ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ
BROADBAND FREQUENCY SYNTHESIZER

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в радиоприемной и радиопередающей аппаратуре для формирования сетки частот сигналов с низким уровнем фазового шума.
Среди существующих методов синтеза частот широкое распространение получили системы косвенного синтеза на контурах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Развитие техники связано с ростом требований к технико-эксплуатационным качествам аппаратуры, важнейшими из которых в области синтеза частот являются требования к снижению уровня фазового шума и уменьшению массо-габаритов.
Известны синтезаторы частот, в которых с целью снижения уровня фазового шума в контур обратной связи включены смесители, обеспечивающие перенос частоты с выхода управляемого генератора на частоту сравнения фазового компаратора:
• [1] Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. – М.: Радио и связь, 1981. стр. 37, рис.1.5;
• [2] Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ./Под ред. А.С. Галина – М.:Связь, 1979. стр.29, рис.1.12;
• [3] Патент США № 7701299, Fig. 4A).
Недостатком таких синтезаторов является необходимость дополнительного включения большого числа вспомогательных электронных компонентов, что повышает сложность и габариты устройства.
Наиболее близким по технической сущности является синтезатор частоты, содержащий последовательно соединенные источник сигнала опорной частоты, фильтр нижних частот, частотно-фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), а также подлкюченные к выходу ГУН первый и второй делители частоты. При этом один из делителей частоты своим выходом соединен с вторым входом частотно-фазового детектора, образуя контур обратной связи.
Существенным недостатком устройства-прототипа является повышенный уровень фазового шума. Другим недостатком устройства-прототипа при его построении на микросхемах со встроенным генератором, управляемым напряжением, например LMX2594, 1508МТ015, MAX2871, ADF4355 и др., является неприспособленность к включению смесителей в контур обратной связи по известным решениям [1],[2],[3], так как выход ГУН в таких микросхемах неразрывно связан с входом делителя частоты в цепи обратной связи.
Техническая проблема, на решение которой направлена реализация заявленного устройства, заключается в обеспечении формирования сетки частот сигналов с низким уровнем фазового шума.
Технический результат заключается в уменьшении фазового шума, вносимого контуром фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Технический результат достигается тем, что синтезатор частот, содержащий источник опорной частоты, генератор, управляемый напряжением, связанные между собой системой фазовой автоподстройки частоты, включающей устройство сравнения в виде частотно-фазового детектора, фильтр сигнала ошибки в виде фильтра низкой частоты и тракт обратной связи, включающий в себя делитель частоты, согласно изобретению дополнительно снабжен размещенным на выходе источника опорной частоты устройством переноса частоты, выполненным с возможностью изменения значения частоты источника опорной частоты и значения частоты генератора, управляемого напряжением, для приведения их к частоте сравнения на одном из входов частотно-фазового детектора, при этом устройство переноса частоты содержит последовательно соединенные первый смеситель, фильтр промежуточной частоты в виде полосового фильтра, второй смеситель и фильтр частоты сравнения в виде фильтра низкой частоты, кроме того тракт обратной связи дополнительно содержит две параллельные цепи обратной связи, где первая цепь обратной связи содержит умножитель частоты, и выполнена с обеспечением связи выхода генератора, управляемого напряжением, через упомянутый умножитель с входом первого смесителя устройства переноса частоты, вторая цепь обратной связи содержит последовательно соединенные первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления и второй умножитель, и выполнена с обеспечением связи выхода генератора, управляемого напряжением, через упомянутые делитель и умножитель с входом второго смесителя устройства переноса частоты.
Изобретение поясняется со ссылками на иллюстрации, где на фиг. 1 приведена схема синтезатора частот, на фиг. 2 – характеристики фазового шума предлагаемого устройства  в сравнении с прототипом (штрихпунктирная линия).
На приведенных фигурах использованы следующие обозначения:
1- Источник опорной частоты
2- Первый смеситель
3- Фильтр промежуточной частоты
4- Второй смеситель
5- Фильтр частоты сравнения
6- Частотно-фазовый детектор
7- Фильтр сигнала ошибки
8- Генератор, управляемый напряжением
9- Делитель частоты с переменным коэффициентом деления третьего контура обратной связи
10- Умножитель частоты первого контура обратной связи
11- Умножитель частоты второго контура обратной связи
12- Делитель частоты с переменным коэффициентом деления второго контура обратной связи.
