RU2594918C2 - Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics - Google Patents

Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics Download PDF

Info

Publication number
RU2594918C2
RU2594918C2 RU2013156059/08A RU2013156059A RU2594918C2 RU 2594918 C2 RU2594918 C2 RU 2594918C2 RU 2013156059/08 A RU2013156059/08 A RU 2013156059/08A RU 2013156059 A RU2013156059 A RU 2013156059A RU 2594918 C2 RU2594918 C2 RU 2594918C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
digital
pulse
signal
pwm
Prior art date
Application number
RU2013156059/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013156059A (en
Inventor
Владимир Александрович Александров
Андрей Иосифович Потапов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг)
Priority to RU2013156059/08A priority Critical patent/RU2594918C2/en
Publication of RU2013156059A publication Critical patent/RU2013156059A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2594918C2 publication Critical patent/RU2594918C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: invention relates to digital form of modulated pulse signals for amplifier and generator devices of hydroacoustic transmitting channels of ultrasonic range. This is achieved due to that at provision of integer ratio γ= Ts/Tp= 3÷5 period TS digital input signal to period TP frequency-modulated sawtooth digital signal forming two symmetrical antiphased saw digital signals, as a result of comparison with digital input signal is formed of two modulated pulse sequences corresponding to two-channel symmetrical PWM.
EFFECT: reduced distortions of ultrasonic signals with minimum energy losses by reducing frequency of PWM.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к способам формирования модулированных импульсных сигналов для усилительных и генераторных устройств гидроакустических передающих трактов ультразвукового диапазона.The invention relates to methods for generating modulated pulsed signals for amplifying and generating devices for sonar transmission paths of the ultrasonic range.

Современной тенденцией развития передающих трактов ультразвукового диапазона частот, в частности для режимов освещения ближней обстановки гидроакустических комплексов, является внедрение цифровых методов генерации сигналов на основе цифрового формирования модулированных импульсных последовательностей с последующим ключевым усилением импульсов и выделением на излучающей антенне сигналов возбуждения с заданным амплитудным и фазовым распределением [1]. В этой области все большее распространение получают способы цифрового формирования широтно-модулированных сигналов, описанные, например, в патентах [2-4], применяемые для реализации ключевых усилителей мощности [5].A modern trend in the development of transmission paths in the ultrasonic frequency range, in particular for near-lighting conditions of sonar systems, is the introduction of digital methods for generating signals based on the digital generation of modulated pulse sequences with subsequent key amplification of the pulses and the allocation of excitation signals with a given amplitude and phase distribution on the emitting antenna [one]. In this area, methods for digitally generating pulse-width modulated signals, described, for example, in patents [2-4], used to implement key power amplifiers [5], are becoming more widespread.

В известных устройствах [2, 3] используется преобразование цифрового кода входного сигнала в длительность модулированных импульсов с постоянной частотой следования. Сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) формируется в известных устройствах [2, 3] с использованием счетчиков-синхроимпульсов с частотами синхронизации, формирующих временные интервалы пропорциональные цифровому коду входного сигнала в тактовые моменты записи.Known devices [2, 3] use the conversion of the digital code of the input signal into the duration of modulated pulses with a constant repetition rate. A pulse-width modulated (PWM) signal is generated in known devices [2, 3] using clock-counters with clock frequencies that form time intervals proportional to the digital code of the input signal at the recording clock times.

В устройстве функционального преобразования ШИМ-сигналов [2] формируется односторонняя модуляция второго рода, характеризующаяся значительным уровнем гармонических искажений, особенно при малом соотношении частоты ШИМ ω к частоте усиливаемого сигнала Ω. Так при соотношении ω/Ω<10 гармонические искажения превышают 10% [5].In the device for functional conversion of PWM signals [2], one-sided modulation of the second kind is formed, characterized by a significant level of harmonic distortion, especially with a small ratio of the PWM frequency ω to the frequency of the amplified signal Ω. So, for the ratio ω / Ω <10, harmonic distortions exceed 10% [5].

Для цифрового широтно-импульсного модулятора по патенту [3], реализующего двухстороннюю ШИМ второго рода, характерен улучшенный спектральный состав модулированного импульсного сигнала, обусловленный отсутствие четных гармоник, что приводит к уменьшению гармонических искажений. Для ω/Ω=6…10 в известном устройстве коэффициент гармоник не превышает 2-3%.The digital pulse-width pulse modulator according to the patent [3], which implements two-sided PWM of the second kind, is characterized by an improved spectral composition of the modulated pulse signal due to the absence of even harmonics, which leads to a decrease in harmonic distortion. For ω / Ω = 6 ... 10 in the known device, the harmonic coefficient does not exceed 2-3%.

Основным недостатком известных устройств [2, 3] является значительное проникновение комбинационных составляющих спектра импульсных сигналов с частотами (ω-nΩ) в область частот усиливаемого сигнала при уменьшении частоты ШИМ. При малочисленном отношении частот ω/Ω<6 коэффициент комбинационных искажений превышает 10% [5].The main disadvantage of the known devices [2, 3] is the significant penetration of the Raman components of the spectrum of pulsed signals with frequencies (ω-nΩ) into the frequency range of the amplified signal with decreasing PWM frequency. With a small frequency ratio ω / Ω <6, the Raman coefficient exceeds 10% [5].

