Structural circuitry of digital synthesizers of frequencies with point-to-point modulation and compensation of noice

О.В. Четкин,

ФГУ ЦИТО УФСИН России по Воронежской области

Е.А. Печенин,

кандидат технических наук

П. А. Попов,

доктор технических наук, профессор

СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ТАНДЕМНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ С ДВУХТОЧЕЧНОЙ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ И КОМПЕНСАЦИЕЙ ПОМЕХ

STRUCTURAL CIRCUITRY OF DIGITAL SYNTHESIZERS OF FREQUENCIES WITH POINT-TO-POINT MODULATION AND COMPENSATION OF NOICE

Рассматривается метод компенсации искажений в частотно-модулированных цифровых синтезаторах с помощью которого возможно эффективное осуществление неискаженной модуляции сигнала на выходе синтезатора

The article deals with the method of distortions compensation in digital synthesizers of frequencies with help of which the effective realization of undistorted signal modulation at synthesizer’s output is possible are considered

Вопросам анализа и проектирования однокольцевых частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот (ЧМЦСЧ) посвящено большое количество публикаций. Достаточно сослаться на монографии [1,2], многочисленные научные статьи и материалы научных конференций, свидетельства и патенты, а также на защищенные диссертации. Во всех этих работах затрагиваются те или иные отдельные аспекты построения однокольцевых ЧМЦСЧ на основе кольца ИФАПЧ.

Анализируя указанные выше работы, можно констатировать, что наилучшие результаты, с точки зрения получения равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ), имеют однокольцевые синтезаторы с двухточечной угловой модуляцией методом ЧМ12, который предполагает модуляцию управляемого генератора (УГ) и одновременно косвенную модуляцию опорного колебания.

В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть вопрос об использовании двухточечной угловой модуляции методом ЧМ12 и в двухкольцевых, т.е. тандемных ЦСЧ, которые обладают преимуществом перед однокольцевыми синтезаторами по быстродействию и уровню ПЧМ.

Для того чтобы определить, в каком кольце ИФАПЧ следует осуществлять двухточечную угловую модуляцию, обратимся к рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема тандемного ЦСЧ

На этом рисунке приняты следующие обозначения: f1 — частота колебания на выходе ИФАПЧ1; f2 — частота колебания на выходе ИФАПЧ2; R1, R2 — постоянные коэффициенты деления ДФКД1 и ДФКД2; N1 — постоянный коэффициент деления ДПКД1; N2 — переменный средний дробный коэффициент деления ДДПКД2.

Кольцо ИФАПЧ1 синтезирует сигнал с фиксированной частотой f1, который является опорным для кольца ИФАПЧ2, при этомf1>fo. Корректирующий фильтр ФНЧ1 выбирается таким образом, чтобы спектр сигнала УГ1 определялся спектром сигнала ОГ до частоты срезаfcx кольца ИФАПЧ1 и спектром сигнала УГ1 за частотой срезаfcx кольца ИФАПЧ1. Это позволяет получить высокое качество синтезированного колебания УГ1 с частотойf]_, поскольку сигнал УГ1 имеет меньший уровень фазовых шумов, чем сигнал ОГ при отстройках от несущей частоты на десятки и сотни килогерц. Следовательно спектральная характеристика выходного синтезированного колебания ИФАПЧ2 с частотами f в областях, в которых шумы ОГ больше шумов УГ1, значительно улучшается.

В связи с тем что f1>f0, можно повысить частоту сравнения fСР2 кольца ИФАПЧ2, что позволяет снизить общий уровень фазовых шумов выходного сигнала тандемного ЦСЧ за счет снижения коэффициента умножения шумов в кольце ИФАПЧ2 при высоком быстродействии тандемного ЦСЧ.

В целом можно сделать вывод, что тандемный ЦСЧ позволяет реализовать широкий диапазон синтезируемых частот f2 в ОВЧ и УВЧ диапазонах, широкий диапазон шага сетки fin от нескольких килогерц до десятка мегагерц при высоком быстродействии и низком уровне шумов.

