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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der direkten digitalen Frequenzsynthese. Eine Möglichkeit
zur direkten digitalen Synthese DDS von Frequenzen ist schematisch
in 1 dargestellt und wird
im weiteren Text im Detail erläutert.
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Aus dem Stand der Technik ist aus
DE 44 42 403 C2 bzw.
der entsprechenden
US
5,699,005 A bekannt, dass bei Verwendung von digitalen
taktgesteuerten Signalverarbeitungseinrichtungen direkt oder über angeschlossene
Versorgungs- oder
Signalleitungen in einem großen
Frequenzbereich Störsignale
entstehen können.
Die Ursache dieser taktbedingten Störungen sind Stromspitzen in
der taktgesteuerten Einrichtung, die durch Aktivierung einer Vielzahl
von Schaltstufen entstehen. Je höher
dabei die Taktfrequenz ist, desto größer werden die Stromspitzen.
In diesem Dokument wird vorgeschlagen, zur Unterdrückung der
Störungen
eine Modulation der Taktfrequenz durchzuführen, damit der Energieinhalt
des Störsignals
nicht auf eine konkrete Spektrallinie und ihre Harmonischen konzentriert wird,
sondern der Energieinhalt auf einen größeren Frequenzbereich möglichst
gleichmäßig verteilt
wird. Hierzu erfolgt eine Addition einer zufälligen Verzögerungszeit zum Ausgangssignal.
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US
4,410,954 beschreibt einen digitalen Frequenzsynthesizer
zur Synthetisierung einer definierten Frequenz, wobei ein Phaseninkrement
getaktet einer Kombination aus Addierer und Akkumulator zugeführt wird.
Der periodische Überlauf
des Akkumulators ergibt die gewünschte
Frequenz. Zur Vermeidung von Störungen
erfolgt die Variation der Phaseninkremente durch Addition oder Subtraktion
eines Rauschsignals entweder zum Eingangssignal oder zum Ausgangssignal
des Akkumulators zumindest während
eines Taktzyklus. Dadurch wird die Periodizität des Überlaufs des Akkumulators zufällig um
ihren Mittelwert variiert. Auch hierbei wird der Energieinhalt der
Störungen
von wenigen diskreten Frequenzen auf einen größeren Frequenzbereich verteilt und
dadurch die Intensität
der einzelnen Störlinien
reduziert.
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J. Vankka, „A Direct Digital Synthesizer
with a Tunable Error Feedback Structure", IEEE Transactions on Communications,
Vol. 45, No. 4, April 1997, S. 416 – 420 wird ein direkter digitaler
Synthesizer (DDS) beschrieben, bei dem eine hohe Spektrale Reinheit
durch eine aufwände
Verkettung von Frequenzteilern, Filtern, Mischern und Oszillatoren
erreicht wird. Die Grundkonzeption betrifft hier eine regelbare
Rückführung von
Fehlern (Error Feedback).
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US
6,219,397 beschreibt einen Frequenz-Synthesizer mit einem
geringen Phasenrauschen, der auf einem Phase-Locked Loop (PLL) beruht,
bei dem ein Teiler mit gebrochen rationalem Teilerverhältnis verwendet
wird. Der Frequenz-Synthesitzer
verwendet dabei einen Sigma-Delta-Modulator höherer Ordnung für eine Formung
des Phasenrauschens (Noise Shaping), um Quantisierungsfehler (fractional
spurs) zu unterdrücken.
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P. O'Leary et al., „A Direct-Digital Synthesizer with
Improved Spectral Performance",
IEEE Transactions on Communications, Vol. 39, NO. 7, July 1991, S.
1046 – 1048
beschreibt eine Unterdrückung
von Störungen
bei einem direkten digitalen Synthesizer DDS, wobei ein Noise Shaping
erster Ordnung verwendet wird, um Störeffekte durch Phase Truncation zu
reduzieren, also durch das Verkürzen
der Phaseninformation auf eine definierte Bitzahl m im Rahmen der
digitalen Synthese. Für
das Noise Shaping wird dabei eine Addierstufe erster Ordnung verwendet.