Уменьшить комбинационные искажения модулированного импульсного напряжения в устройстве, описанном в патенте [4], позволяет применение двухканальной ШИМ для управления двухканальным ключевым усилителем мощности (КУМ), выполненным, например, по мостовой схеме. Сложение двух импульсных сигналов с ШИМ в диагонали мостовой схемы КУМ формирует суммарное импульсное напряжение с удвоенной частотой переключений. Комбинационные составляющие спектра суммарного импульсного напряжения группируются вокруг гармоник суммарной частоты, равной 2ω, что приводит к более чем двукратному уменьшению коэффициента комбинационных искажений. Однако дальнейшее повышение частоты усиливаемого сигнала в известном устройстве [4] приводит к значительному росту комбинационных и гармонических искажений, что препятствует его использованию в КУМ ультразвукового диапазона частот.To reduce the Raman distortion of the modulated pulse voltage in the device described in the patent [4], allows the use of a two-channel PWM to control a two-channel key power amplifier (CMC), made, for example, according to a bridge circuit. The addition of two pulse signals with a PWM in the diagonal of the KUM bridge circuit generates a total pulse voltage with a double switching frequency. The combination components of the spectrum of the total pulse voltage are grouped around the harmonics of the total frequency equal to 2ω, which leads to a more than twofold decrease in the coefficient of Raman distortion. However, a further increase in the frequency of the amplified signal in the known device [4] leads to a significant increase in combinational and harmonic distortions, which prevents its use in the CMC of the ultrasonic frequency range.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ цифрового формирования ШИМ-сигналов, описанный в патенте РФ 2308800 [6]. В известном техническом решении предложен принцип реализации цифрового широтно-импульсного модулятора с распределенной спектральной характеристикой, что достигается изменением частоты переключений ШИМ-сигналов.Closest to the proposed invention is a method of digital generation of PWM signals described in the patent of the Russian Federation 2308800 [6]. In a known technical solution, the principle of implementing a digital pulse-width modulator with a distributed spectral characteristic is proposed, which is achieved by changing the switching frequency of the PWM signals.

Известный способ цифрового формирования ШИМ-сигналов основан на формировании частотно-модулированного пилообразного цифрового сигнала, его сравнении с цифровым входным сигналом и формировании по результату сравнения последовательности широтно-модулированных импульсов, причем модуляция частоты пилообразного сигнала осуществляется по псевдослучайному закону, чем достигается распределение спектральной характеристики комбинационных составляющих спектра модулированного ШИМ-сигнала.The known method of digitally generating PWM signals is based on the formation of a frequency-modulated sawtooth digital signal, its comparison with a digital input signal, and generation of a sequence of pulse-width modulated pulses by comparing the frequency of the sawtooth signal according to a pseudo-random law, which achieves the distribution of the Raman spectral characteristics spectrum components of the modulated PWM signal.

Достоинством способа-прототипа является реализация возможности дополнительной частотной модуляции ШИМ-сигналов, что позволяет обеспечить изменение частоты комбинационных составляющих спектра.The advantage of the prototype method is the implementation of the possibility of additional frequency modulation of the PWM signals, which allows for a change in the frequency of the combination components of the spectrum.

Однако при изменении частоты пилообразного цифрового сигнала по псевдослучайному закону распределение спектральной характеристики комбинационных составляющих сопровождается увеличением комбинационных искажений ШИМ-сигнала. Отмеченное обстоятельство усугубляется в способе-прототипе формированием одностороннего (нарастающего) пилообразного цифрового сигнала, что приводит к росту как комбинационных искажений, так и, в случае модуляции второго рода [5], к значительным гармоническим искажениям, величина которых превышает 10% при отношении частот ω/Ω≤10.However, when the frequency of the sawtooth digital signal changes according to a pseudo-random law, the distribution of the spectral characteristics of the Raman components is accompanied by an increase in the Raman distortion of the PWM signal. This circumstance is aggravated in the prototype method by the formation of a one-sided (increasing) sawtooth digital signal, which leads to an increase in both combinational distortions and, in the case of modulation of the second kind [5], to significant harmonic distortions, the magnitude of which exceeds 10% at the frequency ratio ω / Ω≤10.

Способ-прототип может быть реализован в известном устройстве [6], содержащем последовательно соединенные генератор частотно-модулированных импульсов, частота которого изменяется по псевдослучайному закону, регистр памяти и цифровой компаратор, другой вход которого соединен с шиной цифрового сигнала, а выход - с выходом устройства, причем вход синхронизации генератора частотно-модулированных импульсов подключен к шине частоты синхронизации.The prototype method can be implemented in a known device [6], containing a series-connected frequency-modulated pulse generator, the frequency of which varies according to a pseudo-random law, a memory register and a digital comparator, the other input of which is connected to the digital signal bus, and the output - with the output of the device moreover, the synchronization input of the frequency-modulated pulse generator is connected to the synchronization frequency bus.

Генератор частотно-модулированных импульсов может быть реализован алгоритмически и аппаратно с использованием генератора псевдослучайных чисел, двух цифровых блоков переключения, цифрового сумматора и дополнительного регистра памяти.The frequency-modulated pulse generator can be implemented algorithmically and hardware using a pseudo-random number generator, two digital switching units, a digital adder and an additional memory register.

При этом частота частотно-модулированных импульсов изменяется по псевдослучайному закону в полосе от fmin до fmax, что соответствует изменению частоты пилообразного цифрового сигнала и, соответственно, частоты ШИМ-сигнала в диапазоне ωmin<ω<ωmax при ωmin=2πfmin/β; ωmax=2πfmax/β, где β - коэффициент деления тактовой частоты, установленный регистром памяти в режиме счетчика импульсов.The frequency of the frequency-modulated pulses varies according to the pseudo-random law in the band from f min to f max , which corresponds to a change in the frequency of the sawtooth digital signal and, accordingly, the frequency of the PWM signal in the range ω min <ω <ω max for ω min = 2πf min / β; ω max = 2πf max / β, where β - clock frequency dividing ratio set in the memory register pulse counter mode.

