Zufälligkeit
Verschiedene Zufälligkeitsschemas können in Betracht gezogen werden; ein Schieberegister mit linearer Rückkopplung (LFSR) ist die geeignetste digitale Implementierung (Bild 2). Das LFSR ist ein synchroner Schaltkreis auf Basis seriell geschalteter Flip-Flops (D-Typ), was einem Schieberegister entspricht. Dieses weist eine Länge von ‚m‘ Bits auf und wird durch ein periodisches Taktsignal angesteuert, das eine pseudo-zufällige Bitfolge erzeugt. Die Rückkopplung an den Registereingang wird durch eine XOR-Funktion des Ausgangs an einem oder mehreren Abgriffpunkten erzeugt, den m-ten bzw. n-ten Bits. Das Register durchläuft eine Reihe deterministischer Zustände und wiederholt die Sequenz alle ‚K‘ Zyklen. Die maximale Anzahl von Zyklen wird als Maximallänge bezeichnet: (1). Der ‚-1′-Wert wird eingeführt, da ein Nullzustand aller Register zu einer Null bei der Rückkopplung an den Eingang führen würde. Dies führt letztlich zu einem Register Lock-up, indem ein unbefristeter Nullzustand erlaubt wird. Ziel ist es, für ein Register mit bestimmter Länge den Maximalzustand zu bestimmen. Dies ist der Abgriffpunkt für die XOR-Rückkopplung, der sicherstellt, dass ein Nullzustand aller Register nicht auftritt. Die Abgriffsequenz für maximale Länge ist eine Polynom-mod2-Funktion: (2). Das LFSR erzeugt daher keine zufällige Sequenz, sondern eine pseudo-zufällige Sequenz. Dabei handelt es sich um eine Sequenz, die sich am Ende des Zyklus selbst wiederholt. Die Sequenzlänge kann jedoch so verändert werden, dass seine Wiederholrate oder Frequenz niedrig ist und so für praktische Zwecke als statistisch zufällig betrachtet werden kann. Die Länge des LFSR (m) ist ein wichtiger Parameter bei der Reglung der Modulationsfrequenz und anderer wichtiger Regelparameter. Die Modulationsfrequenz oder die Registerfrequenz muss so eingestellt sein, um hörbare Frequenzen zu vermeiden. Der Hörbereich des Menschen liegt zwischen 20Hz und 20kHz. Verschiedene Registerlängen erfordern verschiedene Abgriffpunkte: die m-ten und n-ten Werte mit XOR-Verknüpfung. Für die meisten m-Werte ist ein einziger Abgriffpunkt ’n‘ erforderlich. Für einige m-Werte sind jedoch mehrere Abgriffpunkte erforderlich. Während sich zusätzliche XOR-Operanden in das Design einfügen lassen, kann der Schaltkreis vereinfacht werden, indem m-Werte vermieden werden, die mehr als einen einzigen Abgriffpunkt erfordern. Die LFSR-Zyklussequenz ist deterministisch. Die Register sollten daher in einem bekannten Zustand gestartet werden, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten. Über einen Reset werden die Register gesetzt, um zu garantieren, dass ein bekannter Zustand initialisiert wurde und kein Register Lock-up auftritt.
Decoder
Der Decoder leitet das LFSR-Wort an das Modulator-Wort weiter und übersetzt das LFSR-Ergebnis in eine bestimmte Periode. Er kann als asynchroner Block erstellt werden, mit der Absicht, dass der Dekodierprozess in einem Zeitraum stattfinden soll, der kürzer als die LSFR-Taktperiode ist. Damit wird die statistische Zufälligkeit nicht beeinträchtigt. Das implementierte Design tastet die ersten vier Bits des LFSR ab. Diese werden dann auf maximal 16 mögliche Frequenzergebnisse dekodiert.
Modulator
Das FPGA kann eine gesamte digitale Schnittstelle implementieren und ein Rechtecksignal erzeugen. In der Praxis schränkt dies die Schnittstelle allein auf die Ansteuerung des SMPS-SYNC-Pins ein. Das LFSR sendet ein paralleles Ausgangssignal an den Decoder, der die LFSR-Zahl in eine Zahl dekodiert, die einer Periode entspricht. Der Modulator übersetzt diese Periode und erzeugt daraus das Ausgangssignal. Er ist ein synchroner Schaltkreis, der also Daten vom Decoder empfängt und diese als feste Periode übersetzt. Damit wird das Ausgangssignal entsprechend gesteuert. Der Ausgang ist damit ein Rechtecksignal mit einem festen Tastgrad von 50%. Es kommt also auf ein Design an, das einen Schaltnetzteil-IC auf geeignete Weise für Automotive-Cockpit-Funktionen steuert. Dabei muss jeder EMV-Einfluss des Designs auf benachbarte Systeme verringert werden, vor allem auf den hochempfindlichen Radioempfänger. Die Betriebsfrequenz des Designs und damit auch die geregelte Schaltfrequenz des Netzteil-ICs sind wichtige Überlegungen. Die meisten Autofahrer hören Analogradio im UKW-Frequenzband. Der höhere Signal-Rauschabstand bei UKW bedeutet, dass UKW-Störungen weniger problematisch sind als MW-Störungen. Das Vermeiden von Grundfrequenzen oder Oberschwingungen, die ein eingestelltes Frequenzband stören, ist daher entscheidend, wenn das Design Störungen beim Radioempfang minimieren soll. Während Oberschwingungen im Rundfunkband nur schwer zu vermeiden sind, kann eine Nennfrequenz gewählt werden, die Störungen minimiert. Eine höhere Schaltfrequenz sorgt für eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass in einem Rundfunkband Störungen durch Oberschwingungen auftreten.