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Die Einrichtungen zur direkten digitalen
Frequenzsynthese nach dem Stand der Technik haben aber den Nachteil,
dass die Quantisierungsfehler nur unzureichend unterdrückt werden
und weiterhin erhebliche Störlinien
im Ausgangsspektrum des Synthesizers verbleiben. Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es daher, eine verbesserte Methode zur direkten digitalen
Frequenzsynthese bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
eine Anordnung zur digitalen Frequenzsynthese mit einer Einrichtung
zur Phasenquantisierung und einer Einrichtung zur Amplitudenquantisierung,
basierend auf einem Referenztakt und einem Phaseninkrement-Wert,
wobei der Einrichtung zur Phasenquantisierung eine Einrichtung zum
Noise Shaping der Phase signaltechnisch nachgeschaltet ist. Gemäß der Erfindung
ist nun vorgesehen, dass zusätzlich eine
Einrichtung zum Noise Shaping der Amplitude bereitgestellt wird,
die der Einrichtung zur Amplitudenquantisierung signaltechnisch
nachgeschaltet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass zusätzlich zu den
Fehlern, die durch die Phasenquantisierung entstehen, auch noch
weitere Fehler unterdrückt
werden, die durch die Amplitudenquantisierung entstehen. Diese Fehler
durch Amplitudenquantisierung entstehen durch die begrenzte Bitauflösung des
Digital-Analog-Wandlers
(D/A-Converter). Auch diese Fehler können durch ein Noise Shaping
unterdrückt werden.
Die Störenergie
der Störlinien
(Spurien) kann mit Hilfe der Erfindung für beide Arten von Fehlern hin
zu höheren
Frequenzen außerhalb
der Nutzbandbreite des Synthesizers verschoben werden. Diese Erkenntnis
ist aus dem Stand der Technik bislang nicht bekannt. Es werden bei
der Erfindung die entstehenden Fehler oder zumindest ein ausreichender
Teil der Fehler aus Phasenquantisierung und Amplitudenquantisierung
den Einrichtung zum Noise Shaping zugeführt.
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Eine spezielle Weiterbildung der
Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung zum Noise Shaping der
Amplitude und/oder die Einrichtung zum Noise Shaping der Phase als
differenzierende Einrichtungen ausgebildet ist. Alternativ oder
zusätzlich
kann auch vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Noise Shaping
der Amplitude und/oder die Einrichtung zum Noise Shaping der Phase
als mehrstufige Einrichtung zum Noise Shaping ausgebildet ist. Es
kann also jeweils nur eine der beiden Einrichtungen zum Noise Shaping
differenzierend bzw. mehrstufig ausgebildet sein, oder es können auch
beide gleichzeitig derart ausgebildet sein.
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Ist mindestens eine der Einrichtungen
zum Noise Shaping mehrstufig ausgebildet, so kann insbesondere vorgesehen
sein, dass die Einrichtung zum Noise Shaping der Amplitude und/oder
die Einrichtung zum Noise Shaping der Phase als Akkumulatorstufe
höherer
Ordnung ausgebildet ist. Es sind also innerhalb mindestens einer
der Einrichtungen zum Noise Shaping mehrere Akkumulatoren vorgesehen,
die einander zweistufig oder mehrstufig in einer Kaskadenform nachgeschaltet
sind. Die Einrichtung zum Noise Shaping kann natürlich auch noch weitere Schaltungselemente
und Signalverarbeitungselemente enthalten. Speziell kann vorgesehen werden,
dass die Einrichtung zum Noise Shaping der Amplitude und/oder die
Einrichtung zum Noise Shaping der Phase als Sigma-Delta-Wandler
höherer Ordnung
ausgebildet ist.
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Es wird bevorzugt vorgesehen, dass
der Ausgang der Einrichtung zum Noise Shaping der Phase über einen
ersten Addierer mit dem Ausgang der Einrichtung zur Phasenquantisierung
verbunden ist und der Ausgang der Einrichtung zum Noise Shaping
der Amplitude über
einen zweiten Addierer mit dem Ausgang der Einrichtung zur Amplitudenquantisierung
verbunden ist. Das Ausgangssignal der Einrichtungen zum Noise Shaping
wird also dem Signalverarbeitungspfad des Frequenzsynthesizers nach der
jeweiligen Quantisierungseinrichtung wieder zugeführt.
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Eine spezielle Anwendung der vorliegenden Erfindung
betrifft eine Zeitreferenz-Einrichtung
mit einer Referenz-Frequenz für
eine Navigationssignal-Sendeeinrichtung. Eine solche Zeitreferenz-Einrichtung
generiert eine Referenz-Frequenz, die als Basis für die Zeitinformation
in Navigationssignalen dient, welche durch die Navigationssignal-Sendeeinrichtung
ausgestrahlt werden und von entsprechenden Navigations-Endgeräten empfangen
werden. Ein Beispiel für
solche Navigationssignal-Sendeeinrichtungen sind Navigationssatelliten
in Satelliten-Navigationssystemen wie GPS oder Galileo, ein weiteres Beispiel
sind terrestrische Navigationssignal-Sendeeinrichtungen, die entweder
ein Satelliten-Navigationssystem ergänzen, um die Ausleuchtung bestimmter
Gebiete sicherzustellen, die vom Satelliten aus gesehen abgeschattet
sind, oder die die Genauigkeit des Satelliten-Navigationssystems
erhöhen
(z.B. differenzielles GPS). In Navigationssatelliten sind insbesondere
Atomuhren in den Zeitreferenz-Einrichtungen vorgesehen. Basierend
auf den Signalen der Atomuhren wird eine Referenz-Frequenz für die Navigationssignal-Sendeeinrichtung
erzeugt. Quantisierungsfehler sind gerade bei dieser Anwendung sehr
kritisch, da dadurch direkt oder indirekt die Zeitinformation im
Navigationssignal und damit die Genauigkeit der Ortsbestimmung durch
die Navigations-Endgeräte
beeinträchtigt
werden kann.
