WO2001018637A1 - Verbesserung der spektralen eigenschaften bei einer direkten digitalen frequenzsynthese - Google Patents

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accumulating
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Hartmut Wilhelm
Frank Lillie
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    • G06F1/0328—Waveform generators, i.e. devices for generating periodical functions of time, e.g. direct digital synthesizers in which the phase increment is adjustable, e.g. by using an adder-accumulator
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    • G06F2211/902—Spectral purity improvement for digital function generators by adding a dither signal, e.g. noise

Definitions

  • the present invention relates to a method for direct digital frequency synthesis, to a circuit for direct digital frequency synthesis and to a modulator which has such a circuit.
  • the invention provides a technique for improving the spectral properties of the output signal of the direct digital frequency synthesis.
  • DDS digital direct frequency synthesis
  • DDS techniques There are basically two types of DDS techniques, namely the so-called pulse output DDS and the DDS with analog output.
  • the current content of the accumulator is converted by a comparison table (for example a ROM), for example a sinusoidal signal.
  • a comparison table for example a ROM
  • the corresponding unit which is connected downstream of the accumulator, is called the table matching unit below.
  • the accumulator content (0 ... 2 n -l) corresponds to the current phase (0 ... 2 ⁇ ) of the oscillation.
  • the contents of the accumulator are mapped onto a curve shape using a table. From the digital value m of the table, a D / A converter generates the output signal which is still to be smoothed by low-pass filtering. A vibration with the desired curve shape arises when the battery is constantly paid up becomes. Non-linearities of the D / A converter likewise result in disturbing secondary lines in the spectrum.
  • Such a DDS is known for example from US-A-4901265.
  • a scaled signal from a pseudo-noise generator is added.
  • the pseudo-noise signal is scaled depending on the resolution of a subsequent digital / analog converter.
  • a DDS according to the so-called pulse output technique is known for example from EP-A-049320.
  • the periodicity of the accumulator overflow is used as the periodicity of the desired synthesized frequency.
  • EP-A-049320 it is known to add a random value to the input or output of the digital feedback battery in a pulse-output DDS in order to reduce discrete interference lines in the output spectrum of the battery signal.
  • a method for direct digital frequency synthesis is therefore provided.
  • a predetermined increment (frequency word) is accumulated in a predetermined system cycle.
  • the result of the digital accumulation is fed back to the input of the accumulation.
  • Output signal with a desired frequency is generated depending on the state of the step of accumulating. Before or after the step of accumulating, a random value based on random number generation is added to improve the spectral properties of the output signal.
  • the generation and / or distribution of the random values is dependent on a current and / or past operating parameter of the step of accumulating, such as the status of the step of
  • the modified random values can be added to the increment (frequency word) or to the result of the step of accumulating by a modulo-n adder before or after the step of accumulating.
  • a modulo-n adder before or after the step of accumulating.
  • other adders can also be used.
  • the generation and / or distribution of the random values can be modified in particular by means of an adjustable filtering or a table mapping.
  • the generation and / or distribution of the random values can in particular be modified by a combination of filtering and a change in the distribution density.
  • the Changes in the distribution density compensate for this following the filtering or in advance the one caused by the filtering
  • the change in distribution density can be implemented, for example, by a non-linear mapping or by an acceptance / rejection mechanism.
  • the output signal of the desired frequency can be generated by a table comparison of the status of the accumulation step (corresponding to a DDS with an analog output).
  • the periodicity of an overflow value (carry bit) of the step of digital accumulation can represent the desired frequency.
  • a circuit for direct digital frequency synthesis which has a feedback digital accumulator for accumulating a predetermined increment (frequency word) in a predetermined system cycle. Means are provided for generating an output signal at the desired frequency based on a state of the accumulator. In the DDS with analog output, the battery content converted into a table comparison represents the state of the battery.
  • the periodicity of the overflow value (carry bit) or the MSB (most significant bit) results from a sequence of states of the accumulator, on the basis of which an output signal with the desired frequency is generated.
  • the circuit has an adder for adding random values to the increment or the output of the accumulator, the random value being based on a random number generation to the spectral ones To improve the properties of the output signal.
  • Means are provided for modifying the random values and / or the distribution of the random values depending on a current and / or temporal operating parameter of the accumulator, such as the state of the accumulator, the value of the increment and / or a transfer value of the accumulator.
  • a modulo-n adder can be provided for adding the modified random values.
  • the means for modifying the random values and / or the distribution of the random values can be an adjustable filter and / or a table mapping unit.
  • a table matching unit can be provided which converts the current status of the accumulator in the case of a DDS with an analog output in order to generate the output signal of the desired frequency.
  • the periodicity of the temporal behavior of the content of the digital accumulator is set as the periodicity of the signal with the desired frequency.
  • the temporal behavior of the content of the digital accumulator can be detected, for example, on the basis of the carry bit (carry bit) or the MSB.
  • a further circuit for direct digital frequency synthesis with a feedback digital accumulator for accumulating a predetermined increment in a predetermined cycle is provided.
  • the periodicity of the temporal behavior of the content of the digital accumulator reflects the desired frequency (pulse output DDS).
  • An adder adds random values from a random number generator to the increment or the
  • Output of the accumulator the random values based on a random value generation to the spectral properties to improve the spectrum of the output signal.
  • a filter and / or a table mapping unit is used to influence the distribution of the random values in a targeted manner
  • pseudo-random values can also be used, as is the case with the exemplary embodiments.
  • a modulator with a digital synthesizer which has a circuit as specified above.
