ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приемника.
Известен двухкольцевой цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с частотной модуляцией (ЧМ) с последовательным включением колец, построенных на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи каждого кольца (см. свидетельство на полезную модель №30043 от 26.08.2002 года).
В этом ЦСЧ первое кольцо ИФАПЧ узкополосное, работает на одной частоте с ЧМ выходного сигнала, который является опорным для второго кольца.
Второе кольцо ИФАПЧ (выходное) включено последовательно с первым и является широкодиапазонным, быстродействующим (за счет использования дробного ДПКД), может работать на ультравысоких частотах. Модулирующий сигнал для второго кольца содержится в его опорном сигнале с выхода управляемого генератора (УГ) первого кольца.
В этом ЦСЧ с ЧМ функции частотообразования и модуляции разделены между первым и вторым кольцами ИФАПЧ, что уменьшает известные противоречия. Двухточечная частотная модуляция осуществляется в первом кольце, работающем на одной фиксированной частоте, а широкодиапазонная перестройка частот и быстродействие при переключении частот - во втором кольце ИФАПЧ.
Недостаток известного устройства состоит в невозможности в настоящее время осуществления двухточечной модуляции путем введения ЧМ в УГ и на модулирующий вход фазового модулятора, включенного между делителем частоты и входом частотно-фазового детектора (ЧФД), так как в выпускаемых микросхемах ЦСЧ нет отдельного доступного входа к ЧФД (все находится внутри «кристалла» микросхемы ЦСЧ). Кроме того, в этом синтезаторе недостаточная чистота спектра выходного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому синтезатору является двухкольцевой ЦСЧ с частотной модуляцией (см. патент на полезную модель №62310 от 07 декабря 2006 года), который принят за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2 -делитель частоты (Д);
3 - импульсно-фазовый модулятор (ИФМ);
4 и 18 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
5 и 16 - первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);
6 и 17 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
7 и 14 - первый и второй управляемые генераторы (УГ);
8 и 15 - первый и второй делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
9 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
10 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УС);
11 - усилитель постоянного тока (УПТ);
12 - инвертор (ИНВ);
13 и 19 - первый и второй блок установки частоты (БУЧ);
20 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор (ОГ 1), делитель частоты (Д 2), импульсно-фазовый модулятор (ИФМ 3), первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД 4), первый частотно-фазовый детектор (ЧФД 5), первый фильтр нижних частот (ФНЧ 6), первый УТ 7 и первый ДПКД 8, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД 5, последовательно соединенные второй ДФКД 18, второй ЧФД 16, второй ФНЧ 17, второй УТ 14 и второй ДПКД 15, выход которого соединен со вторым входом второго ЧФД 16; последовательно соединенные источник модулирующего сигнала (ИМС 9) и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УС 10), выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора (УГ7), выход первого фильтра нижних частот (ФНЧ 6) соединен через УПТ 11 и инвертор ИНВ 12 с модулирующим входом ИФМ 3, а также первый блок установки частоты БУЧ 13, выход которого соединен с установочным входом первого ДПКД 8, второй блок установки частоты БУЧ 19, выход которого соединен с установочным входом второго ДПКД 15 и через цифроаналоговый преобразователь ЦАП 20 с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления УС 10. При этом выход первого УГ 7 соединен также со входом второго ДФКД 18, а выход второго УГ 14 является выходом устройства.
м
Устройство-прототип работает следующим образом. В режиме синхронизма модулирующий сигнал U (t) подается от ИМС 9 через УС 10 на модулирующий вход первого УГ 7. Первое кольцо узкополосное, работает на одной частоте, поэтому здесь всегда можно выбрать оптимальный режим широкополосной частотной модуляции с минимальными искажениями. В этом ЦСЧ первое кольцо используется как узкополосный фильтр, где на частотах в пределах узкой полосы синхронизации шумы устройства определяются шумами кварцевого генератора, а вне - шумами УГ, которые для одночастотного генератора можно сделать меньше относительно шумов кварцевого генератора, приведенного к частоте УГ.
