Je možné generovat FM signál přímo digitálně? Co je to ta zkratka DDS?

Ano, FM signál lze generovat i přímo digitálně prostřednictvím principu DDS (Direct Digital Synthesis - přímá digitální syntéza). Žádný LC oscilátor, žádné varikapy, absolutně čistý signál, plně pod kontrolou softwaru. Dá se říci, že vyrábět dnes "velké" FM vysílače s čistě analogovým principem modulace je za hranicí racionality. Tím spíše, že s moderními součástkami a přístupy je DDS vysílač vlastně konstrukčně mnohem jednodušší. A to si hnedle ukážeme. Jen prosím, nepovažujte tento článek za stavební návod, ani za příslib, že kontrukce tohoto typu bude někdy uveřejněna.

Blokové schéma DDS vysílače

Vysílač je v podstatě poměrně jednoduchý. Jádrem je DDS obvod, který přímo generuje modulovaný FM signál. Pak je ještě nezbytné něco, čím DDS obvod budeme krmit - posílat hodnoty okamžité frekvence nosné v závislosti na vstupním modulačním signálu. Tuto funkci v našem případě zastává DSC (Digital Signal Controller - v podstatě nikterak výkonný DSP obvod, ovšem bohatě vybavený periferiemi, jako jsou A/D převodníky nebo komunikační rozhraní). DSC musí obsahovat vhodný program. A to je vše, proč dělat věci složitě, že?

Vstupní zvukový signál (nebo RDS či MPX) je přiveden do A/D převodníku. Hodnoty 12 bitů a 500 tisíc vzorků za sekundu jsou více než dostatečné, díky převzorkování je efektivní rozlišení asi 13 až 14 bitů, které zaručuje potlačení kvantizačního šumu kolem 80 dB (tedy potenciálně mnohem lepší výsledek než u vaší 16bitové zvukové karty v PC s typickým odstupem signál/šum pod 70 dB).

Navzorkovaný signál je digitálně filtrován přes dolní propust a posílán na sériovou sběrnici SPI, která je v uvedeném případě schopna přenést 250 tisíc vzorků za sekundu. Nejvyšší přenášený kmitočet v základním pásmu je u FM vysílání s RDS asi 60 kHz, tedy s velkou rezervou pod polovinou vzorkovací frekvence. I tak je pro kvalitní stereo poslech (vysokou separaci kanálů) dobré signál před odesíláním na sběrnici upravit digitálním filtrem typu "inverse sinc", který kompenzuje útlumové zkreslení A/D a D/A převodu a zajistí tak vyrovnaný přenos frekvencí v základním pásmu s přesností alespoň jedné desetiny dB.

Obvod DDS si ze sběrnice přebírá jednotlivé vzorky vyjádřené jako poměr mezi okamžitou frekvencí na výstupu a vzorkovací frekvencí DDS obvodu. Hodnota vzorku tedy roste lineárně s výstupní frekvencí, což je jedna z obrovských výhod DDS. Hodnota aktuálního vzorku je každou vzorkovací periodu DDS obvodu, tedy 500milionkrát za sekundu, přičítána k vnitřnímu fázovému akumulátoru. Pro lepší pochopení si jej představte jako jakýsi zásobník od 0 do 360 stupňů, do kterého opakovaně plníme (přičítáme) hodnotu ve stupních (vzorek). Vždy při dozažení hodnoty 360 stupňů je zásobník vynulován. A tak to jede stále dokola. Nepřipomíná vám to něco? Ano, kroužíme po jednotkové kružnici, vstupní vzorky říkají, jakou rychlostí. Aktuální hodnotu naplnění zásobníku stačí převést pomocí funkce sin nebo cos (realizované formou tabulky) na amplitudu, poslat na výstupní D/A převodník a máme přímo vf výstup! Jak prosté. Jen potřebná rychlost vnitřních obvodů je ten důvod, proč to ještě donedávna nebylo možné.

Princip generování výstupního signálu DDS (4bitový systém).

Výstup lze přímo naladit na přijímači. Pro účely zesílení a vysílání je ještě potřeba jej vyfiltrovat dolní propustí kvůli odstranění alias produktů kolem vzorkovací frekvence a jejích násobků.

Vlastnosti obvodu AD9911

Ke konstrukci DDS vysílače byl použit obvod AD9911 od Analog Devices. Jeho mezní vzorkovací frekvence je 500 MHz, rozlišení (amplitudy, nikoliv frekvence) výstupního D/A převodníku je 10 bitů a délka ladícího slova (tuning word) je 32 bitů. Generovanou výstupní frekvenci lze tedy při 500 MHz vzorkování určit s přesností 500'000'000 / 2³² = 0.12 Hz. Uvážíme-li, že zdvih FM vysílání je +/- 75 kHz, máme v těchto mezích k dispozici 625 tisíc kroků, což odpovídá rozlišení 19 až 20 bitů. Na FM rozhlas více než dost.

AD9911 je schopen na sběrnici pojmout až 20 milionů vzorků za sekundu, pokud jsou použity 4 datové vodiče. Takto vysoké hodnoty lze využít k přenosu s rozprostřeným spektrem nebo ke zlepšení spektrální čistoty okolo nosné modulovaného signálu. V daném případě si to pro začátek trochu zjednodušíme, plnou rychlost využijeme jen malým zlomkem, zejména kvůli omezení na straně DSC a užití pouze jednoho datového vodiče.