Идея изобретения заключается в том, что существенное снижение уровня вносимого системой ФАПЧ фазового шума можно достичь шунтированием делителя частоты в контуре обратной связи дополнительно вводимыми параллельными контурами обратной связи, содержащими делители частоты с меньшим коэффициентом деления или вовсе не содержащие делители частоты.
Широкополосный синтезатор частот содержит источник 1 опорной частоты, генератор 8, управляемый напряжением, связанные между собой системой фазовой автоподстройки частоты, включающей устройство сравнения в виде частотно-фазового детектора 6, фильтр 7 сигнала ошибки в виде фильтра низкой частоты и тракт обратной связи.
Синтезатор частот снабжен размещенным на выходе источника 1 опорной частоты устройством переноса частоты (на фиг. 1 ограничен пунктирной линией), выполненным с возможностью изменения значения частоты источника 1 опорной частоты и значения частоты генератора 8, управляемого напряжением (ГУН), для приведения их к частоте сравнения на первом входе частотно-фазового детектора 6. Устройство переноса частоты содержит последовательно соединенные первый смеситель 2, фильтр 3 промежуточной частоты в виде полосового фильтра, второй смеситель 4 и фильтр 5 частоты сравнения в виде фильтра низкой частоты.
Тракт обратной связи содержит три цепи обратной связи. Первая цепь обратной связи содержит умножитель 10 частоты. Первая цепь обратной связи обеспечивает связь выхода ГУН 8 через умножитель 10 с входом первого смесителя 2 устройства переноса частоты. Вторая цепь обратной связи содержит последовательно соединенные делитель 12 частоты с переменным коэффициентом деления и второй умножитель 11. Цепь связывает выход ГУН 8 через делитель 12 и умножитель 11 с входом второго смесителя 4 устройства переноса частоты. Третья цепь обратной связи содержит второй делитель 9 частоты с переменным коэффициентом деления. Цепь связывает выход ГУН 8 через делитель 9 со вторым входом частотно-фазового детектора 6.
Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода ГУН 8 распределяется на выход устройства и на три параллельных цепи обратной связи.
В первой цепи обратной связи сигнал проходит через умножитель частоты 10 и поступает на вход первого смесителя 2, на другой вход которого поступает сигнал с источника 1 опорной частоты. В результате на выходе смесителя 2 образуются комбинации частот, из которых посредством фильтра 3 выделяется полезная промежуточная частота.
Во второй цепи обратной связи сигнал с выхода ГУН 8 проходит последовательно сначала через первый делитель частоты 12, а затем через второй умножитель частоты 11, с выхода которого сигнал обратной связи поступает на вход второго смесителя 4, к другому входу которого подключен выход фильтра промежуточной частоты 3. В результате на выходе смесителя 4 образуются комбинации частот, из которых посредством фильтра 5 выделяется частота сравнения, которая поступает на первый вход частотно-фазового детектора 6. На другой вход частотно-фазового детектора 6 поступает сигнал с выхода второго делителя частоты 9 третьей цепи обратной связи. В результате работы системы фазовой автоподстройки на входах частотно-фазового детектора 6 устанавливаются равные друг другу значения частот.
Таким образом, для выходной частоты можно записать следующее соотношение:
(1)
Где:
– частота выходного сигнала;
– частота сигнала источника 1 опорного сигнала;
– коэффициент умножения первого умножителя 10 частоты;
ОГ
– знаковый коэффициент (-1 или +1), зависящий от амплитудно-частотной характеристики фильтра 3 промежуточной частоты; если полоса пропускания фильтра 3 находится выше по частоте, чем F, то s = -1; если ниже, то s = 1
– коэффициент умножения второго умножителя 11 частоты;
– коэффициент деления первого делителя 12 частоты с переменным коэффициентом деления;
– полярность частотно-фазового детектора 6 (-1 или +1); определяет в какую сторону будет происходить смещение частоты ГУН (уменьшение или увеличение частоты) при определенном знаке разности фаз сигналов на входах частотно-фазового детектора
– коэффициент деления второго делителя 9 частоты с переменным коэффициентом деления.
