Цифровой многоканальный синтезатор сетки частот

 

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов. С целью формирования ансамбля периодических сигналов делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ЧПКД) 2 совместно с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 4 и счетчиком ПЗУ 3 образуют источник периодического сигнала, частота которого определена кодом, формируемым в счетчике 7. С приходом очередного импульса дискретизации на шине 13 состояние счетчика 7 изменяется и инициирует блок синхронизации (БС) 1. После запуска БС 1 импульсы с тактового генератора 10 поступают на делитель ЧПКД 2 и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ЧФКД) 5, формируя при этом на выходе ПЗУ 4 синусоидальный сигнал, который поступает через цифровой коммутаор (ЦК) 12 на шины данных регистров хранения и записи информации (ХЗИ) 8 и 9. На выходе делителя ЧФКД 5 формируются импульсы записи, поступающие через ЦК 12 на выходы записи регистров ХЗИ 8 и 9 и счетчик адреса 6. Последний формирует адрес, по которому происходит запись сигнала с выхода ПЗУ 4. Режим работы ЦК 12 определяется состоянием триггера 11. Совокупность вышеописанных элементов и связей позволяет формировать ансамбль периодических сигналов с высокой точностью, а также обеспечивает асинхронный режим обмена цифровыми данными. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов, а также в качестве базового устройства для дискретного преобразования Фурье (ДПФ) сигналов.

Известны синтезаторы частот, на основе которых можно решить задачу формирования ансамбля гармонических сигналов с равномерной сеткой частот (см. авт. св. СССР, кл. H 03 B 21/02 NN 657577, 845262, 964965, 1109861, 1365345, 1427553).

Основным недостатком синтезаторов частот, описанных в авт. св. NN 1427553, 964965, 1365345, кл. H 03 B 21/02, является ограниченность количества выходных сигналов: все они имеют один выход. Для формирования ансамбля из N гармонических сигналов потребуется N синтезаторов частот. Таким путем можно решить задачу формирования ансамбля гармонических сигналов. В этом случае используется набор независимых автономных генераторов для получения колебаний с требуемой частотой. Очевидно, что такой способ формирования ансамбля гармонических сигналов является простым, но требует больших аппаратных средств как следствие этого, ограничивает величину ансамбля гармонических сигналов.

Иной путь решения задачи формирования ансамбля гармонических сигналов описан в авт. св. N 845262. Многочастотный генератор содержит эталонный генератор 1, умножители частоты 8 и 9, блок формирования высокой частоты 2, который в свою очередь состоит из управляемого генератора 4, смесителя 5, фазового детектора 6, фильтра низкой частоты 7. Кроме этого многочастотный генератор содержит блоков ФАПЧ, на выходах которых формируется частотная сетка сигналов. Поскольку каждой гармонике частотной сетки соответствует отдельный блок ФАПЧ, то при расширении частотной сетки количество необходимых блоков ФАПЧ может достичь такого предела, когда устройство станет физически нереализуемым по техническим или экономическим соображениям. Для данного многочастотного генератора следует отметить сложный алгоритм взаимодействия функциональных узлов, что определяет сложную методику наладки и настройки и требует высокой квалификации настройщика.

Вышеописанные аналоги цифрового синтезатора сетки частот имеют общий недостаток, а именно - сложность и ограниченные размеры ансамбля гармонических сигналов.

Из известных цифровых многоканальных синтезаторов сетки частот (ЦМССЧ) наиболее близким по технической сущности является синтезатор частот по авт. св. СССР N 1608777, кл. H 03 B 19/00 (аналог).

Программируемый многоканальный цифровой синтезатор частот содержит сумматор 1, первый запоминающий блок 2, постоянный запоминающий блок 3, задающий генератор 4, формирователь 5 импульсов, регистр 6 сдвига, а также - счетчик 7, первый 8 и второй 9 коммутаторы, второй 10 и третий 11 запоминающие блоки.

Чтобы провести анализ недостатков устройства, выбранного в качестве аналога, необходимо отметить следующее.

Цифровая обработка сигналов в реальном времени базируется на квантовании по времени и дальнейшему квантованию по уровню непрерывного сигнала.

Основным параметром квантования по времени является период дискретизации T_д, либо частота дискретизации F_д. В дальнейшем будем оперировать с понятием период дискретизации. Числовые значения цифровых данных привязаны строго и точно к временным точкам, являющимся результатом квантования по времени.

