種全數(shù)字器件, 其輸出頻譜雜散多且抑制作用不夠成為制約其發(fā)展應(yīng)用的一個(gè)瓶頸, 在設(shè)計(jì) D DS如相位累加器結(jié)構(gòu)和波形 ROM查找表的尋址位數(shù)時(shí)候不好把握。 因此, 為了合理有效地發(fā)揮 DDS的高性能,必須分析雜散來(lái)源, 研究雜散的分布特點(diǎn), 找出抑制雜散輸出的方法。 傳統(tǒng) DDS設(shè)計(jì)中, 雜散處理依靠通濾波器濾波, 在不影響信號(hào)質(zhì)量情況下允許一定雜散輸出, 但這不能滿足它在某些高頻領(lǐng)域的使用。 雜散分析也主要集中在數(shù)學(xué)建模方面, Ni c h o l a s 從數(shù)論的方面對(duì)相位舍位輸出頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析, 建立了相位截?cái)嗾`差序列的雜散譜分析模型, Kr o u p a從傅氏角度分析了相位截?cái)嚯s散頻譜的位置與幅度量。 劉蘭坤對(duì)雜散的分布規(guī)律做了定性分析, 提出合理選擇時(shí)鐘頻率用于抑制輸出信號(hào)中的相位雜散。對(duì)雜散有一定得抑制但不明顯 。

DDS的基本工作原理:DDS一般有四部分組成: N位相位累加器, M位波形存儲(chǔ) ROM, D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器。在參考時(shí)鐘 f c控制下,相位累加器在 f c上升沿對(duì)頻率控制字 K進(jìn)行累加, 累加結(jié)果作為相位編碼對(duì)波形 ROM里面存儲(chǔ)的幅值進(jìn)行尋址, 輸出二進(jìn)制幅值編碼進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后, 經(jīng)過(guò)低通濾波得到平滑曲線。 相位累加器加滿到 2N產(chǎn)生溢出后, 則產(chǎn)生一個(gè)周期的波形。因此, 理想 DDS滿足:1) 無(wú)相位截?cái)? 相位累加器的輸出全部作為 ROM尋址;2) ROM存儲(chǔ)波形模擬值, 不存在量化誤差;3) 數(shù)模轉(zhuǎn)換和濾波器件理想非線性 。

雜散模型:由前面的三個(gè)理想 DDS條件, 可以得出非理想情況下DDS模型, 由于實(shí)際因素, 在波形 ROM里存放著波形有限位二進(jìn)制代碼作為 R OM的輸出, 因此在對(duì)波形幅度進(jìn)行量化處理時(shí)就引入了幅度量化誤差 E 1。 DAC非線性誤差E2主要由于器件非線性和毛刺引起, 不同的器件性能各異,只能根據(jù)器件的具體參數(shù)分別分析。 在 1G Hz 的 DD S輸出頻譜中才存在 40d B左右的少量雜散譜線。 在小于 1GHz的電路系統(tǒng)中, 相對(duì)于相位截?cái)嚯s散而言, 幅度量化雜散和DAC非線性雜散幅度遠(yuǎn)小于相位舍位雜散信號(hào)的幅度, 因此本文著重分析相位截?cái)嗾`差 E 0 。

DDS 的雜散信號(hào)主要有三個(gè)來(lái)源: ( 1) 相位舍位. 為了得到很高的頻率分辨率,一般會(huì)將相位累加器的位數(shù) N 做得很大, 但由于受波形存儲(chǔ)器容量的限制, 實(shí)際用來(lái)尋址的位數(shù) W 通常要小于 N , 尋址時(shí)相位累加器的低 B 位就被截去( B =N -W), 所以會(huì)產(chǎn)生相位舍位誤差 . ( 2) 幅度量化. 波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的正弦幅度值是用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示的 ,對(duì)于超過(guò) L 位( 含符號(hào)位)的二進(jìn)制幅度值, 必須進(jìn)行量化處理,這會(huì)引入量化誤差. 量化主要有兩種方式,即舍入量化和截尾量化 ,實(shí)際中 DDS 多采用舍入量化方式 . ( 3) DAC 的非理想轉(zhuǎn)換特性 . DAC 的各種非理想轉(zhuǎn)換特性會(huì)影響 DDS 輸出頻譜的純度, 產(chǎn)生雜散頻率分量 . 在以上三個(gè)來(lái)源的雜散中,相位截?cái)嚯s散的水平一般要高于幅度量化雜散的水平 ,而 DAC所引起雜散的水平會(huì)隨其轉(zhuǎn)換特性的不同而不同. DDS 的雜散模型中 ε p( n) 為相位舍位誤差 ; ε q( n) 為波形的離散化和量化誤差; ε DAC(n) 為 DAC 的轉(zhuǎn)換誤差 .

DDS 輸出信號(hào)的主頻譜中雜散成分非常豐富. 其頻譜特征為 : 雜散以邊帶形式出現(xiàn).擾動(dòng)法和延時(shí)疊加法 ,它對(duì)抑制主譜中的邊帶雜散 ,提高 DDS 輸出信號(hào)的信噪比很有幫助 ?.