Maximální vf výkon, který je obvod schopen generovat, činí přibližně 1 mW (do zátěže 50 ohmů). Obvod umožňuje programově ovládat výstupní úroveň a má ještě některé další funkce, které ovšem pro náš případ nejsou v tuto chvíli důležité. Zmínit můžeme alespoň funkci "linear sweep", která při vhodném řízení umožňuje lineární změnu frekvence např. mezi dvěma ladicími slovy, což znamená, že frekvence se nebude měnit skokem. Můžeme tak dosáhnout lepší spektrální čistoty kolem nosné.

Výstupní spektrum AD9911 při vysílací frekvenci 100.3 MHz a vzorkovací frekvenci 500 MHz (zdroj: Analog Devices).

Experimentální DDS vysílač

Experimentální DDS vysílač byl zhotoven na univerzálních deskách plošných spojů. Kromě integrovaných obvodů DSC a DDS už neobsahuje nic dalšího, co by stálo za pozornost. Použité součástky jsou tyto: AD9911 (Farnell, 700 Kč), dsPIC33F (150 Kč), univerzální desky plošných spojů (hlavně ta mrcha na AD9911 byla pěkně předražená), krystal 25 MHz, stabilizátory, nějaké odpory a kondenzátory.

Experimentální DDS vysílač z jedné strany...

...a z opačné strany.

Obvod DDS osazený na univerzální desce plošných spojů. Většina vývodů z 56pinového pouzdra LFCSP_VQ je připojena na napájení nebo zem. Vzhledem k tomu, že univerzální deska plošných spojů nemá vlastnosti požadované výrobcem obvodu (zejména pokud jde o topologii rozvodu napájení a země), byla pro začátek vzorkovací frekvence programově snížena z 500 MHz na 250 MHz.

DSC obvod osazený na univerzální desce plošných spojů. Většina vývodů ze 64pinového pouzdra TQFP je nezapojena. Pracovní frekvence DSC je 80 MHz (odpovídá 40 MIPS). Ač se z tohoto DSC dá při troše snahy (tedy žádné C) vyždímat celkem dost, z hlediska výpočetního výkonu jde spíše o takové rozumně fungující minimum, daleko více by tomu slušelo nějaké programovatelné hradlové pole, což ale přináší spoustu jiných komplikací. A to nechceme.

Jak to šlape...

První, co asi bude každého zajímat, je kvalita zvuku. Ano, skutečně je to poznat. Zejména jistota a pevnost na bicích a basech je oproti analogovému řešení ihned patrná. Proč to tak je? Protože analogový FM vysílač s přímou modulací nosné má jeden zásadní a neodstranitelný zádrhel: PLL fázový závěs a jeho vlastnosti. PLL udržuje nosnou frekvenci vysílače, zatímco FM modulace ji v rytmu zvukového signálu mírně mění. Tento ostrý souboj vede k problémům, které se projevují nestabilitou a zkreslením na nízkých frekvencích a pod akustickým pásmem, kde zase pro změnu vadí zákmity způsobující překračování povoleného zdvihu. Opatření k omezení těchto vlivů jsou obvodově mnohem složitější než celý DDS vysílač a jsou vždy kompromisní.

Dalším kvalitativním přínosem je čistota signálu, prostého jakéhokoliv praskání, brumu, šelestu a zkreslení. Přitom součástky stačilo naprasit na univerzální desky, takový přístup by u klasické stavby FM vysílače znamenal jeho nefunkčnost, příp. bychom na přijímači naladili nějaký humus. Design vysílače má v případě DDS jen pramalý vliv na kvalitu zvuku, odpadá zdlouhavé experimentování s kdejakou součástkou a s nastavováním. A výsledek je přesto lepší. FM modulace ve smyslu závislosti frekvence na napětí je zcela lineární a konstantní a to na libovolné nosné frekvenci. To je u analogového řešení nesplnitelné.

Uvedené zařízení odebírá proud kolem 150 mA. To se může zdát celkem hodně, vždyť klasický oscilátor i s PLL si při použití moderních součástek vezme jen pár mA. Nesmíme ale zapomenout na dvě zásadní věci. Tou první je, že u vysílačů s výkonem jednotky Wattů a výše se takový rozdíl ztratí. Tou druhou věcí je, že stále tu máme spoustu volné paměti v DSC. Je libo integrovaný stereo kodér? No jistě, beze všeho! Je libo kompresor dynamiky? Diagnostické nástroje? Vzdálené ovládání? Digitální vstup? Stačí říct! (Tedy spíš zasednout ke klávesnici a s lahví piva po nocích dřít na vnitřním softwaru :o)) S trochou nadsázky lze říci, že pouhou změnou programu lze z FM vysílače udělat CBčko, rušičku, vysílač pro přenos obrazu a jiných dat, ovladač modelů letadel, a tak dále.

Mezi nevýhody DDS patří zejména vysoká cena součástek, jejich pidirozměry a dostupnost. Je potřeba odpovídající vybavení (programátor, pájecí stanice, čítač, osciloskop, nějaký bazmek typu skener či spektrální analyzátor). Kvalita celého zařízení je závislá hlavně na vnitřním softwaru, znalostech programování a principů digitálního zpracování signálů. Na běžné domácí bastlení taková věc zkrátka není. Jako pohled do světa moderní radioelektroniky to ale patrně stačí.

(C) 2011 Pira.cz