Цифровой вычислительный синтезатор
Цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), известный еще как схема прямого цифрового синтеза (DDS) — электронный прибор, предназначенный для синтеза сигналов произвольной формы и частоты из единственной опорной частоты, поставляемой генератором тактовых импульсов. Характерной особенностью ЦВС является то, что отсчеты синтезируемого сигнала вычисляются цифровыми методами, после чего передаются на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где и происходит их преобразование в аналоговую форму (напряжение или ток).
Этим ЦВС отличается от синтезаторов частоты, основанных на иных принципах, например, ФАПЧ.
Принцип действия
Основными функциональными блоками ЦВС являются: аккумулятор фазы, преобразователь фаза-амплитуда, ЦАП и фильтр нижних частот. Также, ЦВС содержит некоторое количество памяти, служащей для хранения параметров синтезируемого сигнала, таких как частота, фаза, амплитуда форма и др.
В каждом такте опорной частоты аккумулятор фазы (как правило, двоичный счетчик) увеличивает своё значение на величину, записанную в ячейку памяти, число, записанное в которой обычно называют приращение фазы. В результате, значение аккумулятора фазы ступенчато-линейно увеличивается со временем. Затем, вычисленное таким образом в каждом такте значение фазы преобразуется в значение амплитуды. В принципе, данное преобразование может быть произвольным и зависит от приложения. В наиболее распространенном на практике случае, для синтеза гармонических колебаний, вычисляется синус текущего значения фазы. Результат вычисления подается на вход ЦАП, выходной сигнал которого сглаживается от ступенек дискретизации фильтром нижних частот.
Особенности
Одной из важных особенностей таких устройств является высокая разрешающая способность задания значений воспроизводимых частот и их абсолютная точность (полагая задающий генератор идеальным). Доступны устройства с шагом перестройки менее 0.00001 Гц, при выходных частотах от нуля герц до сотен мегагерц и опорной частоте порядка гигагерца[1][2].
Скорость (время) перестройки выходной частоты с одного значения на другое очень высока и стабильна, и определяется, в основном, только длительностью импульсной характеристики аналогового восстанавливающего фильтра на выходе синтезатора; сама же перестройка происходит фактически моментально. Время перестройки не зависит от разности между начальной и конечной частотами. В некоторых синтезаторах такого типа предусмотрен, в том числе, автоматический линейный инкремент или хоппинг частоты. При этом приращение фазы не постоянно, а изменяется по заданному закону.
Как недостаток можно указать более высокое, по сравнению с решениями на ФАПЧ, энергопотребление из-за большого объёма вычислений, и более высокий уровень негармонических паразитных составляющих в спектре синтезируемого сигнала.
Практическая реализация
Наглядным примером реализации описанного принципа может служить следующий код на языке C:
#include <math.h>
int next_amp(int dph)
{
static int phase=0;
int amp;
phase+=dph;
amp=511.5*sin(2*M_PI*phase/0x100000000L);
return amp;
}
Здесь dph — приращение фазы, phase — текущая (мгновенная) фаза, amp — текущая (мгновенная) амплитуда синтезированного гармонического сигнала. Если функция next_amp вызывается с тактовой частотой , то её возвращаемые значения будут представлять собой выборки синусоидального сигнала с частотой и амплитудой 511.5 (при том, что сами возвращаемые значения - целочисленные). Эта амплитуда соответствует диапазону входных значений 10-разрядного ЦАП.
Здесь также использовано свойство периодичности функции синуса, а именно тот факт, что при переполнении аккумулятора фазы phase, его значение изменяется на 232, а аргумент синуса — на 2π, что не влияет на результат.