2007ѝ17thѝInt.ѝCrimeanѝConferenceѝ“Microwaveѝ&ѝTelecommunicationѝTechnology”ѝ(CriMiCo’2007).ѝ10-14ѝSeptember,ѝSevastopol,ѝCrimea,ѝUkraineѝ©ѝ2007:ѝCriMiCo’2007ѝOrganizingѝCommittee;ѝWeberѝCo.ѝISBN:ѝ978-966-335-014-1.ѝIEEEѝCatalogѝNumber:ѝ07EX1742ѝ 267

НОВЫЙ ТИП ФАЗОВОГО АКУМУЛЯТОРА ДЛЯ СИСТЕМ ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА – DDS

Поликаровских А. И., Гавронский В. Е.

Хмельницкий национальный университет Пр. Мира 62-30, г. Хмельницкий, 29019, Украина тел.: 8-03822-35009, e-mail: polalexey@mail.ru

Аннотация – Разработаны принципы построения и тех-

нология изготовления нового типа фазового аккумулятора для систем прямого цифрового синтеза (DDS - Direct Digital Synthesis) с улучшенными параметрами формирования фазовых отсчетов. Разработан и изготовлен эксперимен-тальный образец синтезатора прямого цифрового синтеза и проведено его сравнение с генераторами существующими сегодня. Расчётные и экспериментальные результаты пока-зали высокую корреляцию результатов, что позволяет ис-пользовать новый тип фазового аккумулятора для построе-ния систем прямого цифрового синтеза (СПЦС).

I. Введение Цифровые синтезаторы прямого синтеза

получили широкое распространение относительно недавно (80-е годы 20 ст.). Ограничения были пре-одолены и СПЦС нашли применение в системах свя-зи, вещания и навигации диапазона СВЧ. Первые промышленные образцы показали как преимущест-ва, так и недостатки рассматриваемых систем. Без-условными преимуществами являются: скорость пе-рестройки с частоты на частоту, простота управле-ния синтезатором, малые массогабаритные пара-метры и низкие уровни потребления энергии. В мес-те с тем стали очевидны проблемы СПСЦ: высокий уровень побочных спектральных составляющих, на-личие фазовых шумов, высокое значение джиттера выходного сигнала.

Базовым элементом [1,2] системы СПСЦ являет-ся фазовый аккумулятор, который и определяет ос-новные эксплуатационные параметры синтезатора.

ll. Основная часть В классической системе [2] прямого цифрового

синтеза используется накапливающий сумматор, состоящий из арифметического сумматора и регист-ра обратной связи. В подобных системах использу-ются сумматоры с разрядностью не меньше 32 раз-рядов [2]. Строить многоразрядные сумматоры с па-раллельными переносами сложно и в большинстве случаев нецелесообразно по конструктивно-технологическим причинам. Другим подходом явля-ются использование конвейеров, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема 32-ного аккумулятора с конвейерной

организацией [1]. Fig. 1. The circuit of 32 adder with pipeline organization

Использование конвейера приводит к росту коли-чества элементов аккумулятора, и к росту площади и потребляемой мощности. А это означает, что подоб-ный подход не может быть признанным перспектив-ным. Для увеличения производительности аккумуля-тора используется технологией „прогрессия – со-стояний” (рис. 2), что использует несколько аккуму-ляторов для увеличения производительности. Тем не менее, использование такой технологии приводит к увеличению времени удержания входного слова преобразователя, а итак к уменьшению синтезируе-мой частоты до четверти тактовой частоты – 4/clkf .

Рис. 2. Схема 32-ного аккумулятора с технологией

«прогрессия – состояний» [1]. Fig. 2. The circuit of 32 adder with “progress of state”

technology

Способа решения этой проблемы на сегодняшний день не предложено. За исключением некоторых ав-торов, которые предлагают использовать теорию алгебраических групп для создания особых алгебр, что не нуждаются в переносах в математическом смысле [3]. Т.е. применение непозиционных систем исчисления и особых математических операций над ними. Но использование такого подхода ведет к не-обходимости применения сложных кодирующих - декодирующих систем входных операндов и разра-ботки новой элементной базы.

Необходимо искать новые подходы к принципам прямого цифрового синтеза частоты [4].

Такой подход был предложен в рамках фазо-частотной теории [5], где частота сигнала рассмат-ривается как частное понятие обобщенной частоты сигнала [3, 6] – секвентности. Предложен новый ме-тод прямого цифрового синтеза частоты на основе полусумматора секвент [7], который может быть рас-смотрен как модификация метода аналогового син-теза частоты с использованием каскадно объеди-ненных перемножителей частот [8]. Предложена ма-тематическая модель синтезатора частоты прямого цифрового синтеза на основе каскадно объединен-ных полусумматоров секвентности:

∑−

=

+=1

0 22

20

N

nТN

nn

Nf

вих fDSS .