Поэтому в цифровых устройствах, в том числе и в цифровых синтезаторах частот, работающих в реальном времени, должна быть в явном или неявном виде шина дискретизации. После инициирующих импульсов на шине дискретизации цифровое устройство начинает процесс по обработке цифровых данных по определенным алгоритмам с целью получения определенного результата. В случае с многоканальными цифровыми синтезаторами результатом является группа цифровых значений фаз и дальнейшее сопоставление этих фаз к определенным цифровым значениям амплитуд периодических сигналов. Сопоставление значений фаз к значениям амплитуд происходит, как правило в постоянном запоминающем устройстве. Именно так реализовано сопоставление амплитуд и фаз в заявленном устройстве и устройстве, являющемся аналогом. Все полученные результаты по формированию цифровых амплитуд сигналов относятся к предыдущему или к последующему временному отчету. Теперь встает вопрос о возможности и способе использования цифровых результатов, сформированных в цифровом синтезаторе частот. Устройство по авт.свид. N 1608777 реализует синхронный способ использования цифровых результатов. В течение периода дискретизации равномерно во времени разворачивается последовательность адресов, которая обозначает номер канала, и синхронно с адресами формируются цифровые значения амплитуд периодических сигналов. Очевидно, что такая передача информации к пользователю (процессор или цифровой обрабатывающий блок) должна быть синхронна и в качестве пользователя могут быть только узкоспециализированные процессоры (спецвычислители). Другими словами устройство по авт.свид. N 1608777 является частью конкретного спецпроцессора и не является законченной структурой с точки зрения цифровой обработки сигналов, т.е. обладает функциональной ограниченностью.

Основным функциональным блоком в устройстве-аналоге, влияющим на точность установки частот, является совокупность элементов: задающий генератор 4, сумматор 1, запоминающий блок 2, регистр сдвига 6 и связи между ними. Представленная совокупность элементов на выходе регистра сдвига 6 формирует цифровые значения фаз. Скорость изменения фазы, определяет частоту формируемых сигналов, которая будет равна F_вых = N_вх·f_о/2^n+m, где F_вых - выходная частота формируемых сигналов; f_о - опорная частота задающего генератора; N_вх - управляющий код на информационном входе; m+n -разрядность регистра сдвига.

Анализ выражения (1) показывает, что дискретность установки частоты (частотный шаг или частотная сетка) равна f_о/2^m+n. В этом выражении в знаменателе находится двоичное число, которое является практически непреодолимым препятствием при необходимости формирования десятичной сетки частот, не говоря уже о формировании произвольной сетки частот, В данном случае существует один способ для формирования десятичной сетки частот - использовать в качестве задающего генератора устройство с двоичной опорной частотой. По информации, имеющейся у автора, в отечественной и зарубежной технике не производятся высокостабильные опорные генераторы с двоичной частотой. Отечественные производители (г. Омск) выпускают высокостабильные генераторы "Сонет" - 5000 кГц и "Гиацинт" - 10000 кГц.

Основные вычисления, представление информации и интерпретация в подавляющих областях науки и техники используют международную метрическую систему (десятичная). Поэтому использование устройства по авт.свид. N 1608777 приводит к необходимости подбора параметров в выражении (1) для приближения к метрическому частотному шагу. Степень приближения к желаемой сетке частот определяет погрешность установки частот. Такое приближение связано с повышением разрядности цифровых элементов и следовательно к увеличению затрат на изготовление устройства. Следовательно, в качестве второго недостатка устройства-аналога является методическая погрешность установки частот.

Таким образом, программируемый многоканальный цифровой синтезатор частот по авт. свид. N 1608777 имеет методическую погрешность установки частот и обладает функциональной ограниченностью.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой многоканальный синтезатор частот, содержащий тактовый генератор, счетчик адреса, постоянное запоминающее устройство, первый и второй регистры хранения и записи информации, выходы которых объединены, цифровой коммутатор, адресный вход чтения которого подключен к шине адреса, а выход счетчика адреса подключен ко входу адреса записи цифрового коммутатора, дополнительно введены тактовый триггер, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, счетчик адреса постоянного запоминающего устройства, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, счетчик, блок синхронизации, первых вход которого объединен с входами счетчика и тактового триггера и подключен к шине дискретизации, второй вход блока синхронизации соединен с выходом тактового генератора, а третий вход соединен с выходом переполнения счетчика адреса и объединен с входами начальной установки делителя ЧПКД, делителя ЧФКД, счетчика адреса постоянного запоминающего устройства и счетчика адреса, причем выход блока синхронизации соединен с тактовым входом делителя ЧФКД и тактовым входом делителя ЧПКД, вход управления которого соединен с выходом счетчика, а выход делителя ЧПКД подключен ко входу счетчика адреса ПЗУ, выход которого соединен с входной адресной шиной ПЗУ, причем выход ПЗУ подключен через цифровой коммутатор к шине данных первого и второго регистра хранения и записи информации, входы записи которых через цифровой коммутатор подключены к выходу делителя ЧФКД и входу счетчика адреса, при этом входы чтения первого и второго регистра ХЗИ через цифровой коммутатор подключены к шине чтения, а выходная шина данных подключена к выходу второго регистра ХЗИ.

