устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза
Классы МПК: | H03M1/06 непрерывная коррекция или предотвращение нежелательного влияния физических параметров |
Автор(ы): | ГАБЕ Паскаль (FR), ДЕ ГУ Жан-Люк (FR) |
Патентообладатель(и): | ТОМСОН-КСФ (FR) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-06-26 публикация патента:
20.09.2003 |
Изобретение относится к устройствам для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей. Технический результат заключается в уменьшении эффекта нелинейности таких преобразователей. Устройство содержит блок для генерирования слов, кодированных N битами, сигма-дельта-модулятор, соединенный с выходной шиной указанного блока, разделенной на М старших разрядов, подаваемых с задержкой на вход цифроаналогового преобразователя, и N-M младших бит, поступающих в сигма-дельта-модулятор, выход которого представляет собой М-битовую шину, выходной сигнал которой суммируется цифровым сумматором с выходными М-битами блока для генерирования слов. Изобретение используется в цифровых синтезаторах. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7
Формула изобретения
1. Устройство для генерирования аналоговых сигналов, содержащее блок для генерирования слов, кодированных N битами, и цифроаналоговый преобразователь, входной сигнал которого кодирован М битами, где М меньше N, а также содержащее сигма-дельта-модулятор с переполнениями, соединенный с выходной шиной блока, которая разделена на М старших бит, которые кодируют полезный сигнал, и N-M младших бит, которые определяют ошибку округления и поступают на вход сигма-дельта-модулятора, выходной сигнал которого суммируется с полезным сигналом цифровым сумматором, а результат суммирования является входным сигналом цифроаналогового преобразователя, при этом величина порядка модулятора должна быть достаточно большой для того, чтобы амплитуда выходного сигнала модулятора была близкой или большей этого полезного сигнала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что значение выходного сигнала сигма-дельта-модулятора является суммой ошибки округления, полученной округлением слова, и цифрового сигнала, некоррелированного с этим словом, и в котором имеется фильтр нижних частот, который подключен к выходу цифроаналогового преобразователя и отфильтровывает из его выходного сигнала некоррелированный цифровой сигнал. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что величина порядка сигма-дельта-модулятора равняется М-1. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между блоком для генерирования слов и сумматором включен модуль задержки, который создает задержку, соответствующую значению времени, которое необходимо сигма-дельта-модулятору для обработки слова в период прохождения сигнала от его входа до его выхода. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно представляет собой прямой цифровой синтезатор.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к устройствам для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей. Изобретение может быть использовано в различных областях и прежде всего в области прямого цифрового синтеза сигналов. Изобретение, в частности, может быть использовано для генерирования аналоговых сигналов, формируемых на выходе цифроаналоговых преобразователей, в тех случаях, где, например, необходимо уменьшить эффект нелинейности этих преобразователей. Прямой цифровой синтез представляет собой синтез переменного сигнала, при котором имеющие цифровой вид подлежащие генерированию синусоидальные сигналы преобразуются в аналоговые сигналы с помощью цифроаналогового преобразователя, который в дальнейшем обозначается общепринятым сокращением ЦАП. Работающие по этому принципу синтезаторы частот обладают целым рядом преимуществ с точки зрения их габаритов, веса и потребления энергии, что может оказаться весьма существенным при их серийном изготовлении. Другие преимущества таких синтезаторов заключаются в очень высоком разрешении и очень небольшом времени переключения. Один из известных недостатков прямых цифровых синтезаторов состоит в том, что в спектре выходного сигнала присутствует много паразитных составляющих. В реальном случае амплитуда сигнала на входе ЦАП синтезатора кодируется М битами, число которых обычно меньше, чем количество битов N сформированного цифрового сигнала. Переход с N битов на М битов создает ошибку квантования или округления, которая приводит к появлению в выходном сигнале паразитных составляющих. Кроме того, из-за вышеупомянутого квантования функция преобразования ЦАП, т.