Второе кольцо ИФАПЧ на основе УГ 14, ДПКД 15, ЧФД 16 и ФНЧ 17 является широкодиапазонным, быстродействующим и может работать на ультравысоких частотах. Для стабилизации уровня девиации частоты второго УГ 14 модулирующий сигнал от ИМС 9 поступает через усилитель УС 10, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально коэффициенту деления N2 второго ДПКД 15 с помощью напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода ЦАП 20. Поскольку изменение коэффициента деления N2 второго ДПКД 15 и обратно пропорциональное N2 изменение коэффициента усиления УС 10 происходят одновременно по сигналу от второго БУЧ 19, то девиация частоты стабилизируется и быстродействие синтезатора сохраняется таким же высоким, как и без модуляции.
Для уменьшения уровня паразитной частотной модуляции (ПЧМ), возникающей в опорном канале в устройстве-прототипе действует отрицательная обратная связь с выхода первого ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 на модулирующий вход ИФМ 3 таким образом, что все помехи в опорном сигнале и шумовые составляющие отрабатываются в сторону уменьшения.
Достоинством такого способа введения ЧМ является возможность получения равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) в широком диапазоне модулирующих частот.
Недостаток известного устройства состоит в том, что здесь полоса модуляции в области нижних частот ограничивается полосой пропускания петлевого ФНЧ 1, которую нельзя сделать очень узкой из-за возможности неустойчивой работы синтезатора и очень медленного его вхождения в синхронизм. Хотя здесь и действует отрицательная обратная связь по опорному каналу, которая несколько расширяет и выравнивает АЧМХ синтезатора в области нижних частот, однако получить очень низкие модулирующие частоты при этом невозможно, так как расширение диапазона модулирующих частот в сторону нижних частот ограничивается из-за действия обратной связи через ФНЧ 1 на управляющий вход УГ 7.
Для устранения указанного недостатка в цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, делитель частоты, импульсно-фазовый модулятор, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор и первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора; последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, второй управляемый генератор и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора; последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, а также первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, второй блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и через цифро-аналоговый преобразователь с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом выход первого управляемого генератора соединен с входом второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход первого фильтра нижних частот через усилитель постоянного тока соединен с инвертором, введены последовательно соединенные интегратор и сумматор, выход которого соединен с модулирующим входом импульсно-фазового модулятора, второй вход сумматора соединен с выходом инвертора, вход интегратора соединен с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а выход второго управляемого генератора одновременно является выходом устройства.
Существенным отличием предложенного технического решения является то, что с помощью введенных новых элементов, объединенных соответствующими
связями с остальными узлами схемы, происходит значительное расширение АЧМХ в сторону низких модулирующих частот (почти до нулевой частоты) и ее выравнивание, а также уменьшение шумов и дискретных помеховых составляющих опорного сигнала.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2 - делитель частоты (Д);
3 - импульсно-фазовый модулятор (ИФМ);
4 и 18 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
5 и 16 - первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);
6 и 17 - первый и второй фильтр нижних частот (ФНЧ);
7 и 14 - первый и второй управляемый генератор (УГ);
8 и 15 - первый и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
9 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
10 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УС);
11 - усилитель постоянного тока (УПТ);
12 - инвертор (ИНВ);
13 и 19 - первый и второй блок установки частоты (БУЧ);
20 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
21 - интегратор (ИНТ);