Предлагаемый синтезатор ЦМССЧ в своей внутренней структуре содержит тактовый генератор, блок синхронизации, счетчик, тактовый триггер, делитель ЧПКД, делитель ЧФКД, счетчик адреса и постоянное запоминающее устройство, которые в своей совокупности представляют собой устройство, формирующее цифровые амплитуды и фазы (в дальнейшем формирователь). Аналогичным устройством, с точки зрения синхронного обмена цифровыми данными, является устройство по авт.свид. N 1608777. Выход счетчика адреса 6 предлагаемого устройства соответствует адресному выходу устройства по аналогу, а выход ПЗУ 4 в предлагаемом устройстве соответствует выходу постоянного запоминающего блока 3 в устройстве-аналоге.

Тенденция развития вычислительной техники показывает необходимость использования асинхронных способов передачи цифровых данных. Это дает возможность использовать широкий набор универсальных процессоров, которые все шире и шире применяются не только в вычислительной технике, но также в автоматике, телеметрии, измерительных системах и системах управления технологическими процессами.

Асинхронный способ передачи цифровых данных, применительно к заявленному синтезатору частот, заключается в следующем. В течение периода дискретизации цифровой многоканальный синтезатор сетки частот (ЦМССЧ) формирует цифровые значения фаз и соответствующие им цифровые значения амплитуд периодических сигналов. Эти результаты записываются в один из регистров хранения и записи информации (в дальнейшем регистр ХЗИ) и соотносятся к следующему временному отчету. В этот интервал времени обращаться к этим данным нет смысла, потому что цифровые данные, относящиеся к данному периоду дискретизации, находятся в другом регистре ХЗИ и были сформированы в предыдущий период дискретизации.

На чертеже изображена блок-схема цифрового многоканального синтезатора сетки частот.

Описание и пояснение работы ЦМССЧ проведем на примере формирования ансамбля периодических синусоидальных сигналов. Величина ансамбля определяет количество каналов. В качестве базового элемента в структуре ЦМССЧ является делитель ЧПКД 2 (преобразователь код - частота).

Автор не детализировал этот элемент, считая подобные преобразователи достаточно разработанными и известными устройствами, например устройства по авт.свид. N 1206959, авт.свид. N 1167736.

Совместно с счетчиком адреса ПЗУ 3 и ПЗУ 4, где хранится образ одного периода синусоидального сигнала, делитель ЧПКД 2 образует источник гармонического сигнала. Частота гармонического сигнала определяется кодом N, который формируется в счетчике 7, и равна где f_о - частота тактового генератора 10; M - параметр делителя ЧПКД 2, M - простое целое число; N - выходной код счетчика 7;
K₁ - коэффициент счета счетчика 3.

В выражении (2) отсутствует двоичный параметр и поэтому разработчик свободен в выборе частотного шага при формировании ансамбля частот, а в предлагаемом устройстве отсутствует погрешность установки частоты. Формирование фаз и амплитуд для всех каналов происходит инициированием шины дискретизации. С приходом этого импульса на первый вход блока синхронизации тактовые импульсы с генератора 10 поступают на входы делителя ЧПКД и делителя ЧФКД. Делитель ЧФКД, имеющий коэффициент счета K₁, причем K₁ должен быть больше или равен параметру M делителя ЧПКД 2, формирует временные интервалы равные K₁/f_о. Синхронно с этими интервалами в счетчике адреса ПЗУ 3, имеющим также коэффициент счета K₁, формируется цифровое значение фаз всех каналов. Одновременно с формированием фаз в ПЗУ 4 происходит формирование амплитуд всех каналов. При этом на выходе ПЗУ 4 формируется цифровой сигнал равный

где f_о - частота тактового генератора 10;
M - параметр делителя ЧПКД 2, M - простое целое число;
N - выходной код счетчика 7;
K₁ - коэффициент счета счетчика 3;
t - текущее время.