  • 1 generally shows a representation of a pulse output DDS, in which modified (pseudo) random values are added to the output of the digital feedback battery,
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the present invention, in which the input signal of the accumulator, i. H. modified (pseudo) random values are fed to the increment (frequency word),
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the present invention, according to which modified (pseudo) random values are supplied to the output signal of the accumulator,
  • FIG. 6 shows a spectrum of an output signal of a DDS according to the invention, in which modified random values are used.
  • the digital direct frequency synthesis will be briefly explained in general terms with reference to FIG. 1. It should be noted that the explanation below is based on a pulse output DDS, but the present invention can equally be applied to a DDS with an analog output.
  • an increment m in the form of a frequency word 1 is fed to a digital accumulator / register 2, the output of which is fed back to the input 7.
  • the digital accumulator 2 adds this increment 1 according to a system clock 8.
  • the current status of the accumulator 2 is fed to an adder 6, which adds this accumulator status with pseudo-random values.
  • the pseudo-random values are generated by a random generator 4 as pseudo-random values and then modified in a filter / mapping unit 3.
  • the adder 6 can in particular be a modulo-n adder, the periodic overflow of the adder 6 being supplied to a divider 5 as a so-called carry bit (carry bit) and then being able to be processed further.
  • the periodicity of the occurrence of the carry bit is deliberately and specifically disrupted by the supply of the modified pseudo-random values.
  • the MSB (most significant bit) of the accumulator can also be evaluated to record the periodic behavior.
  • the pseudo-random values it is also possible to use real random numbers based, for example, on the output signal of an analog noise generator.
  • the increment can also be a decrement, ie an increment with a negative sign.
  • the random values can also have negative signs.
  • the present invention can also be applied to a so-called reciprocal DDS, in which the clock is variable and the output frequency is set by a phase locked loop.
  • the pseudorandom sequence i.e. H.
  • the distribution of the pseudo-random values is influenced via a general filter / mapping unit 3 before it is added to the frequency word or the output word of the accumulator (see FIG. 1) in such a way that the spectral properties of the output signal are improved.
  • the influencing or filtering can relate to both the spectral properties and the distribution density function of the random sequence.
  • the Gaussian distribution and the uniform distribution as well as the filtering by low-pass, band-pass or high-pass may be mentioned here.
  • Mapping is used to change the distribution density, which can also be implemented, for example, by a non-linear mapping or by an acceptance / rejection mechanism.
  • filtering can also be provided with the following or upstream targeted change in the distribution density of the (pseudo) random values.
  • the change in the distribution density compensates for the filtering or, in advance, the influencing of the distribution density caused by the filtering.
  • the pseudo-random values are filtered in such a way that there are no spectral components around the frequency zero.
  • the accumulator content and / or its history and / or the frequency control word are included in the determination of the pseudo-random number and / or influence the filter and / or the mapping.
  • the pseudo-random values come from a table or are determined on the basis of a table.
  • the pseudo-random values are generated with a linear congruence generator.
  • the pseudo-random values are generated with a feedback shift register.
  • the shift register is "rewound" at least as far as only a few or no more bits of the previous pseudo-random value appear in the new pseudo-random value.
  • One possibility for this would be to clock it with the clock of the accumulator and to read out a pseudo-random value only once per overflow period.
  • the taps are offset in such a way that no or only a few bits appear at another tap after a shift operation. (This makes consecutive pseudo-random values more independent.)
  • the addition of the pseudo-random number can e.g. B. behind the feedback adder (see Fig. 1). With independent pseudo random numbers, phase noise is then generated in principle.
  • the pseudo-random value is added with each addition, and a new pseudo-random value is selected regularly (for example, with every cycle) or irregularly (for example, pseudo-random). • The pseudo-random value is added with each addition and replaced once per (overflow) cycle of the accumulator by the subsequent pseudo-random value.
  • the secondary lines can be better suppressed.
  • the disruptive discrete frequency components in the power density spectrum are referred to as secondary lines.
  • the pseudo-random values for the “Dithenng” are influenced, for example, by the content of the accumulator and the frequency word and in other words by a current and / or chronological operating parameter of the DDS m are reduced in certain frequency ranges, particularly when the same overflow residue regularly results in the accumulator.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a typical DDS structure, a filter / mapping unit 3 being provided.
  • mapping table comparison
  • the input value range is mapped to an output value range. This can influence the distribution function.
  • the pseudo-random values are modified as a function of an operating parameter of the digital feedback battery 2.
  • Operating parameters include the increment, for example (Frequency word) 1, the current status of the accumulator 2 and the carry bit m question.
  • FIG. 2 shows a pulse output DDS in which modified random values in front of the accumulator 2 are added
  • Increment (frequency word) 1 can be added.
  • the modification again takes place through a filter / mapping unit 3.
  • the random value generator 4 is controlled depending on the carry bit.
  • FIG. 3 shows a further variant of a pulse output DDS, in which the modified random values after the accumulator 2 are added up in a modulo-n adder 6.
  • the pseudo-random values that are generated by the random generator 4 are modified by a filter / mapping unit 3.
  • the random generator 4 and the filter / mapping unit 3 are influenced by the current content of the accumulator 2, by the carry bit of the accumulator 2 and / or by the amount of the increment (frequency word) 1.
  • the filter / mapping unit 3 and the random generator 4 can also be influenced by other signals which are supplied to the accumulator 2 or are output by the latter.
  • Fig. 4 shows a typical output spectrum of a pulse output DDS in the event that there is a broken ratio between (2 ⁇ battery width) and the amount of the frequency word.
