CN103178783B

CN103178783B - 求和调制信号发生器

Info

Publication number: CN103178783B
Application number: CN201110431664.XA
Authority: CN
Inventors: 丁新宇; 王悦; 王铁军; 李维森
Original assignee: Rigol Technologies Inc
Current assignee: Rigol Technologies Inc
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2031-12-21
Also published as: CN103178783A

Abstract

一种求和调制信号发生器，该求和调制信号发生器包括：载波相位累加器，以主时钟的频率累加载波频率控制字得到相码；载波存储器，将相码作为载波存储器的读地址，从载波存储器中读出与载波形状对应的载波信号；调制波相位累加器，以主时钟的频率累加调制波频率控制字，累加溢出后产生读使能信号；调制波存储器，在读使能信号控制下读出与调制波形对应的调制波信号；求和调制装置，采用载波比例系数对载波信号的幅度进行处理，采用调制波比例系数对调制波信号的幅度进行处理，将处理后的载波信号和调制波信号进行波形叠加。

Description

求和调制信号发生器

技术领域

本发明涉及信号发生器技术领域，特别涉及一种求和调制(SUM Modulation)信号发生器。

背景技术

函数任意波形发生器，可产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波)信号，也可产生任意波形；除可供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。随着电子技术的发展，要求函数任意波形发生器能够产生丰富的调制信号，如常见的数字调制信号和模拟调制信号。在通信设备、仪表仪器的研发调试过程中，还要求函数任意波形发生器能够输出一种模拟实际工作环境的、叠加噪声的波形，这种调制方式称为求和调制。然而，目前对于求和调制尚未有成熟的技术公开。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明实施例提供一种求和调制信号发生器，以实现对任意类型的载波与调制波进行求和调制。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种求和调制信号发生器，所述求和调制信号发生器包括：载波相位累加器，以主时钟的频率累加载波频率控制字得到相码；载波存储器，将所述相码作为载波存储器的读地址，从所述载波存储器中读出与载波形状对应的载波信号；调制波相位累加器，以主时钟的频率累加调制波频率控制字，累加溢出后产生读使能信号；调制波存储器，在所述读使能信号控制下读出与调制波形对应的调制波信号；求和调制装置，采用载波比例系数对所述载波信号的幅度进行处理，采用调制波比例系数对所述调制波信号的幅度进行处理，将处理后的载波信号和调制波信号进行波形叠加。

所述求和调制信号发生器还包括：主控单元，控制所述求和调制信号发生器中各部分的工作，并配置所述载波频率控制字、载波形状、载波比例系数、调制波形、调制波比例系数以及调制波频率控制字；所述载波比例系数和所述调制波比例系数的和为1。

所述求和调制装置包括：载波乘法器，将所述载波比例系数乘以所述载波信号获得载波分量；调制波乘法器，将所述调制波比例系数乘以所述调制波信号获得调制波分量；加法器，将所述载波分量和所述调制波分量相加。

或者，所述求和调制装置包括：第一减法器，将调制波信号减去载波信号得到第一中间信号；第一乘法器，将第一中间信号乘以所述调制波比例系数得到第一输出信号；第一加法器，将所述载波信号与第一输出信号相加。

或者，所述求和调制装置包括：第二减法器，将载波信号减去调制波信号得到第二中间信号；第二乘法器，将第二中间信号乘以所述载波比例系数得到第二输出信号；第二加法器，将所述调制波信号与所述第二输出信号相加。

所述求和调制信号发生器还包括：调制源选择器，基于用户选择，从存储的调制波以及外部调制波中选择一路调制波信号，提供给所述求和调制装置。

本发明实施例的技术方案，所占用的系统资源很少，不仅成本低、结构简单，而且实现、调试容易，可加快产品上市时间。并且，由于写入存储器的波形可以是任意形状的，本发明实施例可支持任意形状的载波、任意形状的调制波；而且调制波不仅可以是内部调制源，也可以是外部模拟调制源；不仅如此，载波频率、内部调制源的频率均是可设的。这些灵活的配置大大方便了用户的使用。

附图说明

图1为叠加噪声的正弦波示意图；

图2为本发明实施例求和调制信号发生器的原理图；

图3为本发明实施例的求和调制过程示例图；

图4为本发明实施例求和调制信号发生器的求和调制装置变型之一；

图5为本发明实施例求和调制信号发生器的求和调制装置变型之二；

图6为本发明实施例求和调制信号发生方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明权利要求保护的范围。

本发明实施例首先提供一种求和调制信号发生器，本发明实施例涉及的求和调制并非模数转换器(ADC)技术领域的增量求和调制，而是指多个波形的叠加。例如，通信传输中，有用的信号常常会淹没在各种噪声中；在音频生命探测仪在检测时，容易受到噪音的影响，它的探头上接收到的是叠加了噪声的生命信号。图1.a用正弦信号模拟人体心跳信号，图1.b模拟工频噪声信号，图1.c表示二者叠加后形成噪声背景下的生命信号。本发明实施例将有用波形称为载波，要叠加的波形称为调制波。本发明实施例的求和调制信号发生器支持任意波表的叠加，不限于噪音信号，并且还支持对调制波和载波的频率、形状进行选择，以及对调制波和载波的比例系数进行微调。