С одной стороны, кольцо ИФАПЧ1 синтезирует фиксированную частоту /1, с другой — при использовании ДДПКД2 кольцо ИФАПЧ2 является широкополосным. Таким образом, очевидно, что двухточечную модуляцию необходимо осуществлять в кольце ИФАПЧ1, потому что в этом случае сигнал с фиксированной частотой /1 на выходе кольца ИФАПЧ1 будет являться опорным ЧМ сигналом для кольца ИФАПЧ2 и это кольцо будет работать с частотно- модулированным опорным колебанием. Следовательно, режим частотной модуляции кольца ИФАПЧ2 необходимо рассматривать как косвенную модуляцию в опорном канале, которая в литературе получила название модуляции методом ЧМ2.

Варианты структурных схем тандемных синтезаторов, в которых модуляция осуществляется методом ЧМ12 в кольце ИФАПЧ1 и методом ЧМ2 в кольце ИФАПЧ2, изображены на рис. 2 и 3. На этих рисунках приняты следующие обозначения: УОГ — управляемый по частоте ОГ; АТ — аттенюатор; РУ — регулируемый усилитель; ИНТ — интегратор; ИФМ — импульсно- фазовый модулятор; ДЧ — предварительный делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления Я ; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Индексы 1 соответствуют принадлежности узлов к кольцу ИФАПЧ1, а индексы 2 — к кольцу ИФАПЧ2. Следует отметить, что назначение перечисленных узлов тандемных синтезаторов такое же, как в однокольцевых ЧМЦСЧ, рассмотренных в приведенных литературных источниках. Подчеркнем, что в схеме, изображенной на рис. 3, ДЧ служит для того, чтобы обеспечить линейный режим модуляции ИФМ. В общем случае, в зависимости от соотношений выходных частот УГ1 и ОГ, он может отсутствовать. Кроме того, необходимо констатировать, что в качестве ДЧ может быть использован ДФКД микросхемы ЦСЧ, так как у нее имеется отдельный вывод ДФКД.

Как следует из рис. 2 и 3, тандемные ЧМЦСЧ представлены как устройства, преобразующие мгновенное значение полезного модулирующего сигнала им(V) в полезное мгновенное отклонение частоты Л/2(/) выходного сигнала кольца ИФАПЧ2, т.е. выходного сигнала тандемного ЧМЦСЧ.

Изображенные ЧМ синтезаторы с двухточечной угловой модуляцией могут рассматриваться как неавтономные системы, т.е. могут быть подвержены ПЧМ, например, за счет помеховых напряжений, попадающих на модулирующие входы УОГ — и П х(/) и ИФМ — иП2 (О с частотами, лежащими в полосе частот полезного модулирующего сигнала.

Кроме того, в этих синтезаторах имеются помеховые напряжения и ПЗ (V) на выходе

ИЧФД1 с частотами, кратными частоте сравнения ИЧФД1 и и П 4(/) на выходе ИЧФД2 с

частотами, кратными шагу сетки всего синтезатора. Эти напряжения, пройдя через петлевые ФНЧ в цепях управления, производят ПЧМ УГ1 и УГ2 по их управляющим входам.

Необходимо отметить, что при узкополосной полезной частотной модуляции, а также при узкополосной ПЧМ дальнейший анализ режима двухточечной угловой модуляции в тандемных синтезаторах частот, а также анализ реакций синтезаторов на помеховые сигналы можно проводить отдельно с использованием принципа наложения (суперпозиции).

ИМС

У1

ИНВ1 4-г

ИНТ2

ФВЧ

ФНЧ1

КЛ

УОГ 4

ИС 4

ИФМ

}[

ДФКД1

АТ1 4

ЧФД1

.1 ДПКД1

Микро-

схема

ДФКД

Микросхема ЦСЧ1

ИНВ 2

У 2

ФМ

УГ1 4

БУЧ

)

ДФКД2

ИЧФД 2

Микросхема ЦСЧ2

ЦАП

ДДПКД2

РУ

А/2 {г)

УГ 2

-> ФНЧ 2

Рис. 2. Структурная схема тандемного синтезатора частот с частотной модуляцией управляемого и опорного генераторов и дополнительными цепями авторегулирования

фазы для компенсации помех

ИМС

У1

ИНВ 1

* ИНТ2  ФВЧ

ФНЧ 1

КЛ

ОГ

ИС

С

ДЧ > ИФМ

Микро-

схема

ДФКД

ИНТ1

Г ДФКД1

АТ 2

ЧФД1

ДПКД1

Микросхема ЦСЧ1

ИНВ 2

1^1

У 2

ФМ

УГ 1

РУ

БУЧ

АЛЬ)