  • Fig. 5 shows a typical output spectrum of a pulse output DDS in the event that a broken ratio between 2 ⁇ battery width and frequency word.
  • the frequency word increment
  • the discrete interference lines are reduced, but at the same time the quality of the desired output signal has deteriorated to the extent that the main line is broadened.
  • FIG. 6 shows a typical output spectrum of a pulse output DDS according to the present invention, it being assumed that there is a broken ratio between 2 battery width and the amount of the frequency word. A modified (colored) random number was added to the frequency word (increment). The qualitative improvement of the main line in the range of the desired frequency is clear

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Abstract

Bei einer direkten digitalen Frequenzsynthese (DDS) wird zur Verbesserung der spektralen Eigenschaften des Ausgangssignals der DDS insbesondere im Bereich der gewünschten Frequenz (Trägerfrequenz) eine Zufallswertfolge, die durch einen Zufallswertgenerator (4) erzeugt wird und in einer Filter/Mapping Einheit (3) modifiziert wird, vor oder nach dem Akkumulator (2) aufaddiert. Die Erzeugung der Zufallswerte sowie die Modifizierung der Verteilung der Zufallswerte erfolgt dabei insbesondere abhängig von einem Betriebsparameter des Akkumulators (2), wie beispielsweise dem Betrag des Frequenzwortes (1), dem aktuellen Stand des Akkumulators (2) oder dem Übertrags-(Carry)-Bit.

Description

Beschreibung
Verbesserung der spektralen Eigenschaften bei einer direkten digitalen Frequenzsynthese
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur direkten digitalen Frequenzsynthese, auf eine Schaltung zur direkten digitalen Frequenzsynthese sowie auf einen Modulator, der eine solche Schaltung aufweist. Die Erfindung stellt dabei eine Technik zur Verbesserung der spektralen Eigenschaften des Ausgangssignals der direkten digitalen Frequenzsynthese bereit.
Eine Art der Signalerzeugung ist die Anwendung einer digitalen direkten Frequenzsynthese (DDS) . Dabei wird ein digitaler Akkumulator mit einem festen Systemtakt getaktet, der Ausgang auf den Eingang des digitalen Akkumulators zurückgekoppelt und ein sog. Frequenzwort (Inkrement) angelegt. Der Akkumulator addiert nun mit jedem Takt das Inkrement bis zu seinem Überlauf auf und beginnt dann wieder von vorne. Ein während des Überlaufs auftretender Rest (Übertragswert, Carry-Bit) im Akkumulator wird beim nächsten Durchlauf automatisch berücksichtigt. Somit lassen sich in Abhängigkeit der Taktfrequenz, der Akkubreite und des Frequenzworts (Inkrements) unterschiedliche gewünschte Ausgangsfrequenzen erzeugen.
Probleme können sich hinsichtlich der Qualität der Ausgangssignale, d. h. der spektralen Eigenschaften der Ausgangssignale ergeben. Liegt ein ganzzahliges Verhältnis zwischen 2 Akkubreite (maximaler Wertebereich des Akkus) und dem Frequenzwort vor, so ergeben sich symmetrische Ausgangssignale und somit im Frequenzspektrum ein qualitativ hochwertiges Signal. Symmetrisch bedeutet dabei gleichmäßige Abstände zwischen den Ausgangsimpulsen bei einer sog. Pulse- Output-DDS, die später erläutert werden wird. Ergibt sich ein gebrochenes Verhältnis zwischen 2ΛAkkubreιte (maximaler Wertebereich des Akkus) und dem Frequenzwort, so geht die Symmetrie des Ausgangssignals verloren, was als Jitter bezeichnet wird, und es entstehen verschiedene Storlinien im Spektrum.
Als Abhilfe für diese störenden Linien im Ausgangsspektrum gibt es verschiedene Verfahren, die sich mit der „Zerstreuung" der diskreten Storlinien beschäftigen. Dabei wird allgemein eine Zufallszahl vor oder nach dem Akkumulator addiert, so daß die Peπodizitat des Jitters, die die Storlinien verursacht, unterbunden wird. Als Ausgangssignal erhalt man dann jedoch die gewünschte Frequenz mit einem entsprechend angehobenen Rauschteppich, wobei gleichzeitig die dominanten diskreten Storlinien eine verringerte Leistung aufweisen. Die Verringerung dieser diskreten Storlinien wird also durch eine Anhebung des Rauschpegels erkauft, die sich nachteiligerweise bspw. in einer Verbreiterung der Hauptlinie (gewünschte Frequenz) des Spektrums zeigt.
Grundsätzlich gibt es zwei Typen von DDS-Techniken, nämlich die sog. Pulse-Output-DDS und die DDS mit analogem Ausgang.
Bei der DDS mit analogem Ausgang wird der aktuelle Inhalt des Akkumulators durch eine Vergleichstabelle (beispielsweise ein ROM) m ein beispielsweise sinusförmiges Signal umgesetzt. Die entsprechende Einheit, die dem Akkumulator nachgeschaltet ist, wird im folgenden Tabellenabgleichs-Emheit genannt.
Bei der DDS mit analogem Ausgang entspricht - wie bei der Pulse-Output-DDS - der Akkumulator-Inhalt (0...2n-l) der momentanen Phase (0...2π) der Schwingung. Der Akkumulator- Inhalt wird mittels einer Tabelle auf eine Kurvenform abgebildet. Aus dem digitalen Wert m der Tabelle erzeugt ein D/A-Umsetzer das noch durch Tiefpaßfllterung zu glattende Ausgangssignal. Eine Schwingung mit der gewünschten Kurvenform entsteht somit, wenn der Akku stetig hochgezahlt wird. Durch Nichtlmeaπtaten des D/A-Umsetzers ergeben sich ebenfalls störende Nebenlinien im Spektrum.