求和(SUM)信号是在载波上叠加调制波后的信号，本发明实施例有如下关系式：

求和信号＝载波*载波比例系数+调制波*调制波比例系数--------【公式1】

载波比例系数+调制波比例系数＝1--------【公式2】

很多函数信号发生器都是采用直接频率合成(DDS)技术来产生波形，其基本架构是DDS+DAC(数模转换器)。DDS产生数字波形，DAC将其转换为模拟量。相位累加器、波形存储器、数模变换器是DDS技术产生信号的基本结构。

图2为本发明实施例求和调制信号发生器的原理图，如图所示，本发明实施例在DDS结构的基础上，按照公式1增加求和调制装置20用于产生求和调制信号，图中的虚线框内的模块共同组成求和调制装置20，其中包括载波乘法器204、调制波乘法器208以及加法器209。下面详细介绍图2的工作原理。

(1)时钟模块201，产生主时钟230，作为其它模块的工作时钟；

(2)N位载波相位累加器202，以主时钟230的频率累加载波频率控制字220得到相码231，载波频率控制字决定输出的载波频率：

载波频率＝主时钟230频率*载波频率控制字220/2^N--------【公式3】

(3)载波存储器203，存储载波一个周期的样点。如果是特殊形状的载波，利用波形压缩功能，也可以不用存储整个周期。例如正弦波，可以只存储1/4个周期。调制开始前由主控单元写入载波形状221，可以是任意波形，例如正弦波、锯齿波、方波等。相位累加器的相码作为载波存储器的读地址，从中取出与载波形状221对应的波形样点232形成载波；

(4)载波乘法器204，如公式1，将载波232乘上载波比例系数222得到载波分量233；

(5)模数转换器205，将模拟量的待调制信号234转换为数字量235，便于FPGA/DSP的处理；

(6)M位调制波相位累加器213，用于控制内部调制源的速率；具体实现方法是累加调制波频率控制字226，累加溢出后产生一个信号242，作为调制存储器的读使能，以决定调制存储器206读出的调制波频率。

调制波频率＝主时钟230频率*调制波频率控制字226/2^M--------【公式4】

(7)调制波存储器206，存储的是某些标准的函数波形或者用于自定义的文件，在调制前，根据用户选择，某个调制波形223被写入到调制存储器中；调制开始后，在读使能242控制下读出存储的与调制波形223对应的调制波；

(8)调制源选择器207，根据用户的命令224选择外部调制源235或者内部调制源236；

(9)调制波乘法器208，如公式1，将选择后的调制源幅度237乘上调制波比例系数225得到调制波分量238；

(10)加法器209，将载波分量233加上调制波分量238，二者之和即为数字形式的求和调制波239；

(11)数模转换器210，将数字量239转换为阶梯波240；

(12)模拟电路211，完成滤波、衰减、放大等，经过这些处理后就产生了求和信号241；

(13)主控单元212，控制整个系统的工作，可以由DSP处理器或者其它通用处理器担任；图2中的220、221、222、223、224、225、226都由主控单元配置。

由【公式3】和【公式4】可知，使用更高频率的主时钟，则载波频率、调制波频率可以更高；采用较宽位数的累加器，二者可以获得更高的频率精度。

图3以载波为正弦波、调制波为方波说明了上述求和调制过程。载波232是正弦波，乘上载波比例系数后幅度减小，载波分量如233；调制波237是方波，乘上调制波比例系数后幅度减小，调制波分量如238；二者相加后得到求和信号239。

对FPGA而言，乘法器资源有限，且使用乘法器会增加功耗；但FPGA逻辑资源非常丰富，适合用于加法、减法运算。对DSP而言，浮点乘法运算比加、减法运算要慢很多。鉴于此，有必要对图2中的两个乘法器的结构做出改进。

对图2的一种改进方式如下，根据【公式1】和【公式2】可知，求和调制波又可表述为：

求和调制波＝载波+(调制波－载波)*调制波比例系数--------【公式5】

因此，图2中的两个乘法器204、208和加法器209的结构可用图4代替。图4的求和调制装置40包括：减法器301、乘法器302以及加法器303。其中：

减法器301的输出311＝(调制波237－载波232)；

乘法器302的输出312＝(调制波237－载波232)*调制波比例系数225；

加法器303的输出即为图2中的求和调制波239＝载波232+(调制波237－载波232)*调制波比例系数225。

与图2相比，改进后的图4方案只使用了一个乘法器，节约了资源，降低了功耗；而且主控单元只需要配置调制波比例系数225，无需再计算、配置载波比例系数222，因此图4方案的系统响应时间会更快。