Число β определяет дискретность изменения цифрового пилообразного напряжения и соответственно дискретность изменения и динамический диапазон ШИМ цифрового входного сигнала. При динамическом диапазоне более 40 дБ целочисленная величина должна быть более 100. В известном цифровом широтно-импульсном модуляторе [6] задается для каждого периода ШИМ TШИМ по псевдослучайному закону. Причем с уменьшением периода TШИМ уменьшается число β и, соответственно, для заданной амплитуды цифрового пилообразного напряжения увеличивается шаг дискретизации ШИМ. Последнее обстоятельство приводит к дополнительному понижению точности формирования широтно-модулированных импульсных сигналов.The number β determines the discreteness of change of the digital sawtooth voltage and, accordingly, the discreteness of change and the dynamic range of the PWM of the digital input signal. When the dynamic range over 40 dB integral value should be greater than 100. In a digital pulse width modulator [6] is set for each PWM period T of PWM according to a pseudorandom. Moreover, with a decrease in the period T of the PWM , the number β decreases and, accordingly, for the given amplitude of the digital sawtooth voltage, the PWM sampling step increases. The latter circumstance leads to an additional decrease in the accuracy of the formation of pulse-width modulated pulse signals.

Недостатки известного способа, связанные с пониженными показателями качества формирования широтно-модулированных сигналов, особенно в верхнем частотном диапазоне, при малом соотношении частоты ШИМ и частоты формируемого сигнала, ограничивают возможности способа-прототипа в гидроакустических передающих трактах. Указанные недостатки особенно сильно сказываются при использовании способа-прототипа в усилительных и генераторных устройствах в ГАС ОБО, поскольку особенностью библиотеки сигналов, генерируемых в режимах ОБО, является использование гармонических частотомодулируемых колебаний относительной полосой частот 0,3-0,5 октавы. Это объясняется тем, что для реализации трактов ультразвукового диапазона частот, например для гидроакустических станций (ГАС) освещения ближней обстановки (ОБО), необходимо дальнейшее развитие способа цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, направленное на уменьшение искажений в условиях минимизации отношения частот модулирующего воздействия (входного цифрового сигнала) и частоты следования импульсов с ШИМ.The disadvantages of this method, associated with reduced quality indicators of the formation of modulated width-modulated signals, especially in the upper frequency range, with a small ratio of the PWM frequency and the frequency of the generated signal, limit the capabilities of the prototype method in sonar transmission paths. These disadvantages are especially pronounced when using the prototype method in amplification and generator devices in GAC OBO, since a feature of the library of signals generated in OBO modes is the use of harmonic frequency-modulated oscillations with a relative frequency band of 0.3-0.5 octaves. This is explained by the fact that for the implementation of the paths of the ultrasonic frequency range, for example, for hydroacoustic stations (GAS) of near-field lighting (OBO), further development of the method for digitally generating pulse-width modulated pulse signals is necessary, aimed at reducing distortion while minimizing the frequency ratio of the modulating effect ( input digital signal) and pulse repetition rate with PWM.

Цифровой синтез таких сигналов для гидроакустических передающих трактов предполагает постоянство частоты в каждый отдельный период колебания согласно известному цифровому коду, использование которого возможно для оптимизации ШИМ.Digital synthesis of such signals for sonar transmission paths implies a constant frequency in each individual oscillation period according to a known digital code, the use of which is possible to optimize PWM.

Задачей изобретения является улучшение характеристик качества формирования широтно-модулированных импульсных сигналов при повышении энергоэффективности генераторных устройств ультразвукового диапазона, что особенно важно в гидроакустических комплексах объектового базирования.The objective of the invention is to improve the quality characteristics of the formation of pulse-width modulated pulse signals while increasing the energy efficiency of the ultrasonic-generating devices, which is especially important in object-based sonar complexes.

Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении искажений ультразвуковых сигналов при минимизации потерь энергии в генераторных устройствах посредством уменьшения частоты ШИМ.The technical result from the use of the invention is to reduce the distortion of ultrasonic signals while minimizing energy losses in the generator devices by reducing the frequency of the PWM.

Для достижения указанного технического результата в известный способ формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, основанный на формировании частотно-модулированного пилообразного цифрового сигнала, его сравнении с цифровым входным сигналом и формировании по результату сравнения последовательности широтно-модулированных импульсов, введены новые признаки, а именно: частотно-модулированный пилообразный сигнал изменяют по частоте пропорционально частоте цифрового входного сигнала из условия целочисленного отношения частот.To achieve this technical result, in a known method for generating a pulse-width modulated pulse signals based on the formation of a frequency-modulated sawtooth digital signal, comparing it with a digital input signal and generating a sequence of pulse-width modulated pulses by comparing it, new features have been introduced, namely: -modulated sawtooth signal is changed in frequency in proportion to the frequency of the digital input signal from the condition of the integer ratio h astoth.

При этом в спектре последовательности широтно-модулированных импульсов исключаются комбинационные составляющие, частоты которых не совпадают с частотами гармоник входного цифрового сигнала, что обеспечивает подавление комбинационных искажений и позволяет улучшить качество формирования широтно-модулированного импульсного сигнала.In this case, the combination spectrum components whose frequencies do not coincide with the harmonic frequencies of the input digital signal are excluded in the spectrum of the sequence of pulse-width modulated pulses, which suppresses the combination distortion and improves the quality of the formation of the pulse-width modulated signal.