Eine solche DDS ist beispielsweise aus der US-A-4901265 bekannt. Dabei wird nach der Umsetzung des Akkumulator-Stands m einem Sinus-Konverter ein skaliertes Signal von einem Pseudorausch-Generator addiert. Das Pseudorausch-Signal wird dabei abhangig von der Auflosung eines folgenden Digital/Analog-Konverters skaliert .
Eine weitere DDS mit analogem Ausgang ist bekannt aus Vankka, „Spur Reduction Techniques m Sine Output Direct Digital Synthesis", 1996 IEEE International Frequency Control Symposium, Seite 951 ff. Gemäß dieser Technik wird sowohl vor wie auch nach der Umsetzung des Akkumulatorinhalts m einem ROM ein Pseudo-Rauschwert addiert, wobei die Verteilung der Pseudo-Rauschwerte hochpaßgeflltert wird.
Eine DDS gemäß der sogenannten Pulse-Output-Technik ist beispielsweise bekannt aus EP-A-049320. Gemäß dieser Technik wird die Periodizitat des Überlaufs des Akkumulators als Peπodizitat der gewünschten synthetisierten Frequenz benutzt. Aus der EP-A-049320 ist es bekannt, bei einer Pulse- Output-DDS einen Zufallswert zu dem Eingang oder Ausgang des digitalen ruckgekoppelten Akkumulators zu addieren, um diskrete Storlinien im Ausgangsspektrum des Akkumulator- Signals zu verringern.
Ausgehend von dem obengenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur Verbesserung der spektralen Eigenschaften eines DDS- Ausgangssignals bereitzustellen, die insbesondere das Spektrum im Bereich der gewünschten Frequenz verbessert. Mit anderen Worten, der Rauschpegel im Bereich des gewünschten Signals soll verringert werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelost. Die abhangigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Erfindungsgemaß ist also ein Verfahren zur direkten digitalen Frequenzsynthese vorgesehen. Ein vorbestimmtes Inkrement (Frequenzwort) wird in einem vorgegebenen Ξystemtakt akkumuliert. Das Ergebnis des digitalen Akkumulierens wird zum Eingang des Akkumulierens zuruckgekoppelt . Ein
Ausgangssignal mit einer gewünschten Frequenz wird abhangig von dem Zustand des Schritts des Akkumulierens erzeugt. Vor oder nach dem Schritt des Akkumulierens wird ein Zufallswert basierend auf Zufallszahlenerzeugung addiert, um die spektralen Eigenschaften des Ausgangssignals zu verbessern.
Die Erzeugung und/oder Verteilung der Zufallswerte wird abhangig von einem aktuellen und/oder zeitlich zurückliegenden Betriebsparameter des Schritts des Akkumulierenε, wie bspw. dem Stand des Schritts des
Akkumulierens, dem Wert des Inkrements und/oder einem Übertragswert (Carry-Bit) des Schritts des Akkumulierens modifiziert .
Die modifizierten Zufallswerte können vor oder nach dem Schritt des Akkumulierens zu dem Inkrement (Frequenzwort) bzw. zu dem Ergebnis des Schritts des Akkumulierens durch einen Modulo-n-Addierer addiert werden. Selbstverständlich können auch andere Addierer verwendet werden.
Die Erzeugung und/oder Verteilung der Zufallswerte kann insbesondere durch eine einstellbare Filterung oder eine Tabellenabbildung modifiziert werden.
Die Erzeugung und/oder Verteilung der Zufallswerte kann insbesondere durch eine Kombination einer Filterung und einer Änderung der Verteilungsdichte modifiziert werden. Die Änderung der Verteilungsdichte kompensiert dabei folgend auf die Filterung oder vorab die durch die Filterung verursachte
Beeinflussung der Verteilungsdichte.
Die Änderung der Verteilungsdichte kann bspw. durch eine nichtlineare Abbildung oder durch einen Annahme/Zurückweisungsmechanismus implementiert werden.
Das Ausgangssignal der gewünschten Frequenz kann durch einen Tabellenabgleich des Stands des Schritts des Akkumulierens erzeugt werden (entsprechend einer DDS mit analogem Ausgang) .
Gemäß einer Pulse-Output-DDS-Technik kann die Periodizität eines Überlaufwertes (Carry-Bit) des Schritts des digitalen Akkumulierens die gewünschte Frequenz wiedergeben.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Schaltung zur direkten digitalen Frequenzsynthese vorgesehen, die einen rückgekoppelten digitalen Akkumulator zum Akkumulieren eines vorbestimmten Inkrements (Frequenzworts) in einem vorgegebenen Systemtakt aufweist. Es sind Mittel zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit der gewünschten Frequenz auf Grundlage eines Zustands des Akkumulators vorgesehen. Bei der DDS mit analogem Ausgang stellt der in einen Tabellenabgleich umgesetzte Akkumulatorinhalt den Zustand des Akkumulators dar.
Bei der Pulse-Output-DDS ergibt sich die Periodizität des Überlaufwerts (Carry-Bit) oder des MSB (Most Ξignificant Bit) aus einer Abfolge von Zuständen des Akkumulators, auf dessen Grundlage ein Ausgangssignal mit der gewünschten Frequenz erzeugt wird.
