DE102013225284A1 - Method for generating a signal and signal generator - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals (s3) hat die Verfahrensschritte: Erzeugen eines ersten Signals (s1) mittels eines ersten Direkt-Digital-Synthesizers (1); Erzeugen eines zweiten Signals (s2) mittels eines zweiten Direkt-Digital-Synthesizers (2), wobei das zweite Signal (s2) eine zum ersten Signal (s1) identische Signalfrequenz (f) aufweist; und Kombinieren (3) des ersten Signals (s1) mit dem zweiten Signal (s2) zum Erzeugen des Signals (s3).A method for generating a signal (s3) has the method steps: generating a first signal (s1) by means of a first direct digital synthesizer (1); Generating a second signal (s2) by means of a second direct digital synthesizer (2), the second signal (s2) having a signal frequency (f) identical to the first signal (s1); and combining (3) the first signal (s1) with the second signal (s2) to generate the signal (s3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals sowie einen entsprechenden Signalgenerator. The invention relates to a method for generating a signal and a corresponding signal generator.
In hochpräzisen Signalgeneratoren werden zur Erzeugung von Ausgangssignalen sogenannte Direkt-Digital-Synthesizer, kurz DDS, eingesetzt. DDS sind beispielsweise aus der
Die direkte digitale Synthese basiert auf einem digitalen Addierwerk kombiniert mit einem rückgekoppelten Register, was als Phasenakkumulator bezeichnet wird. Dieser Phasenakkumulator addiert zyklisch einen zugeführten Eingabewert. Der momentane Zählerstand entspricht dann einem Phasenwinkel. Ein Überlaufen des Phasenakkumulators entspricht einem vollen Umlauf des Phasenzeigers von 2·Π. The direct digital synthesis is based on a digital adder combined with a feedback register, which is called a phase accumulator. This phase accumulator cyclically adds a supplied input value. The current counter reading then corresponds to a phase angle. An overflow of the phase accumulator corresponds to a full revolution of the phase vector of 2 · Π.
Der zu einem bestimmten Phasenwert gehörende Signalwert wird durch einen Speicher erhalten, der diesem bestimmten Phasenwert einen Signalwert zuordnet. Ist beispielsweise ein sinusförmiger Signalverlauf gewünscht, bildet dieser Speicher den Verlauf einer Sinusfunktion ab. Die Abbildung als Sinusfunktion kann bei kleinen Bitbreiten in Form einer bereits im Voraus errechneten und abgespeicherten Tabelle erfolgen. Somit ist ein Speicherbereich im DDS vorgesehen, um aus einer Phasenlage einen gewünschten Signalverlauf zu erzeugen. Am Ausgang des Speichers kann nunmehr ein digitales periodisches Signal abgegriffen werden. Wird ein analoges Ausgangssignal gewünscht, so wird das abgreifbare digitale Signal einem Digital-Analog-Wandler zugeführt. Bei einer typischen Wortbreite von 32 Bit für das Register beträgt die Frequenzauflösung bei 100 MHz Systemtakt 0,023 Hertz bei einer maximalen Ausgangsfrequenz von 50 MHz. The signal value associated with a particular phase value is obtained by a memory which assigns a signal value to that particular phase value. For example, if a sinusoidal waveform is desired, this memory maps the course of a sinusoidal function. The mapping as a sine function can be done with small bit widths in the form of a previously calculated and stored table. Thus, a memory area in the DDS is provided to generate a desired waveform from a phase position. At the output of the memory now a digital periodic signal can be tapped. If an analogue output signal is desired, then the digital signal which can be tapped off is fed to a digital-to-analogue converter. For a typical word width of 32 bits for the register, the frequency resolution at 100 MHz system clock is 0.023 Hertz with a maximum output frequency of 50 MHz.