Дополнительное улучшение качества формирования широтно-модулированного импульсного сигнала в условиях понижения частоты ШИМ достигается в заявляемом способе введением дополнительных новых признаков, а именно: частотно-модулированный цифровой сигнал формируют в виде симметричных прямого и инверсного пилообразных сигналов, по результату сравнения которых с цифровым входным сигналом формируют последовательность широтно-модулированных импульсов в виде первой и второй однотактных последовательностей широтно-модулированных импульсов, ключевое сложение которых обеспечивает формирование двухтактной последовательности разнополярных широтно-модулированных импульсов.An additional improvement in the quality of the formation of a pulse-width modulated pulse signal under conditions of lowering the PWM frequency is achieved in the claimed method by introducing additional new features, namely: a frequency-modulated digital signal is formed in the form of symmetrical direct and inverse sawtooth signals, which, when compared with a digital input signal, are formed a sequence of pulse-width modulated pulses in the form of the first and second one-cycle sequences of pulse-width modulated pulses in, addition key which ensures the formation of a push-pull bipolar pulse sequence modulated pulses.

Совокупность новых признаков в заявляемом способе позволяет обеспечить цифровое формирование широтно-модулированного сигнала с целочисленным отношением частоты ШИМ ω и частоты цифрового входного сигнала Ω в диапазоне от 10 до 3 с гармоническими искажениями не более 0,3…3% при динамическом диапазоне 40 дБ. Для области ультразвуковых частот наибольший интерес представляет цифровое формирование двух последовательностей импульсов с симметричной ШИМ, при усилении и суммировании которых известной мостовой схемой КУМ [4] обеспечивается удвоение суммарной частоты переключений результирующей двухтактной импульсной последовательности. При этом достигается удовлетворительное качество результирующего импульсного напряжения (нелинейные искажения не более 3%) для минимального отношения частот ω/Ω=3.The combination of new features in the present method allows for the digital generation of a width-modulated signal with an integer ratio of the PWM frequency ω and the frequency of the digital input signal Ω in the range from 10 to 3 with harmonic distortion of not more than 0.3 ... 3% with a dynamic range of 40 dB. For the region of ultrasonic frequencies, the most interesting is the digital formation of two sequences of pulses with a symmetric PWM, when amplifying and summing them with the well-known KUM bridge circuit [4], the total switching frequency of the resulting push-pull pulse sequence is doubled. In this case, a satisfactory quality of the resulting pulse voltage is achieved (non-linear distortion of not more than 3%) for a minimum frequency ratio ω / Ω = 3.

В результате применения заявляемого способа в условиях минимального отношения частот обеспечивается возможность уменьшения потерь энергии на переключение не менее чем в 3 раза по сравнению с известными техническими решениями. Выделенное обстоятельство имеет принципиальное значение для повышения энергетической эффективности трактов ультразвукового диапазона частот, применяемых в составе ГАС ОБО.As a result of the application of the proposed method under conditions of a minimum frequency ratio, it is possible to reduce the energy loss by switching at least 3 times in comparison with the known technical solutions. The highlighted circumstance is of fundamental importance for increasing the energy efficiency of the paths of the ultrasonic frequency range used in the GAS OBO.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, на которых приведены структурные схемы устройств, реализующих заявляемый способ цифрового формирования широтно-модулированного импульсного сигнала, и фиг. 3, 4, на которых представлены фонограммы сигналов, поясняющие их работу. Спектрограммы импульсных сигналов, сформированных согласно заявленному способу для синхронного и фиксированного значения частоты ШИМ, иллюстрируются на фиг. 5а, б.The invention is illustrated in FIG. 1, 2, which shows the structural diagrams of devices that implement the inventive method for digitally generating a pulse-width modulated pulse signal, and FIG. 3, 4, in which phonograms of signals are presented explaining their operation. The spectrograms of the pulse signals generated according to the claimed method for a synchronous and fixed value of the PWM frequency are illustrated in FIG. 5a, b.

Устройство цифрового формирования широтно-модулированного импульсного сигнала (фиг. 1) содержит регистр 1 памяти, частотно-модулированный генератор 2, цифровой счетчик 3 и цифровой компаратор 4.A device for digitally generating a pulse-width modulated pulse signal (Fig. 1) comprises a memory register 1, a frequency-modulated generator 2, a digital counter 3, and a digital comparator 4.

Связь устройства с формирователем цифрового сигнала осуществляется по шине синхроимпульсов частотой F, по шине цифрового входного сигнала (Код Вход), по шине кода частоты входного сигнала (Код Частота).The device is connected to the digital signal conditioner via the clock bus with frequency F, via the digital input signal bus (Code Input), via the bus code of the input signal frequency (Code Frequency).

Регистр 1 памяти соединен входом с шиной Код Частота и обеспечивает регистрацию кода по импульсу с выхода переноса цифрового счетчика 3, поступающего на вход записи регистра 1 памяти в конце каждого цикла формирования цифрового пилообразного напряжения.The memory register 1 is connected by an input to the Code Frequency bus and provides registration of the code by pulse from the transfer output of the digital counter 3, which is fed to the input of the memory register 1 at the end of each digital sawtooth voltage generation cycle.

Цифровой сигнал Код Частота устанавливается пропорциональным периоду входного цифрового сигнала и поступает с выхода регистра 1 памяти на вход управления частотно-модулированного генератора 2.Digital signal Code The frequency is set proportional to the period of the input digital signal and is supplied from the output of the memory register 1 to the control input of the frequency-modulated generator 2.

Выходной сигнал частотно-модулированного генератора 2 формируется посредством деления частоты синхроимпульсов в соответствии с размерностью цифрового сигнала Код Частота. Таким образом на вход синхронизации цифрового счетчика 3, соединенного с выходом частотно-модулированного генератора 2, поступает импульс с периодом Tc, пропорциональным периоду TS цифрового входного сигнала. Цифровой счетчик 3 формирует цифровой пилообразный сигнал с дискретностью, заданной постоянным коэффициентом деления β и заданной постоянной амплитудой AP.The output signal of the frequency-modulated generator 2 is formed by dividing the frequency of the clock in accordance with the dimension of the digital signal Code Frequency. Thus, the synchronization input of the digital counter 3 connected to the output of the frequency-modulated generator 2 receives a pulse with a period T c proportional to the period T S of the digital input signal. The digital counter 3 generates a digital sawtooth signal with a resolution set by a constant division factor β and a given constant amplitude AP.