Учитывая, что
t = n/f_о
где n - количество импульсов с генератора 10, получаем выражение

где

Таким образом, на выходе ПЗУ 4 разворачивается во времени синусоидальный сигнал, описываемый формулой (3) и поступающий через цифровой коммутатор на шину данных регистра ХЗИ 8 или регистра ХЗИ 9. Через промежутки времени, равные K₁/f_о, на выходе делителя ЧФКД 5 формируются импульсы записи, которые поступают через цифровой коммутатор 12 на входы записи регистра ХЗИ 8 или регистра ХЗИ 9. Одновременно импульсы записи поступают на счетчик адреса 6, который формирует адрес, по которому происходит запись сигнала с выхода ПЗУ 4 в регистр ХЗИ 8 или регистр ХЗИ 9, а также формирует сигнал конца записи в регистры ХЗИ 8 и 9. При появлении первого импульса K₁ с выхода делителя ЧФКД происходит запись амплитуды периодического сигнала, формируемой в ПЗУ 4, через коммутатор 12 в регистр ХЗИ. Это значение цифрового сигнала соответствует сигналу первого канала и времени последующего временного отчета.

При появлении второго импульса 2(К1) с выхода делителя ЧФКД происходит запись амплитуды периодического сигнала в регистр ХЗИ, которая соответствует сигналу второго канала и времени последующего временного отчета. Дальнейшее формирование амплитуд и запись по соответствующим каналам, адреса которых формируются в счетчике адреса 6, происходит аналогично вышеописанному. Количество каналов определяется величиной коэффициента счета K2 счетчика адреса 6. Время формирования фаз и амплитуд для всех каналов должно не превышать периода дискретизации.

Следующий инициирующий сигнал на шине дискретизации приводит к аналогичному процессу формирования фаз и амплитуд. Отличие заключается в изменении величины N в выражении (5). Это значение определяет состояние счетчика 7. С приходом сигналов на шину дискретизации значение счетчика увеличивается на единицу. Это приведет к другому значению скорости изменения фазы в соответствии с выражением (2) и соответственно изменяются значения амплитуд по формуле (5), которые будут записаны во все каналы.

Таблица поясняет процесс формирования амплитудных значений по каждому из каналов в двух временных измерениях. В строчках показаны амплитудные значения соответствующих фаз, развернутые во времени в течение периода дискретизации, т.е представлены значения всех каналов в один временной отчет. В столбцах представлены значения амплитуд периодических сигналов, развернутые во времени, которое определяется квантованием по времени (период дискретизации).

В результате получаем следующее значение цифрового сигнала, формируемого предлагаемым синтезатором по каждому из каналов
S^*_m = sin(mΔw)·t,
где t = T_д·k;
m - номер канала;
T_д - период дискретизации;
k - номер времнного отчета.

Инициирующие сигналы на шине дискретизации приводят к изменению состояния счетчика 7 и тактового триггера 11. Функциональное назначение счетчика 7 было описано выше. Функциональное назначение триггера 11 заключается в управлении цифровым коммутатором 12, который совместно с регистрами ХЗИ 8 и 9, обеспечивает асинхронный способ считывания цифровых значений периодических сигналов по всем каналам. Асинхронный способ передачи цифровых данных, применительно к заявленному синтезатору частот, заключается в следующем. В течение периода дискретизации цифровой многоканальный синтезатор сетки частот (в дальнейшем ЦМССЧ) формирует цифровые значения фаз и соответствующие им цифровые значения амплитуд периодических сигналов. Эти результаты записываются в один из регистров хранения и записи информации и соотносятся к следующему временному отчету. В этот интервал времени обращаться к этим данным нет смысла, потому что цифровые данные, относящиеся к предыдущему временному отчету, находятся в другом регистре ХЗИ и были сформированы в предыдущий период дискретизации.

Когда идет процесс формирования цифровых амплитуд, то запись этих значений происходит в один из регистров ХЗИ и эти данные готовятся для следующего временного отчета. Считывание значений амплитуд по всем каналам, подготовленное в предыдущий интервал дискретизации, происходит в другом регистре ХЗИ.

Таким образом, тактовый триггер 11 каждый период дискретизации меняет местами регистры ХЗИ для записи и считывания. Этот процесс замены регистров для пользователя "не виден". Чтение информации пользователь производит по одним и тем же адресам, которые определяют номера каналов.

Цифровой коммутатор 12 работает в двух режимах. Режим работы цифрового коммутатора определяется состоянием триггера 11. Состояние триггера 1 соответствует режиму 1 для цифрового коммутатора, состояние триггера 0 соответствует режиму 0. С появлением очередного импульса дискретизации на шине 13 состояние триггера 11 меняется на противоположное.