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Ein spezielles Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert.
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Es zeigen:
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1:
Direkter digitaler Frequenzsynthesizer nach dem Stand der Technik
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2:
Grundprinzip des direkten digitalen Frequenzsynthesizers mit Noise
Shaping nach der vorliegenden Erfindung
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3:
Anordnung nach 2 mit
Sigma-Delta-Wandlern als Noise Shaping-Einrichtungen
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4:
Navigationssignal-Sendeeinrichtung mit Frequenz-Synthesizern
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1 zeigt
das Prinzip einer digitalen Frequenzsynthese nach dem Stand der
Technik. Die direkte digitale Frequenzsynthese basiert auf einem Akkumulator 3,
der mit jedem Systemtakt eines Taktsignals (Clock Signal CS) um
einen Phasenwert ⎕ inkrementiert wird, sowie einem Inverter 8.
Der Phasenwert ?wird erzeugt durch eine geeignete Einrichtung 2.
Der an dessen Ausgang entstehende rampenförmige Phasenverlauf wird mittels
eines Look-Up Table LUT 5 in eine Sinus-Funktion umgesetzt
und im Anschluss mittels eines Digital/Analog-Wandlers 7 in
analoge Spannungswerte umgesetzt, so dass eine Ausgangsfrequenz
(in 1 230 kHz) erzeugt
wird.
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Es werden dabei folgende Schritte
durchgeführt:
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- a) Erzeugung einer Phase mit Bitlänge N (phase generation)
- b) Phasenquantisierung (PQ) in einer Einrichtung zur Phasenquantisierung 4 und
Abschneiden der rampenförmigen
Phasendarstellung auf Bitlänge NLUT (phase truncation)
- c) Konversion von Phase zu Amplitude mit Hilfe eines Look-Up
Table mit einem Ausgangssignal mit Bitlänge NDRES (phase
to amplitude conversion)
- d) Amplitudenquantisierung (AQ) in einer Einrichtung zur Amplitudenquantisierung 6 und
Abschneiden der rampenförmigen
Amplitudendarstellung auf Bitlänge
NDAC (amplitude truncation)
- e) Digital-Analog-Wandlung (D/A conversion)
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Die direkte digitale Frequenzsynthese
bietet dabei zwei Vorteile gegenüber
PLL-basierten Techniken:
Zum einen sind die einstellbaren Frequenzinkremente von der Bitbreite
des Akkumulators 3 abhängig,
können
also durch dessen Verbreiterung nahezu beliebig klein sein. Zum
anderen kann die Ausgangsfrequenz des direkten digitalen Synthesizers
DDS durch Änderung
des Phaseninkrements ohne Verzögerung
oder Einschwingen mit Beginn des nächsten Systemtaktes verstellt
werden.
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Zur Erzielung der geforderten Auflösung besitzt
der Akkumulator 3 daher üblicherweise eine weitaus größere Bitbreite
N als der Look-up Table 5 mit Bitbreite NLUT.
Daher werden nur die höchstwertigsten
Bits des Akkumulators 3 an den Look-up Table 5 weitergeleitet.
Durch diese Beschneidung der Bitbreite und damit Einführung eines
Fehlers in die Signalverarbeitungskette entstehen im Ausgangsspektrum
Störlinien.
Dasselbe gilt für
die Amplitudenquantisierung (AQ) 6, die aufgrund der endlichen
Auflösung
des D/A-Wandlers 7 auf dessen Bitbreite NDAC festgelegt
ist. Auch hier entsteht ein Fehler bei der Quantisierung der Sinus-Funktion in real
mögliche Amplitudenwerte
in der LUT 5.