Эквивалентный коэффициент деления в предлагаемом решении:
Таким образом, при s = 1 возникает дополнительное преимущество по снижению уровня фазового шума в сравнении с известными решениями [1], [2], [3], где эквивалентный коэффициент деления равен 1.
th
Для оценки вносимого системой ФАПЧ фазового шума на отстройках от несущей частоты в пределах полосы пропускания ФНЧ пользуются кусочно-линейной аппроксимирующей характеристикой, представленной двумя компонентами – горизонтельной линией (постоянной составляющей)  и наклонной линией со спадом 10 дБ на декаду (фликкер-шум) ([4] D. Banerjee. PLL Performance, Simulation and Design. 4 Edition. Dog Ear Publishing, 2006. стр. 101). Частотная координата точки пересечения постоянной составляющей с собственным фазовым шумом ГУН соответствует оптимальной частоте среза ФНЧ. На отстройках от несущей выше частоты среза ФНЧ спектр шума соответствует собственному шуму ГУН с разомкнутой обратной связью системы ФАПЧ.
Где:
– постоянная составляющая спектральной плотности мощности фазового шума;
- нормированный уровень постоянной составляющей шума, дБн/Гц;
- частота сравнения, Гц;
- частота отстройки от несущей, Гц;
– коэффициент деления в цепи обратной связи;
- составляющая фликкер-шума, дБн/Гц;
- нормированный уровень составляющей фликкер-шума, дБн/Гц.
Нормированные уровни  и  приводятся изготовителем компонента в техническом описании
Выражение для составляющей фликкер-шума можно переписать в следующем виде:
Для ряда микросхем нормированный уровень составляющей фликкер-шума приводится как  (например микросхемы LTC6946, HMC833), тогда для них выражение примет вид:
К шуму системы ФАПЧ на выходе устройства добавляется шум, обусловленный источником сигнала опорной частоты:
Где:
- фазовый шум сигнала опорной частоты на входе системы.
Тогда уровень общего фазового шума на выходе системы ФАПЧ для отстроек частот в пределах полосы пропускания ФНЧ составляет:
Типовые значения нормированного уровня шума для современных микросхем синтезаторов частоты составляют  = -223 … -236 дБн/Гц для постоянной составляющей шума и  = -122…-129 дБн/Гц для составляющей фликкер-шума (MAX2871, LMX2594, 1508МТ и др.). Отсюда следует, например, что при частоте сравнения 100 МГц синтезированный сигнал частотой 5 ГГц будет иметь уровень вносимого фазового шума на отстройке 10 кГц не менее -110 дБн/Гц. В то же время уровни фазового шума на той же отстройке 10 кГц для высококачественных термостатированных кварцевых генераторов частотой 100 МГц достигают -180 … -170 дБн/Гц (например, ГК317-ТС—100М), что при качественно выполненном умножении до частоты 5 ГГц соответствует величине -146…-136 дБн/Гц. Кроме того существуют СВЧ-генераторы фиксированных частот, выполненные на высокодобротных диэлектрических резонаторах с комбинированной системой стабилизации и оптоэлектронные генераторы, обладающие ещё меньшими уровнями фазового шума. Таким образом, в простейших однокольцевых схемах ФАПЧ собственный уровень шума на отстройках частот в пределах полосы пропускания ФНЧ является преобладающим в системе, в то время как потенциал источников опорной частоты оказывается не реализован. В связи с этим становятся востребованными решения, позволяющие синтезировать частоты в широком диапазоне частот с минимальным приростом фазового шума.
Анализ выражений (2 – 5) позволяет заключить, что существенное снижение уровня, вносимого системой ФАПЧ, можно достичь уменьшением коэффициента деления в контуре обратной связи. В ряде известных решений [1],[2],[3] для этого делитель частоты в контуре обратной связи замещают смесителями, что ограничивает использование большинства существующих интегральных микросхем синтезаторов частоты со встроенным ГУН. В предлагаемом решении к существующему контуру с делителем частоты дополнительно подключаются два параллельных контура обратной связи, что позволяет использовать данные микросхемы.
На графике, приведенном на фиг. 2, показан эффект снижения фазового шума, достигаемый при использовании заявленного технического решения.