相位抖動(dòng)注入法

相位截?cái)嚯s散來(lái)源主要由于誤差序列的周期性 , 相位抖動(dòng)注入法主要思想是打破誤差序列的周期性 , 將確定有規(guī)律的雜散變成隨機(jī)無(wú)規(guī)律的噪聲 , 目的是產(chǎn)生一些隨機(jī)數(shù)加在累加器后面 , 使相位累加器的溢出隨機(jī)的提前 , 而不總是比理想的推后 。 從而使誤差分量隨機(jī)化 , 將單根雜散信號(hào)譜線的功率在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行平均就可以使雜散信號(hào)變?yōu)榉容^低的噪聲 , 進(jìn)而改善總的信號(hào)頻譜質(zhì)量 , 可以有效的抑制雜散信號(hào) 。設(shè)計(jì)相位抖動(dòng)注入法結(jié)構(gòu) , 相位累加輸出 N位 , 要取其前 A位作為地址碼來(lái)查詢波形 R O M表 , 后 B= ( N - A ) 位是雜散來(lái)源 , 所以在其相位截?cái)嗲?, 加入 ( N-A ) 位隨機(jī)碼 。 即 0 , 2B -1 之間的隨機(jī)數(shù) , 進(jìn)行加擾 ?。

延時(shí)疊加法

延時(shí)疊加法案中采用了 2 片 DAC , 分別用相位相反的時(shí)鐘進(jìn)行觸發(fā). 這樣, 2 個(gè) DAC 的觸發(fā)時(shí)間相差Tc/2 . 可見(jiàn), 在疊加輸出后 ,信噪比有一增量, 這說(shuō)明對(duì)頻譜中的邊帶( 主譜中的雜散)有一定的抑制作用. 經(jīng)延時(shí)疊加法處理后, 由于 DDS 輸出信噪比的提高, 減輕了 DAC 后面低通濾波器的壓力, 因而使低通濾波器更容易設(shè)計(jì). 另外 ,它對(duì)量化噪聲及其它雜散也有抑制效果 。

相位擾動(dòng)法

加擾動(dòng)技術(shù)是一種十分有效的抑制雜散信號(hào)的方法. 其方法是在相位寄存器輸出后, 相位截?cái)嗲凹尤胍粋€(gè)在( 0 , 2N -W) 區(qū)間內(nèi)均勻分布的隨機(jī)擾動(dòng)信號(hào) Z P( n). 目的是產(chǎn)生一些隨機(jī)數(shù)加在相位累加器后面 ,使它不總是比理想的推后,而是隨機(jī)的提前,從而打破它的周期性 . 相位抖動(dòng)法主要是針對(duì)相位舍位誤差,它的主要思想是把確定性的、有規(guī)律的雜散轉(zhuǎn)化成隨機(jī)的、無(wú)規(guī)律的相位噪聲 。

經(jīng)加擾動(dòng)處理后 ,誤差序列變成類白噪聲 ,其能量被均勻分布到 S 個(gè)頻率點(diǎn)上 ,從而大大提高了信雜比, 這里 S 為 DFT 的長(zhǎng)度 . 理論上, 當(dāng) GCD =( Fr , 2N -W)=2N -W -1時(shí)得到最大信噪比: S/ N =( 6 . 02 W -9 . 94 +10 *lg( S ) ) dB, 當(dāng) GCD =( Fr ,2N - W)=1 時(shí) ,得到最小信噪比: S/ N =( 6 . 02 W -11 . 19 +10 *lg( S) ) dB ?.

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該設(shè)計(jì)是用 VHDL 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ,所用的芯片為 ALTERA 公司的 EP1K30TC144 , 在這里將存儲(chǔ)容量配置成一個(gè) 1024 ×8 的 ROM 表, 儲(chǔ)存正弦信號(hào)( 0 ,π/2) 區(qū)間的幅碼 . 相位累加器字長(zhǎng)為 32 位,用4 個(gè) 8 位的累加器以流水線的方式實(shí)現(xiàn) 32 位累加器 ,截?cái)嘧珠L(zhǎng)為 13 位 ,波形數(shù)據(jù)輸出為 8 位. 采用相位擾動(dòng)和延時(shí)疊加相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)雜散抑制 . RESET 、EN 、CLK 、LOCK 、Q 分別代表復(fù)位、使能、時(shí)鐘、頻率控制字設(shè)置、取樣波形數(shù)據(jù)輸出 . 把 0 ~ 化/2 的相位分成 7FF 段, 取出相應(yīng)的幅度值存儲(chǔ)于 ROM 中. 數(shù)據(jù)顯示 , Q 輸出從 0 ~ 7F ~0 ~ 83 ~ 0 變化 ,將 Q 值輸出通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換就可以得到正弦波 ?.

頻率控制字 K =220 ,系統(tǒng)時(shí)鐘 f clk =50MHz ,所以 DDS 的 輸出 頻 率: f out = k × f clk/2N =12 . 4KHz . 由于此處累加器是每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘累加一次,所以頻率 f out =6 . 2kHz .正弦波形平滑, 頻譜純正 ,雜散抑制好 .

DDS 技術(shù)中其輸出頻譜雜散較大是其固有的缺陷 ,精確的分析雜散譜特性找到抑制的方法對(duì)設(shè)計(jì)高性能的直接數(shù)字頻率合成器有重要的意義. 相位舍位誤差 、波形的離散化和量化誤差及 DAC 的轉(zhuǎn)化誤差等是雜散主要來(lái)源 . 采用相位擾動(dòng)和延時(shí)疊加相結(jié)合的辦法可以有效地抑制雜散, 得到理想的正弦波形和較純的頻譜 ?.