Direct Digital Frequency Synthesizers with Broadband Noise Shaping Filters

In de wereld van de elektronica voelt het creëren van een precies geluid of een radiosignaal vaak als het proberen te tekenen van een perfecte cirkel met slechts een handvol rechte lijnen. Ingenieurs gebruiken apparaten die directe digitale frequentiesynthesizers worden genoemd om deze signalen te genereren, die de hartslag vormen van moderne communicatie, radar en medische beeldvorming. Deze machines werken door een signaal op te bouwen vanuit een digitale blauwdruk, waarbij een enorme lijst met getallen wordt opgeslagen die de vorm van een golf voorstellen, om ze vervolgens in snelle opeenvolging uit te lezen. Het probleem is dat om het signaal puur en vrij van ongewenste statische ruis te laten klinken, de lijst met getallen ongelooflijk lang en gedetailleerd moet zijn. Als de lijst te kort is, of als de getallen te veel worden afgerond om ruimte te besparen, raakt het resulterende signaal vervuild met digitale artefacten, vergelijkbaar met een foto met een lage resolutie die blokkerig en wazig oogt. Decennialang was de oplossing simpelweg het groter maken van de geheugenchips en het krachtiger maken van de rekenkracht, maar deze aanpak vereist dure hardware en verbruikt aanzienlijke hoeveelheden energie.

Een team onderzoekers aan de University of Applied Sciences Upper Austria heeft een manier gevonden om deze afruil te omzeilen. In plaats van de machine te dwingen elk detail van de golf op te slaan, hebben zij een slim filtersysteem geïntroduceerd dat de ruis hervormt. Stel je het signaal voor als een waterstroom; wanneer je deze door een nauwe pijp dwingt, bouwt de druk op en ontstaan er spatten. In digitale termen is dit "gespat" de ruis die de helderheid van het signaal verpest. De onderzoekers hebben een systeem ontworpen dat deze ruis neemt en deze opzij duwt, door de ruis naar frequenties te verplaatsen waar het er niet toe doet, in plaats van te proberen het volledig te elimineren. Door deze techniek te gebruiken, waren zij in staat om de geheugenvereisten voor het apparaat met een factor acht tot zestien te verkleinen zonder de kwaliteit van het signaal te verliezen. Dit betekent dat een apparaat dat voorheen een enorme, dure geheugenchip nodig had, nu kan werken met een veel kleinere, goedkopere chip, terwijl het nog steeds een bijna perfect signaal produceert.

De kern van hun innovatie ligt in de manier waarop zij de twee hoofdonderdelen van het signaalgeneratieproces aanpakken: de timing en het volume. In een standaard systeem wordt de timing bepaald door een teller die door de lijst met getallen stapt, en het volume wordt bepaald door hoe die getallen worden omgezet in een analoge golf. Beide stappen vereisen gewoonlijk een hoge precisie om fouten te voorkomen. De onderzoekers plaatsten speciale filters vóór en na deze stappen. Deze filters werken als een zeef die de fouten opvangt terwijl ze gebeuren en ze naar een ander deel van het spectrum duwt. Omdat de filters "breedbandig" zijn ontworpen, werken ze efficiënt over een breed scala aan frequenties, in tegen tegenstelling tot oudere methoden die alleen goed werkten als het signaal met een extreem hoge snelheid werd gesampled. Deze efficiëntie maakt het mogelijk om minder bits aan data te gebruiken om het signaal te representeren, wat de grootte van de lookup-tabel die nodig is om de golfvormen op te slaan drastisch vermindert.

Om hun idee te testen, bouwde het team een virtueel model van hun systeem met behulp van een taal die beschrijft hoe elektronische circuits zich gedragen. Ze kozen een specifiek type signaal dat bekend staat als een lineaire chirp, een toon die vloeiend van een lage naar een hoge toon zwiept, vergelijkbaar met het geluid van een vleermuisroep of een radarpuls. Ze draaiden simulaties om te zien hoe het signaal eruitzag wanneer ze de precisie van de data verminderden van zestien bits naar acht bits. Zonder hun nieuwe filters werd het signaal ruizig en vervormd, met een kwaliteitsverlies van ongeveer twaalf decibel. Echter, wanneer ze de noise-shaping filters inschakelden, bleef de kwaliteit opmerkelijk hoog. De filters slaagden erin de digitale ruis uit het hoorbare bereik te duwen, waardoor het hoofd signaal schoon bleef.

De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer zij de noise-shaping techniek toepasten op het timinggedeelte van het systeem, verbeterde de kwaliteit van het signaal met ongeveer twaalf decibel vergeleken met de ongefilterde versie. Wanneer zij het toepasten op het volumegedeelte, was de verbetering nog dramatischer, reikend tot ongeveer zesentwintig en een halve decibel. In de meest veeleisende test, waarbij zij de precisie van zowel de timing als het volume gelijktijdig verminderden, produceerde het systeem nog steeds een signaal dat bijna even helder was als de originele, hoog-precieze versie. De onderzoekers bereikten dit terwijl zij filters gebruikten die geen complexe vermenigvuldigingsbewerkingen vereisen, die traag en energieverslindend zijn. In plaats daarvan gebruiken de filters een specifiek wiskundig formaat dat ervoor zorgt dat ze met hoge snelheden kunnen draaien met minimale hardwareruimte.

Dit werk suggereert dat de oude regel — dat je een enorme hoeveelheid geheugen moet hebben om een perfect signaal te krijgen — doorbroken kan worden. Door intelligent te beheren waar de fouten terechtkomen, kunnen ingenieurs synthesizers bouwen die kleiner, sneller en energie-efficiënter zijn. Het team heeft hun ontwerp beschikbaar gesteld zodat anderen het kunnen testen en heeft aangetoond dat het effectief werkt in een gesimuleerde omgeving. Hoewel de resultaten momenteel gebaseerd zijn op computermodellen in plaats van een fysieke chip, wijzen de gegevens erop dat deze aanpak kan leiden tot een nieuwe generatie communicatieapparaten die zowel krachtig als compact zijn. De onderzoekers zijn van plan hun methode in de toekomst te vergelijken met andere bestaande ontwerpen, maar voor nu hebben zij een duidelijke weg opgezeigt naar het toegankelijk maken van hoogwaardige signaalgeneratie met aanzienlijk minder middelen.