е. зависимость выходного напряжения от входных цифровых слов, является ступенчатой функцией. Из-за имеющейся нелинейности ступени этой функции имеют неравную высоту. Нелинейности добавляются к вышеупомянутым ошибкам квантования и тем самым вносят погрешности в реальную функцию преобразования, которая поэтому отличается от идеальной функции преобразования, у которой ступени должны иметь одну и ту же высоту. Нелинейность ЦАП приводит к генерированию гармонических частот, которые появляются благодаря дискретизации. Другими словами, создаются паразитные составляющие, причем паразитная составляющая может быть спектральной компонентой, расположенной на частотах, отличных от основной составляющей синтезируемого сигнала. Согласно известному методу устранения квантования амплитуды и уменьшения нелинейности ЦАП к сформированному цифровому сигналу на входе ЦАП добавляют произвольный шум большой амплитуды. Этот произвольный шум удаляется затем аналоговым способом с использованием второго ЦАП. Такой способ описан, например, в ЕР 0452031. Недостаток этого способа заключается в том, что он ухудшает характеристики фазового шума прямого цифрового синтезатора из-за внесения шума и трудностей в согласовании двух ЦАП. В основу настоящего изобретения была положена задача улучшить спектральную чистоту прямых цифровых синтезаторов путем уменьшения уровня паразитных составляющих без снижения их шумовых характеристик. Для решения указанной задачи в изобретении предлагается устройство для генерирования аналоговых сигналов, содержащее блок для генерирования слов, кодированных N битами, и цифроаналоговый преобразователь, входной сигнал которого кодирован М битами, где М меньше N, а также содержащее сигма-дельта-модулятор с переполнениями, соединенный с выходной шиной блока, которая разделена на М старших бит, которые кодируют полезный сигнал, и N-M младших бит, которые определяют ошибку округления и поступают на вход сигма-дельта-модулятора, выходной сигнал которого суммируется с полезным сигналом цифровым сумматором, а результат суммирования является входным сигналом цифроаналогового преобразователя, при этом величина порядка модулятора должна быть достаточно большой для того, чтобы амплитуда выходного сигнала модулятора была близкой или большей этого полезного сигнала. Значение выходного сигнала сигма-дельта-модулятора является суммой ошибки округления, полученной округлением слова, и цифрового сигнала, некоррелированного с этим словом, причем в устройстве имеется фильтр нижних частот, который подключен к выходу цифроаналогового преобразователя и отфильтровывает из его выходного сигнала некоррелированный цифровой сигнал. При этом величина порядка сигма-дельта-модулятора равняется М-1. В устройстве по изобретению между блоком генерирования слов и сумматором может быть включен модуль задержки, который создает задержку, соответствующую значению времени, которое необходимо сигма-дельта-модулятору для обработки слова в период прохождения сигнала от его входа до его выхода. В предпочтительном варианте выполнения устройство согласно изобретению представляет собой прямой цифровой синтезатор. Основные преимущества предлагаемого устройства заключаются в минимизации увеличения основного уровня фазового шума цифрового синтезатора, в возможности его использования во всех типах систем для генерирования аналоговых сигналов с помощью цифроаналогового преобразователя, а также в его компактности, простоте и экономичности. Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:на фиг.1 - блок-схема одного из известных устройств,
на фиг. 2 - блок-схема одного из примеров выполнения предлагаемого устройства,
на фиг.3-6 - спектральные характеристики сигналов, иллюстрирующие работу в соответствующей области частот сигма-дельта-модулятора в предлагаемом в изобретении устройстве, и
на фиг. 7 - блок-схема одного из примеров выполнения сигма-дельта-модулятора, используемого в предлагаемом в изобретении устройстве. Хотя в настоящем описании речь идет о прямых цифровых синтезаторах, тем не менее изобретение может найти применение и в других типах устройств для генерирования сигналов по цифровым данным. На фиг. 1 показана блок-схема известного прямого цифрового синтезатора. Этот синтезатор включает, например, три основных блока 1, 2, 3. Предназначенный для генерирования цифровых отсчетов синусоидального сигнала, который должен синтезироваться, блок 1 принимает цифровое слово для управления частотой, а также тактовый сигнал. Обычно этот блок 1 включает накапливающий сумматор 11 фазы и запоминающее устройство 12, в котором храниться таблица синусов. Сумматор 11 содержит, например, цифровой генератор пилообразного сигнала, который подключен к адресной шине запоминающего устройства 12, содержащего таблицу синусов. Выход этого первого блока 1 соединен с входом блока 2, предназначенного для преобразования цифровых сигналов, формируемых первым блоком 1, в аналоговый сигнал. В блоке 2 содержится ЦАП, или этот блок просто является цифроаналоговым преобразователем. Выход второго блока 2 соединен с входом блока 3, который является фильтром нижних частот и который необходим для того, например, чтобы исключить из сигнала спектральные компоненты, связанные с дискретизацией. На