Problematisch bei derartigen DDS ist die Entstehung von Mischprodukten gebildet aus einer systembedingten Taktfrequenz für den Digital-Analog-Wandler bzw. dem Phasenakkumulator sowie aus Oberschwingungen, also harmonischen Schwingungen der Grundfrequenz außer der Grundfrequenz des zu erzeugenden Ausgangssignals selbst. Dabei ist zu beachten, dass eine Harmonische eine Schwingung ist, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Signalfrequenz ist. Eine Harmonische oberhalb der Grundfrequenz wird auch als Oberschwingung oder Oberwelle bezeichnet. Es gelten folgende technisch anerkannte Bezeichnungen: Die Grundschwingung der Signalfrequenz f wird als 1. Harmonische bezeichnet, eine Schwingung der doppelten Signalfrequenz 2·f als 2. Harmonische oder 1. Oberschwingung. Allgemein ist die Schwingung mit der n-fachen Signalfrequenz n·f die n-te Harmonische, also die (n – 1)-te Oberschwingung. The problem with such DDS is the formation of mixed products formed from a system-related clock frequency for the digital-to-analog converter or the Phasenakkumulator and harmonics, ie harmonic vibrations of the fundamental frequency except the fundamental frequency of the output signal itself to be generated. It should be noted that a Harmonic is a vibration whose frequency is an integer multiple of the signal frequency. A harmonic above the fundamental frequency is also called harmonic or harmonic. The following technically accepted terms apply: The fundamental frequency of the signal frequency f is referred to as 1st harmonic, a vibration of twice the
Diese Mischprodukte weisen mitunter hohe Amplituden speziell bei sehr niedrigen Ordnungszahlen der Oberschwingungen auf. Diese Mischprodukte müssen bei hochpräzisen Signalgeneratoren aus dem Frequenzspektrum herausgefiltert werden. Das Herausfiltern ist bei einigen Konstellationen von gebildeten Mischprodukten erheblich aufwendig oder diese Mischprodukte können aufgrund ihres sehr geringen Bandabstands zur Signalfrequenz nicht ohne Beeinflussung des Ausgangssignals herausgefiltert werden. Derartige Mischprodukte verschlechtern demnach die Qualität des Signalgenerators. These mixed products sometimes have high amplitudes, especially at very low atomic numbers of the harmonics. These mixed products must be filtered out of the frequency spectrum with high-precision signal generators. The filtering is considerably complicated in some constellations of mixed products formed or these mixed products can not be filtered out without affecting the output signal due to their very small band gap to the signal frequency. Accordingly, such mixed products degrade the quality of the signal generator.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals bereitzustellen, welches in geringem Bandabstand zur Signalfrequenz des Ausgangssignals keine hochamplitudigen Mischprodukte aufweist. It is an object of the invention to provide a method for generating a signal which has no high-amplitude mixing products in a small band gap to the signal frequency of the output signal.
Die Aufgabe wird mit dem im Patentanspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst. Überdies wird die Aufgabe durch einen Signalgenerator gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben. The object is achieved by the method described in
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangssignals gelöst. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Erzeugen eines ersten Signals mittels eines ersten Direkt-Digital-Synthesizers; Erzeugen eines zweiten Signals mittels eines zweiten Direkt-Digital-Synthesizers, wobei das zweite Signal eine zum ersten Signal identische Signalfrequenz aufweist; und Kombinieren des ersten Signals mit dem zweiten Signal zum Erzeugen des Ausgangssignals. Im Folgenden wird Direkt-Digital-Synthesizer als DDS abgekürzt. In particular, the object is achieved by a method for generating an output signal. The method comprises the method steps: generating a first signal by means of a first direct digital synthesizer; Generating a second signal by means of a second direct digital synthesizer, the second signal having a signal frequency identical to the first signal; and combining the first signal with the second signal to produce the output signal. In the following, direct digital synthesizer is abbreviated as DDS.
Durch das Kombinieren von zumindest zwei DDS-Signalen gleicher Signalfrequenz können Mischprodukte, die aus dem Taktsignal und zumindest einer hochamplitudigen Oberschwingung niedrigerer Ordnung der Signalfrequenz gebildet sind, heraus gelöscht werden. Die Mischprodukte entstehen dabei sowohl im ersten DDS als auch im zweiten DDS und sind gegenphasig, also 180° phasenverschoben zueinander. Werden diese gegenphasigen Mischprodukte mittels des Kombinierers addiert, löschen sich diese heraus und sind nicht mehr im Frequenzspektrum enthalten. By combining at least two DDS signals of the same signal frequency, mixing products formed from the clock signal and at least one high-order lower-order harmonic of the signal frequency can be deleted. The mixed products arise both in the first DDS and in the second DDS and are in opposite phase, ie 180 ° out of phase with each other. If these antiphase mixed products are added by means of the combiner, they cancel out and are no longer included in the frequency spectrum.
Diese Mischprodukte weisen insbesondere einen sehr geringen Bandabstand zur Signalfrequenz auf. Unter Bandabstand wird der Abstand der Frequenzen von Mischprodukt und Signalfrequenz des jeweils ersten oder zweiten DDS verstanden. Als geringer Abstand wird beispielsweise ein Verhältnis von 1 zu 5, insbesondere ein Verhältnis 1 zu 10, aus Bandabstand zu Signalfrequenz verstanden. These mixed products have in particular a very small band gap to the signal frequency. Band spacing is the distance between the frequencies of the mixed product and the signal frequency of the first or second DDS. As a small distance, for example, a ratio of 1 to 5, in particular a ratio of 1 to 10, from band gap to signal frequency understood.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erste Signal eine zum zweiten Signal unterschiedliche Signalphase auf, wobei der Phasenunterschied gleich 180° geteilt durch die Ordnungszahl der Harmonischen der Signalfrequenz ungleich der ersten Harmonischen ist. Zum Herausfiltern der 3. Harmonischen bzw. 2. Oberschwingung beträgt der Phasenunterschied somit 60°. Somit werden Mischprodukte, mit signifikanten Amplituden von Oberschwingungen niederer Ordnung, die das Mischprodukt maßgeblich bilden aufgrund gegenphasiger Kombination herausgefiltert. In a preferred embodiment, the first signal has a signal phase different from the second signal, the phase difference being equal to 180 ° divided by the ordinal number of the harmonics of the signal frequency not equal to the first harmonic. To filter out the third harmonic or second harmonic, the phase difference is thus 60 °. Thus, mixing products, with significant amplitudes of low order harmonics that significantly shape the mixed product, are filtered out due to out-of-phase combination.
Erfindungsgemäß ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, weitere DDS-Signale zu erzeugen, um zusätzliche Mischprodukte aus dem Ausgangssignal herauszufiltern. According to the invention, it is furthermore preferably provided to generate further DDS signals in order to filter out additional mixed products from the output signal.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erzeugt ein erster Taktgenerator zur Ansteuerung eines ersten digitalen Analog-Wandlers des ersten Direkt-Digital-Synthesizers ein erstes Taktsignal, wohingegen ein zweiter Taktgenerator zur Ansteuerung eines zweiten digitalen Analog-Wandlers des zweiten Direkt-Digital-Synthesizers ein zweites Taktsignal erzeugt. In a preferred embodiment, a first clock generator for driving a first digital analog converter of the first direct digital synthesizer generates a first clock signal, whereas a second clock generator for driving a second digital analog converter of the second direct digital synthesizer generates a second clock signal ,
Im Wesentlichen hängt die Qualität des Ausgangssignals eines DDS vom zeitlichen Taktzittern, dem sogenannten Jitter, des Taktgenerators ab. Durch Verwenden des ersten Taktgenerators neben dem zweiten Taktgenerator wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Taktsignale unterschiedliche Jitter aufweisen, die sich statistisch unabhängig voneinander verhalten, wodurch unerwünschte Mischprodukte aufgrund des Jitters heraus gelöscht werden. Somit wird die Qualität des Ausgangssignals wesentlich erhöht. In essence, the quality of the output signal of a DDS depends on the timing of the clock, the so-called jitter, of the clock generator. By using the first clock generator in addition to the second clock generator, it is advantageously achieved that the clock signals have different jitter, which statistically behave independently of one another, whereby unwanted mixing products due to the jitter are deleted. Thus, the quality of the output signal is significantly increased.
Für die Erzeugung des ersten Signals und des zweiten Signals kann ein gemeinsamer Speicher für sowohl den ersten DDS als auch den zweiten DDS verwendet werden. Durch Verwenden eines gemeinsamen Speichers für beide DDS wird das Ausgangssignal auf eine kostengünstigere Weise bereit gestellt und Platzbedarf eingespart. For the generation of the first signal and the second signal, a shared memory may be used for both the first DDS and the second DDS. By using a shared memory for both DDS, the output signal is provided in a more cost effective manner and saves space.