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2 zeigt
ein Beispiel für
eine Anordnung 1 zur digitalen Frequenzsynthese gemäß der vorliegenden
Erfindung mit N=44, NLUT =12 und NDAC =10. Die Einrichtungen mit den Bezugszeichen 2 bis 8 in 2 entsprechen den Einrichtungen
aus 1. Zusätzlich weist
die erfindungsgemäße Einrichtung nach 2 eine Einrichtung 9 zum
Noise Shaping der Phase (Phase Noise Shaping PNS) und eine Einrichtung 10 zum
Noise Shaping der Amplitude (Amplitude Noise Shaping ANS) auf, die
den Einrichtungen 4, 6 zur Quantisierung der Phase
und Amplitude signaltechnisch nachgeschaltet sind. Insbesondere
werden dabei die jeweiligen Eingangssignale und Ausgangssignale
der Einrichtungen 4, 6 zur Quantisierung der Phase
und Amplitude jeweils einem Addierer 13, 14 zugeführt. Das
jeweilige Summensignal enthält
die Quantisierungsfehler -ephas bzw. und
-e amp. Es werden dann die Quantisierungsfehler
-ephas des Phasenquantisierungs-Schrittes PQ und
-eamp der Amlitudenquantisierungs-Schrittes
AQ als Eingangssignale 21, 22 den Einrichtungen 9, 10 zum
Noise Shaping der Phase bzw. Amplitude zugeführt. Die jeweiligen Ausgänge der
Einrichtungen 9, 10 zum Noise Shaping der Phase
bzw. Amplitude sind über
erste und zweite Addierer 11, 12 mit den Ausgängen der Einrichtungen 4, 6 zur
Quantisierung der Phase und Amplitude verbunden. Die Vorteile einer
solchen Einrichtung wurden bereits oben ausgeführt.
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3 zeigt
die Details einer speziellen Ausführungsform für eine Anordnung
nach 2. Gleiche Bezugszeichen
bezeichnen auch hier wieder entsprechende Einrichtungen, wie sie
bereits anhand der 1 und 2 beschrieben wurden. Es
sind dabei die Einrichtungen 9, 10 zum Noise Shaping
der Phase bzw. Amplitude ausführlicher
dargestellt. Es handelt sich um zwei Sigma-Delta-Wandler 3.
Ordnung, d.h. mit jeweils drei Sigma-Delta-Stufen 15, 16, 17 und 18, 19, 20,
aufgebaut in MASH-Architektur. Abhängig von den spezifischen Anforderungen
können auch
andere Ordnungen verwendet werden durch Reduktion / Erweiterung
der Kaskadierung der Sigma-Delta-Stufen 15, 16, 17 und 18, 19, 20 in
den Einrichtungen 9, 10 zum Noise Shaping. Auch
für den Fall
der 3 kann beispielsweise
ein Akkumulator 3 mit N=44 bit, eine LUT-Bitbreite von
NLUT=11 bit, eine Auflösung der LUT 5 von
NDRES=14 bit und ein DAC 7 mit
NDAC=10 bit verwendet werden. Auch hier werden
wieder die Verfahrensschritte a) bis e) durchlaufen, wie bereits
anhand der 1 erläutert.
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4 zeigt
eine spezielle Anwendung der Erfindung im Rahmen einer Navigationssignal-Sendeeinrichtung.
Die Figur zeigt eine Zeitreferenz-Einrichtung CMCU (Clock Monitoring and
Control Unit), welche mit vier Uhren verbunden ist, nämlich zwei Passiven
H-Masern PHM1 und PHM2 sowie zwei Rubidium-Atomuhren RAFS1 und RAFS2
(Rubidium Atomic Frequency Source). Diese Uhren bilden ein Atomuhren-Ensemble
ACE (Atomic Clock Ensemble). Die Ausgänge dieses Atomuhren-Ensemble ACE
sind mit einer Schaltungsmatrix SM (Switch Matrix) in der Zeitreferenz-Einrichtung
CMCU verbunden. Der Ausgang der Schaltungsmatrix SM ist wiederum
mit einem ersten Frequenzsynthesizer FS1 und einem zweiten Frequenzsynthesizer
FS2 verbunden, welcher zum ersten Frequenzsynthesizer FS1 redundant
vorgesehen ist. Die Ausgänge
der Frequenzsynthesizer FS1 und FS2 sind mit einer Einrichtung zur
Phasenbestimmung PM (Phase Meter) und über eine Schaltungs- und Verstärkereinrichtung SAU
(Switching and Amplification Unit) mit den Ausgängen der Zeitreferenz-Einrichtung
CMCU verbunden. Dort liegt dann die Referenz-Frequenz MTRO (Master
Timing Reference Output) an, die als Basis für die Zeitinformation in den
Navigationssignalen dient, welche die Navigationssignal-Sendeeinrichtung
ausstrahlt. Jeder der Frequenzsynthesizer FS1 und FS2 kann nun insbesondere
als Einrichtung nach 2 oder 3 ausgebildet sein. Dadurch
werden unerwünschte
Störlinien
im Frequenzspektrum am Ausgang der Zeitreferenz-Einrichtung CMCU
vermieden, die direkt oder indirekt die Zeitinformation im Navigationssignal
beeinträchtigen
können.