NCO

Ein numerisch gesteuerter Oszillator ist ein digitaler Schaltungsblock, der eine sinusförmige oder andere periodische Wellenform mit einer Frequenz erzeugt, die durch einen numerischen Eingabewert bestimmt wird, üblicherweise gespeichert in einem Register. Anstatt einen Analogoszillator durch Anpassung eines Kondensators oder einer Induktivität abzustimmen, ändert man ein digitales Wort. Der NCO erzeugt Abtastwerte der gewünschten Wellenform und gibt sie aus, normalerweise an einen Digital-Analog-Umsetzer, oder speist sie direkt in nachgelagerte digitale Verarbeitungsstufen ein.

Das Herzstück eines NCO ist ein Phase-Akkumulator: ein Zähler, der sich bei jedem Taktzyklus um ein Abstimmwort erhöht. Wenn der Akkumulator überläuft, wird sein Ausgang zurückgesetzt und erzeugt eine Sägezahnkurve von 0 bis 2π im Phasenbereich. Eine Nachschlagetabelle oder eine trigonometrische Näherung wandelt diesen Phasenwert dann in die tatsächliche Wellenformabtastung um. Die Frequenzauflösung hängt von der Wortbreite des Abstimmwortes und der Master-Taktrate ab. Ein 32-Bit-Abstimmwort und ein 100-MHz-Takt liefern beispielsweise Frequenzschritte im Millihertz-Bereich.

NCOs treten in Direct-Digital-Synthesis-Chips (DDS), Software-Defined-Radio-Implementierungen, Funktionsgeneratoren, Signal-Verarbeitungspipelines und Phasenregelschleifen auf. Da der Phase-Akkumulator deterministisch und phasenkontinuierlich ist, sperren NCOs sofort ohne Einschwingzeit und erzeugen Phasenrauschen nur auf Ebenen, die durch Quantisierung und Taktverzitterung bestimmt werden, nicht durch Bauteiletoleranzen. Sie können die Frequenz linear durchfahren oder einem beliebigen Profil folgen, das in der Abstimmwort-Eingabe codiert ist.

Die Haupteinschränkung ist die Ausgangsbandbreite: Das Nyquist-Theorem begrenzt die maximale Ausgangsfrequenz auf die Hälfte der Taktrate. Praktische Entwürfe müssen auch das Phasenkürzungsrauschen bewältigen, das durch die Reduzierung der vollständigen Akkumulatorbreite auf einen kleineren Index in die Nachschlagetabelle entsteht. Die Wahl der Tabellentiefe und der Ordnung der Polynomapproximation bestimmt einen Kompromiss zwischen Speicher und Berechnung einerseits und Spuriösen und Rauschboden andererseits.

NCOs haben Analog-VCOs in vielen Anwendungen verdrängt, weil sie Frequenzagilität, Wiederholbarkeit und Miniaturisierung bieten. In der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik werden sie häufig mit Misch- und Filterstufen gekoppelt, um den Basis-NCO-Ausgang in höhere Frequenzen zu übersetzen. Ihr deterministisches Verhalten macht sie ideal für kohärente Demodulation, Signalerzeugung in Testgeräten und jede Anwendung, bei der Phasenkontinuität wichtig ist.