В результате период TP цифрового пилообразного сигнала устанавливается равным:As a result, the period T P of the digital sawtooth signal is set equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

где α - коэффициент деления частотно-модулированного генератора, пропорциональный значению сигнала Код Частота;where α is the division coefficient of the frequency-modulated generator proportional to the value of the signal Code Frequency;

β - постоянный коэффициент деления цифрового счетчика;β is the constant division coefficient of the digital counter;

T0 - период синхроимпульсов.T 0 - the period of the clock pulses.

Реализация заявляемого способа основана на выполнении условия целочисленного отношения периода цифрового входного сигнала к периоду цифрового пилообразного сигнала заданного значения:The implementation of the proposed method is based on the condition of an integer relation of the period of the digital input signal to the period of the digital sawtooth signal of a given value:

Figure 00000002
Figure 00000002

Выделенное условие определяет ограничения для установки периода цифрового входного сигнала при заданных значениях α, β, γ и общей шине синхроимпульсов с периодом T0:The selected condition determines the restrictions for setting the period of the digital input signal for given values of α, β, γ and the common clock bus with a period T 0 :

Figure 00000003
Figure 00000003

Для неизменных значений γ, β точность установки TS должна определяться размерностью цифрового сигнала Код Частота.For constant values of γ, β, the accuracy of installation T S should be determined by the dimension of the digital signal Code Frequency.

Особенностью реализации устройства (фиг. 2) является формирование цифровым счетчиком двух противофазных симметричных цифровых пилообразных сигналов, каждый из которых сравнивается с цифровым входным сигналом. В результате формируются две последовательности широтно-модулированных импульсов, суммирование которых по известным правилам [4] позволяет получить двухтактную последовательность разнополярных импульсов с удвоенной частотой переключения.A feature of the implementation of the device (Fig. 2) is the formation of a digital counter of two antiphase symmetric digital sawtooth signals, each of which is compared with a digital input signal. As a result, two sequences of pulse-width modulated pulses are formed, the summation of which according to the well-known rules [4] allows one to obtain a push-pull sequence of bipolar pulses with a double switching frequency.

Способ цифрового формирования широтно-модулированных сигналов для гидроакустики целесообразно рассматривать совместно с описанием работы реализующих его устройств (фиг. 1, фиг. 2) и диаграмм сигналов, поясняющих их принцип действия.It is advisable to consider the method of digitally generating latitudinal-modulated signals for hydroacoustics together with a description of the operation of the devices implementing it (Fig. 1, Fig. 2) and signal diagrams explaining their principle of operation.

В устройстве, представленном на фиг. 1, для реализации заявляемого способа обеспечивается формирование одностороннего нарастающего пилообразного цифрового сигнала VP из условия:In the device of FIG. 1, for the implementation of the proposed method provides the formation of a one-sided rising sawtooth digital signal VP from the condition:

Figure 00000004
Figure 00000004

где tk, tk+1 определяют начало и окончание интервала формирования пилообразного цифрового сигнала.where t k, t k + 1 define the beginning and end of the formation interval digital sawtooth signal.

Для цифровых сигналов функция текущего времени представляется дискретной функцией изменения временных интервалов в виде:For digital signals, the function of the current time is represented by a discrete function of changing time intervals in the form:

Figure 00000005
Figure 00000005

гдеWhere

tН - начальный момент времени;t N - the initial moment of time;

Tpk - k-й период пилообразного цифрового сигнала;T pk is the k-th period of the sawtooth digital signal;

K - количество периодов пилообразного цифрового сигнала в периоде цифрового сигнала в периоде цифрового входного сигнала;K is the number of periods of the sawtooth digital signal in the period of the digital signal in the period of the digital input signal;

N - количество дискретных шагов в периоде пилообразного цифрового сигнала;N is the number of discrete steps in the period of the sawtooth digital signal;

k, n - текущие значения дискретных интервалов.k, n are the current values of discrete intervals.

Выполнение условий (1), (2), (3) обеспечивает целочисленное количество периодов Tpk пилообразного цифрового сигнала в периоде цифрового сигнала, что соответствует признакам заявляемого способа. При этом обеспечиваются равенства N=β, K=γ.The fulfillment of conditions (1), (2), (3) provides an integer number of periods T pk sawtooth digital signal in the period of the digital signal, which corresponds to the features of the proposed method. In this case, the equalities N = β, K = γ are ensured.

Таким образом, в результате сравнения пилообразного цифрового сигнала VP с периодическим входным цифровым сигналом формируется последовательность широтно-модулированных импульсов PWM:Thus, as a result of comparing the sawtooth digital signal VP with a periodic input digital signal, a sequence of PWM pulse-width modulated pulses is formed:

Figure 00000006
Figure 00000006

Вследствие обеспечения целочисленного отношения Ts/Tp=γ период модулированной импульсной последовательности равен периоду входного цифрового сигнала.Due to the integer ratio T s / T p = γ, the period of the modulated pulse sequence is equal to the period of the input digital signal.

Для входного цифрового сигнала, изменяющегося по гармоническому закону, отмеченное условие исключает из спектра широтно-модулируемых сигналов комбинированные составляющие с частотами, не совпадающими с частотой гармоник, чем достигается улучшение показателей качества формирования широтно-модулированного импульсного сигнала.For an input digital signal that varies according to harmonic law, the noted condition excludes combined components from the spectrum of pulse-width modulated signals with frequencies that do not coincide with the frequency of harmonics, thereby improving the quality of formation of the pulse-width modulated pulse signal.