Weiterhin weist die Schaltung einen Addierer zum Addieren von Zufallswerten zu dem Inkrement oder dem Ausgang des Akkumulators auf, wobei der Zufallswert auf einer Zufallszahlenerzeugung basiert, um die spektralen Eigenschaften des Ausgangssignals zu verbessern. Es sind Mittel zur Modifizierung der Zufallswerte und/oder der Verteilung der Zufallswerte abhängig von einem aktuellen und/oder zeitlich zurückliegenden Betriebsparameter des Akkumulators, wie bspw. dem Zustand des Akkumulators, dem Wert des Inkrements und/oder einem Übertragswert des Akkumulators vorgesehen.
Es kann ein Modulo-n-Addierer zum Addieren der modifizierten Zufallswerte vorgesehen sein.
Die Mittel zum Modifizieren der Zufallswerte und/oder der Verteilung der Zufallswerte können ein einstellbares Filter und/oder eine Tabellenabbildung-Einheit sein.
Es kann eine Tabellenabgleich-Einheit vorgesehen sein, die zur Erzeugung des Ausgangssignals der gewünschten Frequenz den momentanen Stand des Akkumulators für den Fall einer DDS mit analogem Ausgang umsetzt.
Für den Fall einer Pulse Output DDS wird die Periodizität des zeitlichen Verhaltens des Inhalts des digitalen Akkumulators als Periodizität des Signals mit der gewünschten Frequenz gesetzt. Das zeitliche Verhalten des Inhalts des digitalen Akkumulators kann bspw. anhand des Übertragsbits (Carry-Bits) oder des MSB erfaßt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine weitere Schaltung zur direkten digitalen Frequenzsynthese mit einem rückgekoppelten digitalen Akkumulator zum Akkumulieren eines vorbestimmten Inkrements in einem vorgegebenen Takt vorgesehen. Die Periodizität des zeitlichen Verhaltens des Inhalts des digitalen Akkumulators gibt die gewünschte Frequenz wieder (Pulse-Output-DDS) . Ein Addierer addiert Zufallswerte von einem Zufallszahlengenerator zu dem Inkrement oder dem
Ausgang des Akkumulators, wobei die Zufallswerte auf einer Zufallswerterzeugung basiert, um die spektralen Eigenschaften des Spektrums des Ausgangssignals zu verbessern. Zur gezielten Beeinflussung der Verteilung der Zufallswerte ist ein Filter und/oder eine Tabellenabbildungs-Einheit dem
Zufallszahlengenerator nachgeschaltet .
Selbstverständlich können anstelle von echten Zufallswerten, die bspw. durch Umsetzung eines Ausgangssignals eines analogen Rauschgenerators erzeugt werden, auch Pseudo- Zufallswerte verwendet werden, wie es bei den Ausfuhrungsbeispielen der Fall ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Modulator mit einem digitalen Synthesizer vorgesehen, der eine Schaltung wie oben angegeben aufweist.
Im Folgenden werden weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch eine Beschreibung von mehreren Ausfuhrungsbeispielen und bezugnehmend auf die begleitenden Figuren der Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt allgemein eine Darstellung einer Pulse Output DDS, bei der dem Ausgang des digitalen ruckgekoppelten Akkumulators modifizierte (Pseudo-) Zufallswerte addiert werden,
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem dem Eingangssignal des Akkumulators, d. h. dem Inkrement (Frequenzwort) modifizierte (Pseudo-) Zufallswerte zugeführt werden,
Fig. 3 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem dem Ausgangssignal des Akkumulators modifizierte (Pseudo-) Zufallswerte zugeführt werden,
Fig. 4 zeigt ein Spektrum eines Ausgangssignals des Akkumulators f r den Fall, daß keinerlei (Pseudo-) Zufallswerte addiert werden, Fig. 5 zeigt ein Spektrum eines Ausgangssignals einer DDS, der Zufallszahlen gemäß einer aus dem Stand der Technik bekannten Technik addiert werden, und
Fig. 6 zeigt ein Spektrum eines Ausgangssignals einer erfmdungsgemaßen DDS, bei der modifizierte Zufallswerte verwendet werden.
Bezugnehmend auf Fig. 1 soll kurz allgemein die digitale direkte Frequenzsynthese erläutert werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß im Folgenden die Erläuterung anhand einer Pulse-Output-DDS erfolgt, die vorliegende Erfindung indessen gleichermaßen auf eine DDS mit analogem Ausgang angewendet werden kann.
Wie m Fig. 1 gezeigt wird einem digitalen Akkumulator/Register 2, dessen Ausgang auf den Eingang zuruckgekoppelt 7 ist, ein Inkrement m Form eines Frequenzwortes 1 zugeführt. Der digitale Akkumulator 2 addiert dieses Inkrement 1 gemäß einem Systemtakt 8 auf. Der aktuelle Stand des Akkumulators 2 wird einem Addierer 6 zugeführt, der diesen Akkumulatorstand mit Pseudo- Zufallswerten addiert. Die Pseudo-Zufallswerte werden durch einen Zufallsgenerator 4 als Pseudo-Zufallswerte erzeugt und dann m einer Filter/Mappmg Einheit 3 modifiziert. Der Addierer 6 kann insbesondere ein Modulo-n-Addierer sein, wobei der periodische Überlauf des Addierers 6 als sog. Carry-Bit (Ubertrags-Bit) einem Teiler 5 zugeführt wird und dann weiter verarbeitet werden kann. Die Periodizität des Auftretens des Carry-Bits wird durch das Zufuhren der modifizierten Pseudo-Zufallswerte bewußt und gezielt gestört. Zur Erfassung des periodischen Verhaltens kann auch das MSB (höchstwertige Bit) des Akkumulators ausgewertet werden. Statt den Pseudo-Zufallswerten können auch echte Zufallszahlen basierend bspw. auf dem Ausgangssignal eines analogen Rauschgenerators verwendet werden.
Das Inkrement kann auch ein Dekrement, also ein Inkrement mit negativem Vorzeichen sein. Ebenso können die Zufallswerte negative Vorzeichen aufweisen.
Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch auf eine sogenannte reziproke DDS angewendet werden, bei der der Takt variabel ist und die Ausgangsfrequenz durch eine Phasenregelschleife eingestellt wird.
Die Pseudo-Zufallswertabfolge, d. h. insbesondere die Verteilung der Pseudo-Zufallswerte wird also, bevor sie zum Frequenzwort oder zum Ausgangswort des Akkumulators (siehe Fig. 1) hinzu addiert wird, über eine allgemeine Filter/Mappmg Einheit 3 derart beeinflußt, daß die spektralen Eigenschaften des Ausgangssignals verbessert werden. Die Beeinflussung bzw. Filterung kann sich dabei sowohl auf die spektralen Eigenschaften wie auch die Verteilungsdichte-Funktion der Zufallsfolge beziehen. Beispielsweise seien hierbei die Gauß-Verteilung und die Gleichverteilung sowie die Filterung durch Tiefpaß, Bandpaß oder Hochpaß genannt.
Das Mapping (Tabellenabbildung) dient zur Änderung der Verteilungsdichte, die bspw. auch durch eine nichtlineare Abbildung oder durch einen Annahme/Zuruckweisungsmechanismus implementiert werden kann. Insbesondere kann auch eine Filterung mit folgender oder vorgeschalteter gezielter Änderung der Verteilungsdichte der (Pseudo-) Zufallswerte vorgesehen sein. Die Änderung der Verteilungsdichte kompensiert dabei folgend auf die Filterung bzw. vorab die durch die Filterung verursachte Beeinflussung der Verteilungsdichte . Nachfolgend werden einige Varianten zur Beeinflussung der Pseudo-Zufallswerte vorgestellt. In Abhängigkeit des Frequenzwortes können die Varianten dynamisch einzeln oder m Kombination eingesetzt werden:
• Die Pseudo-Zufallswerte werden differentiell gebildet.
• Die Pseudo-Zufallswerte werden derart gefiltert, daß keine spektralen Anteile um die Frequenz null herum anfallen.
• Der Akkumulator-Inhalt und/oder dessen Vorgeschichte und/oder das Frequenzsteuerwort gehen bei der Bestimmung der Pseudo-Zufallszahl ein und/oder beeinflussen das Filter und/oder das Mapping.
• Die Pseudo-Zufallswerte kommen aus einer Tabelle oder werden auf Grundlage einer Tabelle bestimmt.
• Die Pseudo-Zufallswerte werden mit einem linearen Kongruenzgenerator erzeugt.
• Die Pseudo-Zufallswerte werden mit einem r ckgekoppelten Schieberegister erzeugt.
Bei einem ruckgekoppelten Schieberegister gibt es beispielsweise folgende Varianten:
• Das Schieberegister schaltet bei jedem Takt weiter.
• Das Schieberegister schaltet bei jedem (Überlauf-) Zyklus des Akkumulators weiter.
• Die Abgriffe des Schieberegisters für die Pseudo- Zufallswerte sind benachbart.
• Das Schieberegister wird zwischen dem Abholen von Pseudo- Zufallswerten mindestens so weit „weitergespult", bis nur noch wenige oder keine Bits des vorigen Pseudo- Zufallswertes mehr in dem neuen Pseudo-Zufallswert vorkommen. Eine Möglichkeit hierzu wäre, es mit dem Takt des Akkumulators zu takten und nur einmal pro Uberlauf- Periode einen Pseudo-Zufallswert auszulesen.
• Die Abgriffe sind so versetzt, daß nach einer Shift- Operation kein oder nur wenige Bits an einem anderen Abgriff auftauchen. (Dies bewirkt eine größere Unabhängigkeit aufeinanderfolgender Pseudo-Zufallswerte.)
Die Addition der Pseudo-Zufallszahl kann z. B. hinter dem ruckgekoppelten Addierer erfolgen (siehe Fig. 1) . Bei unabhängigen Pseudo-Zufauszahlen wird dann prinzipiell Phasenrauschen erzeugt.
Die Addition kann aber auch am Eingang des ruckgekoppelten Addierers erfolgen. Bei unabhängigen Pseudo-Zufauszahlen wird dann prinzipiell Frequenzrauschen erzeugt. In diesem Fall gibt es u. a. folgende Varianten:
• Ein addierter Pseudo-Zufallswert wird m einem der folgenden Schritte wieder abgezogen (somit entsteht kein Frequenzfehler) .
• Es werden mittelwertfreie Pseudo-Zufallswerte addiert oder der kumulierte Mittelwert wird von Zeit zu Zeit abgezogen
(somit entsteht kein Frequenzfehler) .
• Der Pseudo-Zufallswert wird nur einmal pro (Überlauf-) Zyklus des Akkus addiert.
• Der Pseudo-Zufallswert wird bei jeder Addition dazuaddiert, und regelmäßig (z.B. bei jedem Takt) oder unregelmäßig (z.B. pseudozufallig) wird ein neuer Pseudo-Zufallswert gewählt . • Der Pseudo-Zufallswert wird bei jeder Addition mit addiert und einmal pro (Überlauf-) Zyklus des Akkumulators durch den nachfolgenden Pseudo-Zufallswert ersetzt.
• Der Pseudo-Zufallswert und das Inkrement werden zunächst addiert, das Ergebnis zwischengespeichert und dann dem Addierer zugeführt. (Dies spart Additionen, wenn sich der Pseudo-Zufallswert nicht mit jedem Takt ändert.)
Gemäß der Erfindung können also bei geeigneter Kombination von einer Verteilung des zum Dithern verwendeten Pseudo- Zufallswerts im Wertebereich mit ihrer Verteilung im Frequenzbereich die Nebenlinien besser unterdruckt werden. Als Nebenlinien werden wie bereits ausgeführt die störenden diskreten Frequenzanteile im Leistungsdichtespektrum bezeichnet .
Wie folgend erläutert wird, werden die Pseudo-Zufallswerte für das „Dithenng" beispielsweise durch den Inhalt des Akkumulators und das Frequenzwort und mit anderen Worten durch einen aktuellen und/oder zeitlich zurückliegenden Betriebsparameter der DDS beeinflußt. Dadurch kann der durch das Dithenng erzeugte Rauschteppich zumindest m bestimmten Frequenzbereichen abgesenkt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich im Akkumulator regelmäßig der gleiche Überlaufrest ergibt.
Wie bereits ausgeführt zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild eines typischen DDS-Aufbaus, wobei eine Filter/Mappmg Einheit 3 vorgesehen ist. Bei einem Mapping (Tabellenabgleich) wird der Eingangswertebereich auf einen Ausgangswertebereich abgebildet. Dadurch laßt sich die Verteilungsfunktion beeinflussen. Allgemein werden gemäß diesem Aspekt die Pseudo-Zufallswerte abhangig von einem Betriebsparameter des digitalen ruckgekoppelten Akkumulators 2 modifiziert. Als
Betriebsparameter kommen dabei beispielsweise das Inkrement (Frequenzwort) 1, der aktuelle Stand des Akkumulators 2 sowie das Carry-Bit m Frage.
In Fig. 2 ist eine Pulse-Output-DDS gezeigt, bei der modifizierte Zufallswerte vor dem Akkumulator 2 zu dem
Inkrement (Frequenzwort) 1 addiert werden. Die Modifizierung findet wiederum durch eine Filter/Mappmg Einheit 3 statt. Der Zufallswertegenerator 4 wird dabei abhangig von dem Carry-Bit angesteuert.
In Fig. 3 ist eine weitere Variante einer Pulse Output DDS gezeigt, bei der die modifizierten Zufallswerte nach dem Akkumulator 2 in einem Modulo-n-Addierer 6 aufaddiert werden. Wiederum werden die Pseudo-Zufallswerte, die durch den Zufallsgenerator 4 erzeugt werden, durch eine Filter/Mappmg Einheit 3 modifiziert. Der Zufallsgenerator 4 sowie die Filter/Mappmg Einheit 3 werden dabei durch den aktuellen Inhalt des Akkumulators 2, durch das Carry-Bit des Akkumulators 2 und/oder durch den Betrag des Inkrements (Frequenzwortes) 1 beeinflußt. Selbstverständlich kann die Beeinflussung der Filter/Mappmg Einheit 3 sowie des Zufallsgenerators 4 auch durch andere Signale erfolgen, die dem Akkumulator 2 zugeführt bzw. von diesem ausgegeben werden.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen Simulationen von typischen Ausgangsspektren einer Pulse-Output-DDS.
Fig. 4 zeigt dabei ein typisches Ausgangsspektrum einer Pulse-Output-DDS für den Fall, daß ein gebrochenes Verhältnis zwischen (2ΛAkkubreιte) und dem Betrag des Frequenzwortes vorliegt. Man kann deutlich erkennen, daß neben der eigentlich gew nschten Frequenz diskrete Storlinien auftreten.
Fig. 5 zeigt ein typisches Ausgangsspektrum einer Pulse- Output-DDS für den Fall, daß ein gebrochenes Verhältnis zwischen 2ΛAkkubreite und Frequenzwort vorliegt. In diesem Fall wurde das Frequenzwort (Inkrement) durch eine Zufallszahl überlagert, wie es gemäß dem Stand der Technik bekannt ist. Deutlich ist erkennbar, daß die diskreten Störlinien zwar reduziert werden, sich aber gleichzeitig die Qualität des gewünschten Ausgangssignals dahingehend verschlechtert hat, daß die Hauptlinie verbreitert ist.
Fig. 6 zeigt ein typisches Ausgangsspektrum einer Pulse- Output-DDS gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei angenommen ist, daß ein gebrochenes Verhältnis zwischen 2 Akkubreite und dem Betrag des Frequenzwortes vorliegt. Zu dem Frequenzwort (Inkrement) wurde eine modifizierte (gefärbte) Zufallszahl addiert. Deutlich ist die qualitative Verbesserung der Hauptlinie im Bereich der gewünschten Frequenz
(Trägerfrequenz im Falle der Anwendung auf einen Modulator) erkennbar. Gleichzeitig zeigt sich eine geringfügige Verschlechterung bei der Unterdrückung der diskreten Störlinien. Durch die Filterung/Mapping der Zufallswerte- Abfolge kann nun die DDS Technik hinsichtlich einer ausreichenden Störlinienunterdrückung einerseits und andererseits einem geringen Phasenrauschen im Bereich der gewünschten (Träger) -Frequenz verbessert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur direkten digitalen Frequenzsynthese, aufweisend die folgenden Schritte: - Akkumulieren (2) eines vorbestimmten Inkrements (1) m einem vorgegebenen Takt (8),
- Ruckkoppeln (7) des Ergebnisses des Schritts des digitalen
Akkumulierens (2) zum Eingang des Schritts des Akkumulierens, und - Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer gewünschten
Frequenz abhangig von dem Stand des Schritts des
Akkumulierens, wobei vor oder nach dem Schritt des Akkumulierens (2)
Zufallswerte basierend auf einer Zufallswerterzeugung (4) addiert (6) werden, um die spektralen Eigenschaften des
Ausgangssignals zu verbessern, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h den Schritt der Modifizierung (3) der Erzeugung und/oder
Verteilung der Zufallswerte abhangig von wenigstens einem aktuellen und/oder zeitlich zurückliegenden Betriebsparameter des Schritts des Akkumulierens, um die spektralen
Eigenschaften im Bereich der gew nschten Frequenz zu verbessern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Schritt der Modifizierung (3) der Erzeugung und/oder Verteilung der Zufallswerte abhangig von einem momentanen und/oder einem zeitlich zurückliegenden Stand des Schritts des Akkumulierens (2), dem Wert des Inkrements (1) und/oder einem Ubertragswert des Schritts des Akkumulierens (2) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die modifizierten Zufallswerte vor oder nach dem Schritt des Akkumulierens (6) zu dem Inkrement (1) bzw. dem Ergebnis des Schritts des Akkumulierens Modulo-n-addiert (6) werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Erzeugung und/oder Verteilung der Zufallswerte durch eine einstellbare Filterung (3) oder Tabellenabbildung modifiziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei oder nach der Erzeugung der Zufallswerte diese gefiltert (3) und in ihrer Verteilungsdichte modifiziert werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ausgangssignal der gewünschten Frequenz durch Tabellenabgleich des Stands des Schritts des Akkumulierens erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Periodizität des zeitlichen Verhaltens des Schritts des digitalen Akkumulierens die gewünschte Frequenz wiedergibt .
8. Schaltung zur direkten digitalen Frequenzsynthese, aufweisend
- einen rückgekoppelten digitalen Akkumulator (2) zum Akkumulieren eines vorbestimmten Inkrements (1) in einem vorgegebenen Takt (8), - Mittel zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit der gewünschten Frequenz auf Grundlage eines Zustands des Akkumulators (2), und
- einen Addierer (6) zum Addieren von Zufallswerten zu dem Inkrement (1) oder dem Ausgang des Akkumulators, wobei die
Zufallswerte auf einer Zufallswerterzeugung (4) basiert, um die spektralen Eigenschaften des Spektrums des Ausgangssignals zu verbessern, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Mittel (3) zur Modifizierung der Zufallswerte und/oder der Verteilung der Zufallswerte abhangig von wenigstens einem aktuellen und/oder zeitlich zurückliegenden Betriebsparameter des digitalen Akkumulators (2) .
9. Schaltung nach Anspruch 8, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
Mittel (3) zur Modifizierung der Zufallswerte und/oder der Verteilung der Zufallswerte abhangig von einem momentanen und/oder zeitlich zurückliegenden Zustand des Akkumulators (2), dem Wert des Inkrements und/oder einem Ubertragswert des Akkumulators (2) .
10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Modulo-n-Addierer (6) zum Addieren der modifizierten Zufallswerte.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mittel zur Modifizierung der Zufallswerte und/oder der Verteilung der Zufallswerte ein einstellbares Filter (3) und/oder eine Tabellenabbildungs-E heit sind.
12. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Modifizierung der Zufallswerte und/oder der Verteilung der Zufallswerte eine Kombination eines
Filters (3) und einer Einheit zur Änderung der
Verteilungsdichte der Zufallswerte aufweisen, wobei die Einheit zur Änderung der Verteilungsdichte folgend auf die
Filterung oder vorab die durch die Filterung verursachte
Beeinflussung der Verteilungsdichte kompensiert.
13. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Tabellenabgleichs-Einheit vorgesehen ist, die zur Erzeugung des Ausgangssignals der gewünschten Frequenz den momentanen Stand des Akkumulators umsetzt.
14. Schaltung zur direkten digitalen Frequenzsynthese, aufweisend
- einen rückgekoppelten digitalen Akkumulator (2) zum Akkumulieren eines vorbestimmten Inkrements (1) in einem vorgegebenen Takt (8), wobei die Periodizität des zeitlichen Verhaltens des Inhalts des digitalen Akkumulators die gewünschte Frequenz wiedergibt und einen Addierer (6) zum Addieren von Zufallswerten zu dem Inkrement (1) oder dem Ausgang des Akkumulators vorgesehen ist, wobei die Zufallswerte auf einer Zufallswerterzeugung (4) basiert, um die spektralen Eigenschaften des Spektrums des Ausgangssignals zu verbessern, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur gezielten Beeinflussung der Verteilung der Zufallswerte ein Filter (3) und/oder eine -Einheit zur Änderung der Verteilungsdichte der Zufallswerte vorgesehen ist.
15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur gezielten Beeinflussung der Verteilung der
Zufallswerte eine Kombination eines Filters (3) und einer
Einheit zur Änderung der Verteilungsdichte der Zufallswerte vorgesehen ist.
16. Modulator, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er einen digitalen Synthesizer mit einer Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 aufweist.
PCT/DE2000/001230 1999-09-02 2000-04-19 Verbesserung der spektralen eigenschaften bei einer direkten digitalen frequenzsynthese WO2001018637A1 (de)

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