Режим 0 для цифрового коммутатора соответствует следующим переключениям:
- шина входных данных регистра ХЗИ 8 подключена к выходу ПЗУ4;
- шина адреса регистра ХЗИ 8 подключена к выходу счетчика адреса 6;
- вход записи регистра ХЗИ 8 подключен к выходу делителя ЧФКД54;
- вход чтения регистра ХЗИ 8 блокируется;
- шина адреса регистра ХЗИ 9 подключена к входной адресной шине 14;
- шина входных данных регистра ХЗИ 9 блокируется;
- вход чтения регистра ХЗИ 9 подключен к шине чтения 15;
- вход записи регистра ХЗИ 9 блокируется.

Режим 1 структурно соответствует вышеописанному режиму 0. Отличие заключается в том, что регистр ХЗИ 8 и регистр ХЗИ 9 меняются местами. Если в режиме 0 запись сигнала, формируемого в ПЗУ 4, производится в регистр ХЗИ 8, а чтение информации производится из регистра ХЗИ 9, то в режиме 1 сигнал из ПЗУ 4 записывается в регистр ХЗИ 9, а чтение информации производится из регистра ХЗИ 8. В таблице представлен результат записи сигнала с выхода ПЗУ 4 в регистры ХЗИ 8 и 9. Выходом устройства является выходная шина 16, которая подключена к объединенным выходам регистров ХЗИ.

Наличие в составе ЦМССЧ блока синхронизации, счетчика, счетчика адреса постоянного запоминающего устройства, делителя частоты с переменным коэффициентом деления, делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, тактового триггера позволяет расширить функциональные возможности ЦМССЧ и получить устройство, в котором отсутствует методическая погрешность установки частот.

Отсутствие методической погрешности установки частот выгодно отличает предлагаемое устройство от аналога и дает возможность применять данный синтезатор частот для спектрального анализа процессов большой длительности (десятки часов) во многих областях науки, и в частности в геофизике, сейсмологии, акустике.

Под расширением функциональных возможностей ЦМССЧ понимается то обстоятельство, что асинхронный способ использования цифровых данных обеспечивает расширение области применения данного устройства.

Вышеописанная структура ЦМССЧ является гибкой с точки зрения изменения ансамбля периодических сигналов, а так/же с точки зрения изменения формы сигналов. Размер ансамбля определяется параметром счетчика адреса, а форма сигналов записывается в ПЗУ и может быть различной.

В известной заявителю патентной информации не обнаружены технические решения с признаками, сходными с отличительными признаками заявляемого решения, обуславливающими получение новых перечисленных выше свойств.

Из вышеизложенного следует, что заявляемый цифровой многоканальный синтезатор сетки частот можно считать новым, обладающим существенными отличиями, так как он характеризуется новой совокупностью признаков, наличие которых позволяет получить положительный эффект.

Формула изобретения

Цифровой многоканальный синтезатор сетки частот, содержащий тактовый генератор, счетчик адреса, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), первый и второй регистры хранения и записи информации (ХЗИ), выходы которых объединены, цифровой коммутатор, адресный вход чтения которого подключен к шине адреса, а выход счетчика адреса подключен к входу адреса записи цифрового коммутатора, отличающийся тем, что в синтезатор введены тактовый триггер, делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ЧПКД), счетчик адреса постоянного запоминающего устройства, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ЧФКД), счетчик, блок синхронизации, первый вход которого объединен с входами счетчика и тактового триггера и подключен к шине дискретизации, второй вход блока синхронизации соединен с выходом тактового генератора, а третий вход соединен с выходом переполнения счетчика адреса и объединен с входами начальной установки делителя ЧПКД, делителя ЧФКД, счетчика адреса постоянного запоминающего устройства и счетчика адреса, причем выход блока синхронизации соединен с тактовым входом делителя ЧФКД и тактовым входом делителя ЧПКД, вход управления которого соединен с выходом счетчика, а выход делителя ЧПКД подключен к входу счетчика адреса ПЗУ, выход которого соединен с входной адресной шиной ПЗУ, причем выход ПЗУ подключен через цифровой коммутатор к шине данных первого и второго регистра хранения и записи информации, входы записи которых через цифровой коммутатор подключены к выходу делителя ЧФКД и входу счетчика адреса, при этом входы чтения первого и второго регистра ХЗИ через цифровой коммутатор подключены к шине чтения, а выходная шина данных подключена к выходу второго регистра ХЗИ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2