22 - сумматор (СУМ).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор ОГ 1, делитель частоты (Д 2), импульсно-фазовый модулятор (ИФМ 3), первый ДФКД 4, первый ЧФД 5, первый ФНЧ 6, первый УГ 7 и первый ДПКД 8, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД 5; последовательно соединенные второй ДФКД 18, второй ЧФД 16, второй ФНЧ 17, второй УГ 14, второй ДПКД 15, выход которого соединен со вторым входом второго ЧФД 16, последовательно соединенные ИМС 9 и УС 10, выход которого соединен с модулирующим входом первого УГ 7 и через интегратор 21 с первым входом сумматора СУМ 22, а также первый БУЧ 13, выход которого соединен с установочным входом первого ДПКД 8, второй БУЧ 19, выход которого соединен с установочным входом второго ДПКД 15 и через ЦАП 20 с управляющим входом УС 10. При этом выход первого УГ 7 соединен со входом второго ДФКД 18, выход первого ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 соединен со вторым входом сумматора СУМ 22, выход которого соединен с модулирующим входом ИФМ 3, а выход второго УГ 14 одновременно является выходом устройства.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
м
В режиме синхронизма модулирующий сигнал U (t) подается от ИМС 9 через УС 10 на модулирующий вход первого УГ 7 и через интегратор ИНТ 21 и сумматор СУМ 22 на модулирующий вход ИФМ 3 в опорном канале. С выхода ИФМ 3 на вход первого ДФКД 4 поступают короткие импульсы, промодулированные по фазе так же, как и импульсы с выхода первого ДПКД 8. В результате на первый и второй входы первого ЧФД 5 поступают импульсы одинаковые по частоте
(в режиме синхронизма) и одинаково промодулированные по фазе. При этом на выходе первого ЧФД 5 формируется управляющее напряжение, которое после первого ФНЧ 6 поступает на управляющий вход первого УГ 7 и подстраивает его по частоте и фазе под опорный сигнал. В этом управляющем напряжении уже не должно быть составляющей от реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее воздействие (по принципу двухточечной модуляции), что позволяет значительно расширить АЧМХ в сторону низких модулирующих частот и выбрать относительно высокую частоту сравнения на опорном входе ЧФД, чтобы получить высокое быстродействие. Однако в ЦСЧ с двухточечной модуляцией при значительном расширении АЧМХ в сторону низких частот (почти до нулевой частоты) может быть большая неравномерность АЧМХ особенно в области низких частот. В предложенном ЦСЧ это не происходит из-за действия напряжения отрицательной обратной связи с выхода ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 на второй вход СУМ 22, в котором этот сигнал суммируется с модулирующим напряжением от ИНТ 21, поступающим по первому входу СУМ 22. В результате АЧМХ синтезатора выравнивается и расширяется в область низких частот. При этом также уменьшаются шумовые и дискретные помеховые составляющие, возникающие в опорном сигнале.
Второе кольцо ИФАПЧ на основе УГ 14, ДПКД 15, ЧФД 16 и ФНЧ 17 является широкодиапазонным, быстродействующим и может работать на ультравысоких частотах. Для стабилизации уровня девиации частоты второго УГ 14 модулирующий сигнал от ИМС 9 поступает через усилитель УС 10, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально коэффициенту деления N2 второго ДПКД 15 с помощью напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода ЦАП 20. Поскольку изменение коэффициента деления N2 второго ДПКД 15 и обратно пропорциональное N2 изменение коэффициента усиления УС 10 происходят одновременно по сигналу от второго БУЧ 19, то девиация частоты стабилизируется и быстродействие синтезатора сохраняется таким же высоким, как и без модуляции.
Возможность осуществления предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Цифровая часть синтезаторов выполняется на микросхемах ЦСЧ с ИФАПЧ разных фирм. При этом в одной микросхеме могут быть один или два независимых ЦСЧ с целочисленным ДПКД (Integer-N) или с дробным (Fractional-N). Например, микросхемы LMX2364, LMX2470 фирмы National Semiconductor представляют собой двойной синтезатор с двумя раздельными контурами регулирования: один с дробным ДПКД (ДДПКД), другой - с обычным. Аналогично этому микросхема ADF4252 фирмы Analog Devices и другие. Схемы интегратора и сумматора построены на основе операционных усилителей AD822AR фирмы Analog Devices.
Таким образом, в предложенном ЦСЧ с ЧМ имеется возможность значительно расширить диапазон модулирующих частот в область низких частот и получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями.