«Цифровой стереофонический FM модулятор на прямом синтезаторе частоты (DDS)»
DDS синтезатор - это синтезатор в одной микросхеме. Отличие от обычной системы с ГУН и ФАПЧ состоит в том, что сигнал, формируемый DDS это синусоида, записанная в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и воспроизведённая оттуда с помощью "бортового" цифроаналогового преобразователя DDS. Частота DDS изменяется следующим образом. Рассмотрим это на примере. Допустим, имеем таблицу дискретных значений частоты 19 кГц. Для того, чтобы не меняя таблицы получить частоту в два раза больше - можно взять из неё каждый второй семпл. Получим таким образом частоту 38 кГц. Аналогично, управляя выборками меняет частоту и прямой синтезатор (DDS). Для этого в нём предусмотрен отдельный узел. Частота изменяется буквально мгновенно, что позволяет применять на DDS все известные виды модуляции, сочетая амплитудную, частотную и фазовую. Модуляция ЧМ и ФМ производится дискретно, с помощью соответствующего формирования управляющего слова, которое изменяет частоту и/или фазу. Таким образом, можно обойтись без аналогового представления сигнала, ввиду того, что изначально в наше время все источники программ - цифровые. Формирование управляющих последовательностей удобно производить с помощью цифрового сигнального процессора (DSP), в нём же производится необходимая предварительная обработка сигнала - фильтрация, кодирование стерео и другие функции. Ввиду выше сказанного, был разработан и внедрён цифровой стереофонический фм модулятор на прямом синтезаторе частоты с цифровой обработкой частоты. Устройство представляет собой блок FM модулятора, формирующий частотно-модулированные колебания УКВ (65-74 МГц и 87,5-108 МГц) диапазона. Предназначен для высококачественной трансляции аудио программ на небольшие расстояния – дома, на даче, в автомобилях, в отличие от подобных готовых устройств, продающихся в магазинах а так же самодельных и других аналоговых ЧМ (FM) модуляторов, обладает исключительно высоким качеством передачи звукового сигнала. Относительно простых FM стереомодуляторов на микросхемах BA1404 (радио № 3 2007г. стр. 18 ), BH1415 и им подобных данный модулятор формирует комплексный стерео сигнал с более чистым спектром, за счёт чего улучшается дальность приёма сигнала при одинаковой мощности. Формирование комплексного стерео сигнала данным FM стереомодулятором происходит согласно стандарта (ETS300 384 http://www.irational.org/sic/radio/384_e1.pdf ) по суммарно- разностному принципу, в отличие от подобных аналоговых формирователей, обеспечивает лучшую стабильность параметров. По сравнению с компьютерными программами – стереокодерами (http://www.diffusionsoftware.com/stereocoder.php, http://www.burnill.co.uk/) обеспечивает большее разделение каналов, за счёт более высокой частоты дискретизации (384 кГц) а так же значительно меньшую задержку аудио сигнала (несколько миллисекунд против единиц секунд у компьютерных программ). Принцип действия данного FM модулятора на DDS заключается в следующем. Сигнал, поступающий на вход проходит через цепь предыскажений постоянной времени 50 мкС, выполненной на ОУ DA1, оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем AD1871, по шине SPI поступает в цифровой сигнальный процессор tms320f2801pza, в котором производится цифровая фильтрация сигнала с частотой среза 15 кГц, передискретизация к частоте 384 кГц, для каждого полученного отсчёта подсчитывается значение комплексного стерео сигнала (в режиме стерео), на основе которого вычисляется слово настройки частоты (Frequency Tuning Word, FTW), определяющее значение частоты на данный момент, которое должно появиться на выходе синтезатора. По шине SPI полученные данные поступают в прямой синтезатор частоты DDS AD9859. Поскольку частота у прямого синтезатора (DDS) изменяется без скачков фазы, получаем частотную модуляцию сигнала. В режиме моно передискретизации сигнала не происходит, на основе каждого поступившего отсчёта (с частотой дискретизации 96 кГц) производится вычисление FTW. Сигналы обоих каналов в этом режиме просто суммируются, а так же фильтруются с частотой среза 15 кГц. Цифровой сигнальный микроконтроллер (терминология оригинально взята от производителя микроконтроллера - фирмы Texas Instruments) совместно с функциями обработки сигнала имеет так же встроенные функции управления режимами и параметрами устройства а так же к нему подключено оборудование для управления и отображения режимов устройства – жидкокристаллический индикатор и валкодер, микросхема внешней энергонезависимой памяти для сохранения настроек. Прошивка внутренней энергонезависимой памяти микроконтроллера программой обработки сигнала и управления производится по шине USB (дополнительного программатора не нужно), для этого собран узел преобразования на микросхеме FT232. Применение внешней микросхемы энергонезависимой памяти вызвано небольшим ресурсом циклов стирания-записи энергонезависимой памяти микроконтроллера (от 100 до 1000 циклов). На жидкокристаллическом индикаторе отображаются текущая рабочая частота, пиковый уровень девиации несущей частоты в килогерцах, а так же при входе в меню (происходит при нажатии на кнопку валкодера) – отображается режим, которым происходит управление и его значение. Через меню можно установить рабочую частоту и ражим работы «стерео» или «моно». Если после входа в меню был изменён какой либо из параметров, то при выходе из меню параметры будут записаны в энергонезависимую память. При подаче питания на устройство, микропроцессор считывает параметры из энергонезависимой памяти и далее использует их для работы. Питание устройства. Минимальное напряжение питания устройства – 7,2 вольт (можно использовать батарею из двух литиевых аккумуляторов). При достаточном радиаторе микросхемы DA1 можно повысить напряжение до 14 вольт (питать от бортовой сети автомобиля), можно так же питать от нестабилизированного выпрямителя 8-12 вольт. Функции, выполняемые устройством: 1. Частотные предыскажения входного (аудио) сигнала с постоянной времени 50 мкС. 2. Оцифровка входного (аудио) сигнала высококачественным АЦП с частотой дискретизации 96 кГц с цифровой антиалиазинговой фильтрацией сигнала. 3. Цифровая фильтрация сигнала фильтром с частотой среза 15 кГц. 4. Формирование (в случае использования данной функции) комплексного стереосигнала стандарта с пилот- тоном с частотой дискретизации 384 кГц. 5. Вывод сформированного сигнала в прямой синтезатор частоты. 6. Фильтрация выходного высокочастотного синала. 7. Управление частотой настройки и режимами «моно-стерео». 8. Индикация уровня девиации несущей частоты, в килогерцах 9. Сохранение настроек в энергонезависимой памяти и считывание их из неё при включении устройства. 10. Отображение состояния на жидкокристаллическом индикаторе. 11. Индикация выходной мощности передатчика и значения КСВ (с внешних датчиков, оцифровывается АЦП процессора). -Добавляются новые функции. Основные параметры: Напряжение питания…………………………………………………………..7-10 В* Диапазон частот образцового генератора……………65-74, 87,5…108 МГц Шаг перестройки несущей частоты………………………………………..30(50) кГц Диапазон частот стереокодера…………………………………………….20…15000 Гц Разделение стереоканалов, не менее………………………………………60 дБ Уровень поднесущей 38 кГц, не более................................-85 дБ Уровень нелинейных искажений аудио сигнала, не более……………….0,03% Номинальный уровень входного сигнала……………………………………250 мВ Максимальная девиация несущей частоты…………………………………±197 кГц Частотные предыскажения…………………………………………………….50 мкС Уровень побочных (внедиапазонных) ВЧ излучений, не более………….-40 дБ Звук, формируемый таким модулятором превосходит имеющиеся на данный момент аналоговые станции, мало отличим от оригинала, поступающего на него, с использованием хорошего тюнера можно получить качество, очень близкое к CD. Отсутствуют шумы, искажения, сохраняются пространственные эффекты, локализация. Схемы, платы и прочая документация будет выложена позже. На главную