In einer alternativen Ausgestaltung wird zum Erzeugen des ersten Signals ein erster Speicher verwendet, wohingegen für das Erzeugen des zweiten Signals ein zweiter Speicher verwendet wird. Auf diese Weise ist ein Ausgangssignal erzeugbar, welches sehr hohe Signalfrequenzen aufweisen kann, da ein paralleler Speicherzugriff möglich ist. In an alternative embodiment, a first memory is used to generate the first signal, whereas a second memory is used to generate the second signal. In this way, an output signal can be generated, which can have very high signal frequencies, since a parallel memory access is possible.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt vor dem Schritt des Kombinierens ein Schritt der Bandbreitenbegrenzung, insbesondere eine Tiefpassfilterung. Diese Tiefpassfilterung ist vorgesehen, um hochfrequente Signalanteile, die durch den Digital-Analog-Wandler entstehen, aus dem Frequenzspektrum des Ausgangssignals zu entfernen, um ein störungsfreies Ausgangssignal zu erhalten. Bevorzugt wird jeweils ein Tiefpassfilter pro DDS verwendet. Dadurch werden Beeinflussungen des zweiten DDS auf den ersten DDS vermieden. Alternativ weisen beide DDS ein gemeinsames Tiefpassfilter auf. In a preferred embodiment, before the step of combining, there is a step of limiting the bandwidth, in particular a low-pass filtering. This low-pass filtering is provided to remove high-frequency signal components, which are formed by the digital-to-analog converter, from the frequency spectrum of the output signal in order to obtain a trouble-free output signal. Preferably, one low-pass filter per DDS is used in each case. This avoids influencing the second DDS on the first DDS. Alternatively, both DDS have a common low-pass filter.
Im Erfindungsgedanken ist ebenfalls ein Signalgenerator vorgesehen, wobei der Signalgenerator einen ersten DDS zum Erzeugen eines ersten Signals aufweist. Weiterhin weist der Signalgenerator einen zweiten DDS zum Erzeugen eines zweiten Signals auf, wobei die Signalfrequenz des zweiten Signals zum ersten Signal identisch ist. Überdies weist der Signalgenerator einen Signalkombinierer zum Kombinieren des ersten Signals mit dem zweiten Signal zum Erzeugen des Ausgangssignals des Signalgenerators auf. The invention also provides a signal generator, wherein the signal generator has a first DDS for generating a first signal. Furthermore, the signal generator has a second DDS for generating a second signal, wherein the signal frequency of the second signal is identical to the first signal. Moreover, the signal generator has a signal combiner for combining the first signal with the second signal to generate the output signal of the signal generator.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnung Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren der Zeichnung lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen: Embodiments and advantages of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, wherein the figures of the drawing merely describe exemplary embodiments of the invention by way of example. Identical components in the figures are given the same reference numerals. Show it:
Insbesondere weisen das erste erzeugte Signal s1 und das zweite erzeugte Signal s2 eine identische Signalfrequenz f auf. Die Signalfrequenz f ist im ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise 100 MHz. Zur Erzeugung des ersten Signals s1 ist ein Phasenakkumulator
Der erste Taktgenerator
In gleicher Art und Weise ist der zweite DDS
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Signal s1 eine zum zweiten Signal s2 gleiche Signalfrequenz f aufweist. Bei der Erzeugung des ersten Signals s1 und des zweiten Signals s2 werden systembedingt auch Mischprodukte aus dem Signal s1 bzw. s2 bei der Signalfrequenz f, aus Oberschwingungen entsprechend von Ordnungszahlen n – 1 der Signalfrequenz f und dem Taktsignal t1 erzeugt. Derartige Mischprodukte sind unerwünscht und erfindungsgemäß zu unterdrücken. Da Mischprodukte
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, zwei DDS
Das Mischprodukt
Ein häufig auftretendes Mischprodukt ist die Differenz aus der Frequenz f des Taktsignals t1 und der 3. Harmonischen, also der Oberschwingung mit der Ordnungszahl 2. Wird ein Phasenunterschied φ von 60° voreingestellt, so können Mischprodukte der 3. Harmonischen herausgefiltert werden. Für genauere Betrachtungen wird auf die
Durch die Verwendung eines zweiten Taktgenerators
Um den Signalgenerator
In
Um den Signalgenerator
In
In
Überdies sind Mischprodukte
Erfindungsgemäß wird im ersten DDS-Signal s1 ein Mischprodukt
In
Die Übertragungsfunktion der Tiefpassfilter
Insbesondere kann der Tiefpassfilter
Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden. In the context of the invention, all described and / or drawn and / or claimed elements can be combined with each other as desired.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2013-12-09 DE DE102013225284.6A patent/DE102013225284A1/en not_active Withdrawn
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