Реализация дополнительных преимуществ заявляемого способа формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, обеспечивающих минимизацию частоты переключений при использовании двухканальной симметричной ШИМ, достигается в устройстве, представленном на фиг. 2. В состав устройства (фиг. 2), содержащего регистр 1 памяти, частотно-модулированный генератор 2, цифровой счетчик 3, компаратор 4, введен дополнительный компаратор 5, а цифровой счетчик 3 выполнен реверсивным, имеет прямой и инверсный выходы, соединенные соответственно с входами компараторов 4 и 5, другие входы, которые подключены к шине цифрового входного сигнала. На выходах компараторов 4 и 5 обеспечивается формирование первой и второй последовательностей широтно-модулированных импульсов (PWM1 и PWM2).Realization of additional advantages of the proposed method for generating pulse-width modulated pulse signals, which minimizes the switching frequency when using a two-channel symmetric PWM, is achieved in the device shown in FIG. 2. The device (Fig. 2), which contains a memory register 1, a frequency-modulated generator 2, a digital counter 3, a comparator 4, has an additional comparator 5, and the digital counter 3 is reversible, has direct and inverse outputs connected respectively to inputs of comparators 4 and 5, other inputs that are connected to the digital input signal bus. The outputs of the comparators 4 and 5 provide the formation of the first and second sequences of pulse-width modulated pulses (PWM1 and PWM2).

Согласно временным диаграммам, представленным на фиг. 4, цифровое формирование двух последовательностей широтно-модулированных импульсов с симметричной ШИМ осуществляется следующим образом. Реверсивный цифровой счетчик 3 при выполнении условий (1), (2), (3), определяющих целочисленное отношение частоты ШИМ и частоты цифрового сигнала, формирует два симметричных противофазных пилообразных цифровых сигнала VP1, VP2 (фиг. 4).According to the timing diagrams shown in FIG. 4, the digital formation of two sequences of pulse-width modulated pulses with symmetrical PWM is as follows. A reversible digital counter 3, under conditions (1), (2), (3), which determine the integer ratio of the PWM frequency and the frequency of the digital signal, generates two symmetric antiphase sawtooth digital signals VP1, VP2 (Fig. 4).

С учетом дискретной функции изменения временных интервалов (4) симметричные пилообразные сигналы VP1 и VP2 определяются следующим соотношением:Given the discrete function of changing the time intervals (4), the symmetrical sawtooth signals VP1 and VP2 are determined by the following relation:

Figure 00000007
Figure 00000007

В результате сравнения цифровых сигналов VP1 и VP2 с цифровым входным сигналом S обеспечивается формирование двух модулированных импульсных последовательностей PW1, PW2, соответствующих симметричной двухканальной ШИМ (фигура 4):As a result of comparing the digital signals VP1 and VP2 with the digital input signal S, the formation of two modulated pulse sequences PW1, PW2, corresponding to a symmetrical two-channel PWM (figure 4):

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Сформированные импульсные сигналы PW1, PW2 могут быть использованы по известным правилам для управления двухканальным КУМ, например выполненным по мостовой схеме [4]. В результате формируется суммарное импульсное напряжение VPWM с частотой следования импульсов в два раза выше частоты исходных сигналов PWM1 и PWM2,The generated pulse signals PW1, PW2 can be used according to well-known rules for controlling a two-channel CMC, for example, made according to a bridge circuit [4]. As a result, the total pulse voltage VPWM is formed with a pulse repetition rate twice as high as the frequency of the initial signals PWM1 and PWM2,

Реализация дополнительных признаков заявляемого способа цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, обеспеченная в устройстве (фиг. 2), позволяет обеспечить минимизацию целочисленного отношения частоты ШИМ при улучшенных показателях качества суммарного импульсного сигнала. С учетом удвоения частоты суммарного импульсного напряжения может быть реализовано минимальное отношение частот ω/Ω=3. При этом в спектре суммарной модулированной импульсной последовательности присутствуют только нечетные гармоники модулирующего гармонического сигнала, причем относительный уровень третьей гармоники, определяющей основные гармонические искажения, не превышает 3-5% в динамическом диапазоне 30-40 дБ.Implementation of additional features of the proposed method for the digital generation of pulse-width modulated pulse signals provided in the device (Fig. 2), allows to minimize the integer ratio of the PWM frequency with improved quality indicators of the total pulse signal. Given the doubling of the frequency of the total pulse voltage, the minimum frequency ratio ω / Ω = 3 can be realized. Moreover, the spectrum of the total modulated pulse sequence contains only odd harmonics of the modulating harmonic signal, and the relative level of the third harmonic, which determines the main harmonic distortion, does not exceed 3-5% in the dynamic range of 30-40 dB.

Выделенные преимущества заявляемого способа обеспечивают уменьшение искажений ультразвуковых сигналов при минимизации потерь энергии в генераторных устройствах за счет минимизации частоты ШИМ, что делает целесообразным внедрение предлагаемого технического решения в передающие тракты ГАС ОБО.The highlighted advantages of the proposed method provide a reduction in the distortion of ultrasonic signals while minimizing energy losses in the generating devices by minimizing the frequency of the PWM, which makes it appropriate to introduce the proposed technical solution in the transmitting paths of the GAS OBO.

На нашем предприятии изготовлен и проходит испытания опытный образец многоканального цифрового генераторного устройства, в одном из режимов работы которого реализован предлагаемый способ цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов. Проведена оценка спектрального состава импульсного сигнала с двухканальной симметричной ШИМ при модуляции гармоническим частотно-модулированным сигналом с относительной полосой модуляции 0,3 октавы в условиях использования способа с постоянной частотой ШИМ и заявляемого способа с синхронизацией частоты ШИМ с частотой модулирующего сигнала из условия целочисленного отношения частот. Спектрограммы импульсных сигналов при частоте ω≈5Ω приведены на фиг. 5 для синхронной частоты ШИМ (фиг. 5.а) согласно заявляемому способу и для фиксированной частоты ШИМ (фиг. 5.б).At our enterprise, a prototype of a multi-channel digital generator device has been manufactured and is being tested, in one of the operating modes of which the proposed method for digital generation of pulse-width modulated pulse signals is implemented. The spectral composition of a pulsed signal with a two-channel symmetric PWM was estimated by modulating a harmonic frequency-modulated signal with a relative modulation band of 0.3 octave under the conditions of using the method with a constant PWM frequency and the inventive method with synchronizing the PWM frequency with the frequency of the modulating signal from the condition of an integer frequency ratio. The spectrograms of pulsed signals at a frequency of ω≈5Ω are shown in FIG. 5 for a synchronous PWM frequency (Fig. 5.a) according to the claimed method and for a fixed PWM frequency (Fig. 5.b).

Сопоставительный анализ спектров импульсных сигналов убедительно показывает преимущества предлагаемого технического решения.A comparative analysis of the spectra of pulsed signals convincingly shows the advantages of the proposed technical solution.

В случае ШИМ с фиксированной частотой ближайшая гармоника (Ω3=352) достигает -30 дБ от уровня полезного сигнала (Ω), в спектре присутствуют 5 гармоника -50 дБ и 7 гармоника -16 дБ, а также имеют место фоновые спектральные составляющие во всей полосе частот на уровне -60…-70 дБ.In the case of a PWM with a fixed frequency, the nearest harmonic (Ω3 = 352) reaches -30 dB from the level of the useful signal (Ω), the spectrum contains 5 harmonics -50 dB and 7 harmonics -16 dB, and there are also background spectral components in the entire band frequencies at the level of -60 ... -70 dB.

Применение синхронной ШИМ позволяет значительно улучшить структуру спектра импульсного сигнала: относительная величина 3-й гармоники не превышает -42 дБ; 5-я гармоника отсутствует; 7-я гармоника составляет менее -27 дБ. Важным обстоятельством является отсутствие фоновых комбинационных составляющих спектра.The use of synchronous PWM can significantly improve the structure of the spectrum of the pulse signal: the relative value of the 3rd harmonic does not exceed -42 dB; 5th harmonic is absent; The 7th harmonic is less than -27 dB. An important circumstance is the absence of background Raman spectrum components.

Приведенный пример подтверждает возможность уменьшения нелинейных искажений импульсных сигналов в 3-4 раза при внедрении заявляемого способа цифрового формирования в условиях минимизации частоты переключения, что принципиально для внедрения в ультразвуковые гидроакустические передающие тракты, например используемые в ГАС ОБО.The given example confirms the possibility of reducing nonlinear distortion of pulsed signals by 3-4 times when introducing the proposed method of digital formation in conditions of minimizing the switching frequency, which is important for implementation in ultrasonic sonar transmission paths, for example, used in the GAS OBO.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Александров В.А., Потапов А.И. Новый тип генераторного устройства для режима освещения ближней обстановки. - Сборник трудов X всероссийской конференции Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики, СПб.: Наука, 2010 г., с. 160-163.1. Alexandrov V.A., Potapov A.I. A new type of genset for near lighting mode. - Proceedings of the X All-Russian Conference Applied Technologies for Hydroacoustics and Hydrophysics, St. Petersburg: Nauka, 2010, p. 160-163.

2. Патент РФ №2237920. Устройство для функционального преобразования ШИМ-сигналов, опубл. 10.10.2004.2. RF patent No. 2237920. Device for the functional conversion of PWM signals, publ. 10/10/2004.

3. Патент РФ №2172062. Цифровой широтно-импульсный модулятор, опубл. 10.08.2001.3. RF patent No. 2172062. Digital pulse width modulator, publ. 08/10/2001.

4. Патент США №2004212524. PWM signal generator and PWM signal generating method, опубл. 28.10.2004.4. US Patent No. 20044212524. PWM signal generator and PWM signal generating method, publ. 10/28/2004.

5. Кибакин B.M. Основы ключевых методов усиления. - М.: Энергия, 1980, 232 с.5. Kibakin B.M. The basics of key gain methods. - M .: Energy, 1980, 232 p.

6. Патент РФ №2308800. Цифровой широтно-импульсный модулятор с распределенной спектральной характеристикой, опубл. 20.10.2007.6. RF patent No. 2308800. Digital pulse-width modulator with distributed spectral response, publ. 10.20.2007.

Claims (1)

Способ цифрового формирования широтно-модулированных импульсных сигналов, включающий формирование частотно-модулированного пилообразного цифрового сигнала, его сравнение с цифровым входным сигналом и формирование по результату сравнения последовательности широтно-модулированных импульсов, отличающийся тем, что частотно-модулированный пилообразный цифровой сигнал формируют в виде симметричных прямого и инверсного пилообразных сигналов, с периодом ТР, с целочисленным отношением γ
Figure 00000010
=3 … 5 к периоду TS= γ
Figure 00000011
TP цифрового входного сигнала, а последовательность широтно-модулированных импульсов формируют в виде первой и второй однотактных последовательностей, ключевое сложение которых обеспечивает формирование двухтактной последовательности разнополярных широтно-модулированных импульсов.
A method for digitally generating a pulse-width modulated pulse wave signal, including generating a frequency-modulated sawtooth digital signal, comparing it with a digital input signal, and generating a sequence of pulse-width modulated pulses by comparing the frequency-modulated sawtooth waveform in the form of symmetrical direct and inverse sawtooth signals, with a period of T P, with an integer ratio γ
Figure 00000010
= 3 ... 5 to the period T S = γ
Figure 00000011
T P of the digital input signal, and the sequence of pulse-width modulated pulses is formed in the form of the first and second one-stroke sequences, the key addition of which ensures the formation of a push-pull sequence of bipolar pulse-width modulated pulses.
RU2013156059/08A 2013-12-17 2013-12-17 Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics RU2594918C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013156059/08A RU2594918C2 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013156059/08A RU2594918C2 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013156059A RU2013156059A (en) 2015-06-27
RU2594918C2 true RU2594918C2 (en) 2016-08-20