«Цифровой стереофонический FM модулятор на прямом синтезаторе частоты (DDS)»

DDS синтезатор - это синтезатор в одной микросхеме. Отличие от обычной системы с ГУН и ФАПЧ состоит в том, что сигнал, формируемый DDS это синусоида, записанная в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и воспроизведённая оттуда с помощью "бортового" цифроаналогового преобразователя DDS. Частота DDS изменяется следующим образом. Рассмотрим это на примере. Допустим, имеем таблицу дискретных значений частоты 19 кГц. Для того, чтобы не меняя таблицы получить частоту в два раза больше - можно взять из неё каждый второй семпл. Получим таким образом частоту 38 кГц. Аналогично, управляя выборками меняет частоту и прямой синтезатор (DDS). Для этого в нём предусмотрен отдельный узел. Частота изменяется буквально мгновенно, что позволяет применять на DDS все известные виды модуляции, сочетая амплитудную, частотную и фазовую. Модуляция ЧМ и ФМ производится дискретно, с помощью соответствующего формирования управляющего слова, которое изменяет частоту и/или фазу. Таким образом, можно обойтись без аналогового представления сигнала, ввиду того, что изначально в наше время все источники программ - цифровые. Формирование управляющих последовательностей удобно производить с помощью цифрового сигнального процессора (DSP), в нём же производится необходимая предварительная обработка сигнала - фильтрация, кодирование стерео и другие функции. Ввиду выше сказанного, был разработан и внедрён цифровой стереофонический фм модулятор на прямом синтезаторе частоты с цифровой обработкой частоты.

Устройство представляет собой блок FM модулятора, формирующий частотно-модулированные колебания УКВ (65-74 МГц и 87,5-108 МГц) диапазона. Предназначен для высококачественной трансляции аудио программ на небольшие расстояния – дома, на даче, в автомобилях, в отличие от подобных готовых устройств, продающихся в магазинах а так же самодельных и других аналоговых ЧМ (FM) модуляторов, обладает исключительно высоким качеством передачи звукового сигнала. Относительно простых FM стереомодуляторов на микросхемах BA1404 (радио № 3 2007г. стр. 18 ), BH1415 и им подобных данный модулятор формирует комплексный стерео сигнал с более чистым спектром, за счёт чего улучшается дальность приёма сигнала при одинаковой мощности. Формирование комплексного стерео сигнала данным FM стереомодулятором происходит согласно стандарта (ETS300 384 http://www.irational.org/sic/radio/384_e1.pdf ) по суммарно- разностному принципу, в отличие от подобных аналоговых формирователей, обеспечивает лучшую стабильность параметров. По сравнению с компьютерными программами – стереокодерами (http://www.diffusionsoftware.com/stereocoder.php, http://www.burnill.co.uk/) обеспечивает большее разделение каналов, за счёт более высокой частоты дискретизации (384 кГц) а так же значительно меньшую задержку аудио сигнала (несколько миллисекунд против единиц секунд у компьютерных программ).

Принцип действия данного FM модулятора на DDS заключается в следующем. Сигнал, поступающий на вход проходит через цепь предыскажений постоянной времени 50 мкС, выполненной на ОУ DA1, оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем AD1871, по шине SPI поступает в цифровой сигнальный процессор tms320f2801pza, в котором производится цифровая фильтрация сигнала с частотой среза 15 кГц, передискретизация к частоте 384 кГц, для каждого полученного отсчёта подсчитывается значение комплексного стерео сигнала (в режиме стерео), на основе которого вычисляется слово настройки частоты (Frequency Tuning Word, FTW), определяющее значение частоты на данный момент, которое должно появиться на выходе синтезатора. По шине SPI полученные данные поступают в прямой синтезатор частоты DDS AD9859. Поскольку частота у прямого синтезатора (DDS) изменяется без скачков фазы, получаем частотную модуляцию сигнала. В режиме моно передискретизации сигнала не происходит, на основе каждого поступившего отсчёта (с частотой дискретизации 96 кГц) производится вычисление FTW. Сигналы обоих каналов в этом режиме просто суммируются, а так же фильтруются с частотой среза 15 кГц.
Цифровой сигнальный микроконтроллер (терминология оригинально взята от производителя микроконтроллера - фирмы Texas Instruments) совместно с функциями обработки сигнала имеет так же встроенные функции управления режимами и параметрами устройства а так же к нему подключено оборудование для управления и отображения режимов устройства – жидкокристаллический индикатор и валкодер, микросхема внешней энергонезависимой памяти для сохранения настроек. Прошивка внутренней энергонезависимой памяти микроконтроллера программой обработки сигнала и управления производится по шине USB (дополнительного программатора не нужно), для этого собран узел преобразования на микросхеме FT232. Применение внешней микросхемы энергонезависимой памяти вызвано небольшим ресурсом циклов стирания-записи энергонезависимой памяти микроконтроллера (от 100 до 1000 циклов).