ДФКД 2

ИЧФД 2

Микросхема ЦСЧ2

ЦАП

А/2 {

ДДПКД2

УГ 2

ФНЧ 2

Рис. 3. Структурная схема тандемного синтезатора частот с частотной модуляцией управляемого генератора, косвенной модуляцией в опорном канале и дополнительными цепями авторегулирования фазы для компенсации помех

Как показывают исследования, разрешение противоречий высокого быстродействия ЧМЦСЧ и малого уровня ПЧМ можно осуществить с помощью принципа автокомпенсации возмущений, предложенного в [3] и описанного применительно к системам фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в [4], где описаны две основные разновидности системы ФАПЧ с дополнительным цепями авторегулирования фазы. Первая из них заключается в том, что система ФАПЧ дополняется фазовым модулятором, включенным в опорном канале перед фазовым детектором, а вторая предполагает использование дополнительной цепи автокомпенсации возмущений.

и

Вначале определим, в каких узлах тандемных синтезаторов частот с двухточечной угловой модуляцией необходимо и целесообразно использовать описанные в [4] дополнительные цепи авторегулирования фазы.

Очевидно, что цепь авторегулирования фазы с регулировкой по отклонению может быть использована только в кольце ИФАПЧ1, так как ее использование в кольце ИФАПЧ2 приведет к уменьшению девиации частоты сигнала на выходе УГ2, т.е. на выходе тандемного синтезатора. Это произойдет потому, что в широкополосном кольце ИФАПЧ2 используется частотная модуляция опорного сигнала методом ЧМ2 и дополнительная цепь авторегулирования фазы воспримет полезную частотную модуляцию

сигнала с частотой •/ на выходе кольца ИФАПЧ1 как ПЧМ. Что касается цепи авторегулирования фазы с регулировкой по возмущению, то ее можно использовать и в первом, и во втором кольце ИФАПЧ.

Однако использование ее в кольце ИФАПЧ2 нецелесообразно. Во-первых, выходная несущая частота тандемного синтезатора может изменяться в широком частотном диапазоне, и в этом случае достаточно проблематичным является использование ФМ в диапазоне частот с постоянными характеристиками управления. Во-вторых, ее использование в кольце ИФАПЧ2 возможно только, если нижняя частота помехи дробности больше верхней модулирующей частоты. В-третьих, как показали исследования, для ослабления помех дробности в настоящее время успешно используется ДДПКД с ДСМ.

Что касается ИФАПЧ1, то в этом кольце дополнительную цепь авторегулирования фазы с регулировкой по возмущению для ослабления ПЧМ с частотами, кратными

/

частоте сравнения ИЧФД первого кольца ИФАПЧ •>СР1^ использовать целесообразно и эффективно, так как выходная несущая частота этого кольца постоянна и в этом случае достаточно просто выполнить ФМ, работающий на фиксированной частоте.

Таким образом, на рис. 2 изображена структурная схема тандемного синтезатора с частотной модуляцией УГ и ОГ, а на рис. 3 — структурная схема тандемного синтезатора с частотной модуляцией УГ и косвенной модуляцией ИФМ в опорном канале, причем на обеих схемах изображены дополнительные цепи авторегулирования фазы для компенсации помех.

На этих схемах: ИМС — источник полезного модулирующего сигнала; ИС — индикатор синхронизма; КЛ — электронный ключ; С — линейный сумматор. Остальные обозначения введены ранее.

ЛИТЕРАТУРА

1. Угловая модуляция цифровых синтезаторов частот: монография / П. А. Попов [и др.]; под ред. П. А Попова.— Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2001.— 262 с.

2. Тихомиров Н.М. Формирование ЧМ-сигналов в синтезаторах с автоподстройкой / Н.М. Тихомиров, С.К. Ромашев, А.В. Леньшин.— М.: Радио и связь, 2004.— 210 с.

3. Щипанов Г.В. Теория и методы проектирования регуляторов / Г.В. Щипанов // Автоматика и телемеханика.— 1930.— №3.— С. 18—31.

4. Шахгильдян В. В. Системы фазовой автоподстройки частоты / В.В. Шахгиль-дян, А. А. Ляховкин.— М.: Связь, 1972.— 448с.