выходе этого третьего блока 3 формируется аналоговый сигнал синтезатора. Как указано выше, основной недостаток такого прямого цифрового синтезатора состоит в том, что в спектре выходного сигнала содержится много паразитных составляющих. Появление этих паразитных составляющих обусловлено, в частности, двумя основными причинами, относящимися к ранее описанному процессу цифроаналогового преобразования. Первая причина заключается в квантовании амплитуды, а вторая связана с нелинейностью использованного ЦАП. На фиг.2 показана блок-схема одного из примеров выполнения предлагаемого в изобретении прямого цифрового синтезатора. Сигма-дельта-модулятор 21 включен между блоком 1 для генерирования цифровых отсчетов или для генерирования слов, которые должны преобразовываться в аналоговый сигнал, и блоком 2 с цифроаналоговым преобразователем. Такой способ является известным способом использования модулятора для перехода от N-разрядного слова к М-разрядному слову, где М меньше N, с устранением ошибки округления в полезной полосе частот сигнала, которая является полосой частот, в которой синтезируется синусоидальный сигнал или другой сигнал. Спектральные компоненты, связанные с таким округлением, затем в этой полосе частот подавляются. В предлагаемом устройстве сигма-дельта-модулятор высокого порядка используется не только для того, чтобы исключить ошибку квантования, но также и для того, чтобы существенно уменьшить влияние нелинейности ЦАП. Таким образом, используемый в предлагаемом устройстве сигма-дельта-модулятор позволяет, кроме того, решить проблему нелинейности, а также устранить ошибки округления. Расположенная на выходе первого блока 1 шина разделяется на М старших бит, которые поступают на вход, например, модуля 22 задержки, а также на N-M младших бит, которые поступают в сигма-дельта-модулятор 21. Выход этого модулятора является М-битовым сигналом, который прибавляется к выходному М-битовому сигналу модуля 22 задержки цифровым сумматором 23. Задержка, созданная модулем 22 задержки, соответствует времени, необходимому сигма-дельта-модулятору для обработки слова на участке между его входом и выходом. Результат суммирования представляет входной сигнал ЦАП 2. Фильтр 3 нижних частот, который подключен, например, к выходу ЦАП 2, отфильтровывает спектральные компоненты, связанные с дискретизацией, и сформированные сигма-дельта-модулятором 21. Входной сигнал модулятора 21 является ошибкой
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
S(z) = z-
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212449/945.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/946.gif)
где z-
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212449/945.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/946.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/949.gif)
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212463/946.gif)
2N-2-2N-M и 3
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
Сигнал на выходе блока 1 генерирования цифровых отсчетов в свою очередь кодируется N битами с амплитудой, которая определяется в данном случае таким образом, чтобы отсутствовало переполнение при суммировании его в элементе 23 с выходным сигналом модулятора 21. Поэтому сигнал на выходе блока 1 имеет амплитуду, изменяющуюся, например, между следующими значениями:
2N-2-2N-M и 3
![устройство для генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, прежде всего для прямого цифрового синтеза, патент № 2212757](/images/patents/258/2212451/8226.gif)
Таким образом, изобретение позволяет минимизировать увеличение приращения шума синтезатора в полосе частот полезных сигналов. Фактически увеличение шума происходит только из-за распространения энергии нелинейности ЦАП в этой полосе, при этом энергия квантования не вносит какой-либо вклад в это увеличение, поскольку эффект квантования гасится в процессе суммирования выходного сигнала блока 1 генерирования цифровых отсчетов и выходного сигнала сигма-дельта-модулятора 21. Для этого необходимо, чтобы период некоррелированного сигнала 51 был достаточно большим, причем этот период зависит, в частности, от периода последовательности N-разрядных слов, формируемых блоком 1 генерирования цифровых отсчетов. Изобретение может быть использовано во всех типах систем генерирования аналоговых сигналов с использованием цифроаналоговых преобразователей, независимо от того, являются ли эти сигналы синусоидальными или нет. Изобретение может быть реализовано достаточно просто, поскольку оно требует только включения в обычную схему некоторых дополнительных элементов, среди которых наиболее важным является сигма-дельта-модулятор. По тем же причинам предлагаемое устройство является компактным, а также экономичным из-за низкой стоимости используемых в нем компонентов.
Класс H03M1/06 непрерывная коррекция или предотвращение нежелательного влияния физических параметров