Family

ID=53497060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013156059/08A RU2594918C2 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2594918C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2718003C1 (en) * 2019-03-26 2020-03-27 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Digital control method of key generator unit of ultrasonic range
RU2798489C1 (en) * 2023-01-26 2023-06-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Device for generating two pairs of complementary pwm signals (embodiments)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1075397A1 (en) * 1982-03-24 1984-02-23 Предприятие П/Я В-2654 Two-step pulse-duration modulator
SU1621159A1 (en) * 1988-02-15 1991-01-15 Предприятие П/Я В-2962 Pulse-width modulator
US5825257A (en) * 1997-06-17 1998-10-20 Telecommunications Research Laboratories GMSK modulator formed of PLL to which continuous phase modulated signal is applied
US6023199A (en) * 1998-01-16 2000-02-08 Motorola, Inc. Pulse width modulation circuit and method
US20030095013A1 (en) * 2000-05-10 2003-05-22 Melanson John L. Modulation of a digital input signal using a digital signal modulator and signal splitting
RU2308800C9 (en) * 2006-03-28 2007-12-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (ОАО "НПЦ "Полюс") Digital pulse-width modulator having distributed spectral characteristic
WO2010105291A1 (en) * 2009-03-16 2010-09-23 Cochlear Limited Transcutaneous modulated power link for a medical implant
US20120074860A1 (en) * 2010-09-28 2012-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Dimming Circuit, A Light Emitting Diode Driver Including The Same And A Light Emitting Diode Driver

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1075397A1 (en) * 1982-03-24 1984-02-23 Предприятие П/Я В-2654 Two-step pulse-duration modulator
SU1621159A1 (en) * 1988-02-15 1991-01-15 Предприятие П/Я В-2962 Pulse-width modulator
US5825257A (en) * 1997-06-17 1998-10-20 Telecommunications Research Laboratories GMSK modulator formed of PLL to which continuous phase modulated signal is applied
US6023199A (en) * 1998-01-16 2000-02-08 Motorola, Inc. Pulse width modulation circuit and method
US20030095013A1 (en) * 2000-05-10 2003-05-22 Melanson John L. Modulation of a digital input signal using a digital signal modulator and signal splitting
RU2308800C9 (en) * 2006-03-28 2007-12-20 Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (ОАО "НПЦ "Полюс") Digital pulse-width modulator having distributed spectral characteristic
WO2010105291A1 (en) * 2009-03-16 2010-09-23 Cochlear Limited Transcutaneous modulated power link for a medical implant
US20120074860A1 (en) * 2010-09-28 2012-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Dimming Circuit, A Light Emitting Diode Driver Including The Same And A Light Emitting Diode Driver

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2718003C1 (en) * 2019-03-26 2020-03-27 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Digital control method of key generator unit of ultrasonic range
RU2798489C1 (en) * 2023-01-26 2023-06-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) Device for generating two pairs of complementary pwm signals (embodiments)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013156059A (en) 2015-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1123116C (en) Pulse referenced control method for enhance power amplification of pulse modulated signal
EP1878121B1 (en) A digital amplitude modulation transmitter with pulse width modulating rf drive
JP4882353B2 (en) Pulse width modulation amplifier
CN104133166A (en) Large-power arbitrary-waveform generation device and method
US10879783B2 (en) Wind turbine having low-harmonic converter system, and method for operation
RU2594918C2 (en) Method for digital generation of width-modulated signals for hydroacoustics
US7566304B2 (en) Ultrasound diagnostic device
KR20120089177A (en) Method for outputting an audio signal and apparatus for outputting an audio signal thereof
RU2718003C1 (en) Digital control method of key generator unit of ultrasonic range
CN111900956B (en) Power generation device based on pulse driving type alternating current quantum voltage source
TW201032201A (en) Method and apparatus for generating a switching waveform
RU87051U1 (en) PULSE VOLTAGE CONVERTER
Chen et al. A spread spectrum modulation method based on dual-clock for filterless digital class-D audio amplifiers
Yu et al. Spectral analysis of UPWM signals for filterless digital class D power amplifiers
Khramov et al. Mathematical modeling of operational modes of high-speed DACs
Chierchie et al. Quasi-analytical spectrum of PWM signals with dead-time for multiple sinusoidal input
CN109756193B (en) Class D digital audio power amplifier system using spread spectrum modulation for PWM wave modulation
RU2400923C2 (en) Key power amplifier
RU2468525C1 (en) Device for generation of spectrally efficient signals
JP3732107B2 (en) Electron beam control apparatus, electron beam generation apparatus, and electron beam control method
RU2496254C1 (en) Electric-arc loudspeaker
RU2794346C1 (en) Class d amplifier
Morales et al. Implementation of a high-resolution symmetric PWM based on custom CMOS delay lines
JP2001345705A (en) Multi-bit pdm signal gain regulator
RU2153761C1 (en) Digital power amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161218

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20191211