Принцип каскадного объединения ясен из рис 3.:

2007ѝ17thѝInt.ѝCrimeanѝConferenceѝ“Microwaveѝ&ѝTelecommunicationѝTechnology”ѝ(CriMiCo’2007).ѝ10-14ѝSeptember,ѝSevastopol,ѝCrimea,ѝUkraineѝ©ѝ2007:ѝCriMiCo’2007ѝOrganizingѝCommittee;ѝWeberѝCo.ѝISBN:ѝ978-966-335-014-1.ѝIEEEѝCatalogѝNumber:ѝ07EX1742ѝ268

Рис. 3. Структурная схема каскадного объединения

полусумматоров секвент у N-разрядный синтезатор секвентности

Fig. 3. The structural scheme of cascade of the half adder sequence in N- stage DDS

Анализ математических моделей фазовых акку-муляторов на основе накапливающего сумматора и полусумматоров секвент дал возможность составить сравнительную таблицу характеристик синтезаторов:

Табл. 1. Сравнительная характеристика тех-нических характеристик синтезаторов.

Table. 1. Comparative characteristics of DDS

Характеристика Метод

накапливаю-щего

сумматора

Метод полусум-матора секвент

Максимальная секвента Sfmax 2

Тf Тf

Минимальная секвента Sfmin N

Тf2

NТf

2

Динамический диапазон D 12 1 −−N 12 −N

Изменение фазы ∆φ

πϕ ≤∆

)0( πϕ ÷∈∆ 2πϕ ≤∆

Быстродейст-вие перена-стройки Тf

кратна 1 Тf

кратна 1

Относительная сложность реа-

лизации

средняя Кскл=50

средняя Кскл=40

Основной вывод – максимальная синтезирован-ная частота фазовым аккумулятором на основе по-лусумматоров секвентности в два раза выше, чем у фазового аккумулятора на основе накапливающего сумматора. Теоретические расчеты были подтвер-ждены экспериментальными результатами, которые показали высокую корреляцию результатов.

lII. Заключение На основе простой математической модели син-

тезатора получены теоретические результаты, кото-рые были подтверждены экспериментальными изме-рениями достаточно точно. Следовательно, предло-женный подход позволит построить широкий класс синтезаторов прямого цифрового синтеза с в два раза большим частотным диапазоном на той же элементной базе по сравнению с системами на ос-нове накапливающего сумматора.

Это позволит системам СПЦС занять более широ-кую нишу в области систем связи, навигации, радио-зондирования земной поверхности диапазонов СВЧ.

Работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Теория фазочастотных измерений и преобразова-ний радиосигналов и направления ее применения».

lV. Список литературы [1] Yang Byung-Do, Choi Jang-Hong. An 800-MHz Low-Power

Direct Digital Frequency Synthesizer With an On-Chip D/A Converter // IEEE Journal of Solid-state circuits, vol.39., №5, May, 2004.- New York.- P.761 - 774.

[2] Brandon David. DDS design.-http://www.edn.com. :EDN, 2004

[3] Хармут Х. Ф. Теория секвентного анализа. Основы и применение.-М.: Мир, 1980. - 574 с

[4] Полікаровських О. І., Троцишин І. В. Порівняльний аналіз роботи синтезаторів на базі напівсуматорів секвент та накопичуючого суматора. // Вісник ТУП. - №1. - 2005. - С.193-197.

[5] Тетеря А. А., Троцишин И. В., Рыбий В. А. Фазочастот-ный метод синтеза сетки когерентных частот // Материа-лы НТК стран СНГ "Измерительная техника в технологи-ческих процессах и конверсии производств". - Хмельниц-кий. - 1992. - С.62-63."

[6] Хармут Х. Ф. Передача информации синусоидальными функциями.- М.: Связь, 1975. -272с.

[7] Полікаровських О. І. Однокристальний синтезатор гар-монійних сигналів на основі модифікованого методу CORDIC //Вісник ТУП. - №4. -Ч.1. - Т.1. - 2005. - С.169-172

[8] Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проекти-рование: Пер. с англ./ Под ред. А. С. Галина. - М.: Связь, 1979.- 384 с.

THE NEW TYPE OF PHASE ACCUMULATOR FOR DDS

Polikarovskykh O. I., Havronskyy V. E.

Khmelnitsky National University Khmelnitsky, 29019, Ukraine

Tel.: 03822-35009, e-mail: polalexey@mail.ru

Abstract – Presented in this paper are design philosophy and fabrication technique for the new type of the phase accumulator for DDS with improved characteristics of phase counts forma-tion. Experimental model of DDS has been developed.

l. Introduction Recently DDS are widely used in different fields of technol-

ogy. The first models have demonstrated advantages and dis-advantages of these systems. Advantages are high speed of frequency tuning, simple synthesizer driving, small size.

Phase accumulator is DDS basis. It determines DDS basic experimental characteristics.

ll. Main Part It is difficult to produce discharge adders with parallel dis-

placement. Using of pipelines and “progress of stage” technol-ogy are not productive.

We should look for the new DDS principles. Such point of view was proposed in phase – frequency theory [5]. The new method has been proposed. It was based on half adder of se-quences. The mathematical model was proposed:

∑−

=

+=1

0 22

20

N

nТN

nn

Nf

вих fDSS

lll. Conclusion Theoretical results have been obtained on the basis of DDS

mathematical model. They are in good agreement with experi-mental results. DDS systems can be widely used in telecom-munication systems, navigation and electromagnetic transmis-sion range probing of earth surface in microwave band.