对图2的另一种改进方式如下，根据【公式1】和【公式2】可知，求和调制波还可表述为：

求和调制波＝调制波+(载波－调制波)*载波比例系数--------【公式6】

图2中的两个乘法器204、208和加法器209的结构可用图5代替。图5的求和调制装置50包括：减法器304、乘法器305以及加法器306。其中：

减法器304的输出313＝(载波232－调制波237)；

乘法器305的输出314＝(载波232－调制波237)*载波比例系数222；

加法器306的输出即为图2中的求和调制波239＝调制波237+(载波232－调制波237)*载波比例系数222。

与图2相比，改进后的图5方案只使用了一个乘法器，节约了资源，降低了功耗；而且主控单元只需要配置载波比例系数222，无需再计算、配置调制波比例系数225，因此图5方案的系统响应时间会更快。

对应于前述实施例的求和调制信号发生器，本发明实施例还提供一种求和调制信号发生方法。图6为本发明实施例求和调制信号发生方法流程图，如图6所示，该方法包括：

S601、采用载波比例系数对载波信号的幅度进行处理；

S602、采用调制波比例系数对调制波信号的幅度进行处理；

S603、将处理后的载波信号和调制波信号进行波形叠加。

对于图6的一种具体的实现方法为：将所述载波比例系数乘以所述载波信号获得载波分量；将所述调制波比例系数乘以所述调制波信号获得调制波分量；将所述载波分量和所述调制波分量相加。

对于图6的另一种具体的实现方法为：将调制波信号减去载波信号得到第一中间信号；将第一中间信号乘以所述调制波比例系数得到第一输出信号；将所述载波信号与第一输出信号相加。

对于图6的又一种具体的实现方法为将载波信号减去调制波信号得到第二中间信号；将第二中间信号乘以所述载波比例系数得到第二输出信号；将所述调制波信号与所述第二输出信号相加。

前述三种具体实现方法已经在图2、图4和图5中进行了详细的描述，此处不再展开。

可选地，图6的方法还包括：对载波的频率、形状进行选择；对调制波的频率、形状进行选择。

可选地，图6的方法还包括：从外部调制波信号源以及内部调制波信号源中选择一路调制波信号。

目前很多信号发生器都采用FPGA技术。主流FPGA含有丰富的逻辑资源，可用以实现加法器、减法器；另外FPGA还内嵌有乘法器和存储器。采用本发明实施例的技术方案，所占用的FPGA资源都很少，不仅成本低、结构简单，而且实现、调试容易，可加快产品上市时间。并且，由于写入存储器的波形可以是任意形状的，本发明实施例可支持任意形状的载波、任意形状的调制波；而且调制波不仅可以是内部调制源，也可以是外部模拟调制源；不仅如此，载波频率、内部调制源的频率均是可设的。这些灵活的配置大大方便了用户的使用。

以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种求和调制信号发生器，其特征在于，所述求和调制信号发生器包括：

载波相位累加器，以主时钟的频率累加载波频率控制字得到相码；

载波存储器，将所述相码作为载波存储器的读地址，从所述载波存储器中读出与载波形状对应的载波信号；

调制波相位累加器，以主时钟的频率累加调制波频率控制字，累加溢出后产生读使能信号；

调制波存储器，在所述读使能信号控制下读出与调制波形对应的调制波信号；

求和调制装置，采用载波比例系数对所述载波信号的幅度进行处理，采用调制波比例系数对所述调制波信号的幅度进行处理，将处理后的载波信号和调制波信号进行波形叠加。

2.根据权利要求1所述的求和调制信号发生器，其特征在于，所述求和调制信号发生器还包括：

主控单元，控制所述求和调制信号发生器中各部分的工作，并配置所述载波频率控制字、载波形状、载波比例系数、调制波形、调制波比例系数以及调制波频率控制字；所述载波比例系数和所述调制波比例系数的和为1。

3.根据权利要求1所述的求和调制信号发生器，其特征在于，求和调制装置包括：

载波乘法器，将所述载波比例系数乘以所述载波信号获得载波分量；

调制波乘法器，将所述调制波比例系数乘以所述调制波信号获得调制波分量；

加法器，将所述载波分量和所述调制波分量相加。

4.根据权利要求1所述的求和调制信号发生器，其特征在于，所述求和调制装置包括：

第一减法器，将调制波信号减去载波信号得到第一中间信号；

第一乘法器，将第一中间信号乘以所述调制波比例系数得到第一输出信号；

第一加法器，将所述载波信号与第一输出信号相加。

5.根据权利要求1所述的求和调制信号发生器，其特征在于，所述求和调制装置包括：

第二减法器，将载波信号减去调制波信号得到第二中间信号；

第二乘法器，将第二中间信号乘以所述载波比例系数得到第二输出信号；

第二加法器，将所述调制波信号与所述第二输出信号相加。

6.根据权利要求1所述的求和调制信号发生器，其特征在于，所述求和调制信号发生器还包括：

调制源选择器，基于用户选择，从存储的调制波以及外部调制波中选择一路调制波信号，提供给所述求和调制装置。