На жидкокристаллическом индикаторе отображаются текущая рабочая частота, пиковый уровень девиации несущей частоты в килогерцах, а так же при входе в меню (происходит при нажатии на кнопку валкодера) – отображается режим, которым происходит управление и его значение. Через меню можно установить рабочую частоту и ражим работы «стерео» или «моно». Если после входа в меню был изменён какой либо из параметров, то при выходе из меню параметры будут записаны в энергонезависимую память. При подаче питания на устройство, микропроцессор считывает параметры из энергонезависимой памяти и далее использует их для работы.
Питание устройства. Минимальное напряжение питания устройства – 7,2 вольт (можно использовать батарею из двух литиевых аккумуляторов). При достаточном радиаторе микросхемы DA1 можно повысить напряжение до 14 вольт (питать от бортовой сети автомобиля), можно так же питать от нестабилизированного выпрямителя 8-12 вольт.

Функции, выполняемые устройством:
1. Частотные предыскажения входного (аудио) сигнала с постоянной времени 50 мкС.
2. Оцифровка входного (аудио) сигнала высококачественным АЦП с частотой дискретизации 96 кГц с цифровой антиалиазинговой фильтрацией сигнала.
3. Цифровая фильтрация сигнала фильтром с частотой среза 15 кГц.
4. Формирование (в случае использования данной функции) комплексного стереосигнала стандарта с пилот- тоном с частотой дискретизации 384 кГц.
5. Вывод сформированного сигнала в прямой синтезатор частоты.
6. Фильтрация выходного высокочастотного синала.
7. Управление частотой настройки и режимами «моно-стерео».
8. Индикация уровня девиации несущей частоты, в килогерцах
9. Сохранение настроек в энергонезависимой памяти и считывание их из неё при включении устройства.
10. Отображение состояния на жидкокристаллическом индикаторе.
11. Индикация выходной мощности передатчика и значения КСВ (с внешних датчиков, оцифровывается АЦП процессора).

-Добавляются новые функции.

Основные параметры:
Напряжение питания…………………………………………………………..7-10 В*
Диапазон частот образцового генератора……………65-74, 87,5…108 МГц
Шаг перестройки несущей частоты………………………………………..30(50) кГц
Диапазон частот стереокодера…………………………………………….20…15000 Гц
Разделение стереоканалов, не менее………………………………………60 дБ
Уровень поднесущей 38 кГц, не более................................-85 дБ
Уровень нелинейных искажений аудио сигнала, не более……………….0,03%
Номинальный уровень входного сигнала……………………………………250 мВ
Максимальная девиация несущей частоты…………………………………±197 кГц
Частотные предыскажения…………………………………………………….50 мкС
Уровень побочных (внедиапазонных) ВЧ излучений, не более………….-40 дБ

Звук, формируемый таким модулятором превосходит имеющиеся на данный момент аналоговые станции, мало отличим от оригинала, поступающего на него, с использованием хорошего тюнера можно получить качество, очень близкое к CD. Отсутствуют шумы, искажения, сохраняются пространственные эффекты, локализация.

Схемы, платы и прочая документация будет выложена позже.

На главную