СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ
FREQUENCY SYNTHESISER

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в приемных устройствах в качестве малогабаритного переключаемого по частоте гетеродина и в других устройствах, в которых требуется перестройка по частоте при низком уровне побочных спектральных составляющих в выходном сигнале.
Известен синтезатор частот, выполненный на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки с делителем частоты, имеющим переменный коэффициент деления [1, стр.9, рис.1.1].
Достоинством такого синтезатора при использовании микросхем является возможность формирования на его выходе большого числа дискретных частот с относительной стабильностью, равной относительной стабильности опорного кварцевого генератора, при низком уровне побочных спектральных составляющих в выходном сигнале, малых габаритах и малой потребляемой мощности. Недостаток этого синтезатора частот состоит в том, что он не позволяет получить одновременно низкий уровень фазовых шумов выходного высокочастотного сигнала при перестройке с малым шагом и низкий уровень побочных спектральных составляющих в выходном сигнале.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является синтезатор частот, выполненный на основе импульсно-фазовой автоподстройки с дробным делителем частоты, имеющим переменный коэффициент деления [2, стр.8, рис.B.1].
Устройство-прототип содержит генератор сигнала эталонной частоты, соединенный с источником питания, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, имеющий один соединенный с выходом генератора сигнала эталонной частоты вход управляемого сигнала, один вход управляющего сигнала и один выход, частотно-фазовый детектор, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом частотно-фазового детектора, генератор, управляемый напряжением, содержащий один вход, соединенный с выходом фильтра нижних частот, и два выхода, первый из которых является выходом синтезатора частот, дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления, имеющий два входа, первый из которых соединен со вторым выходом генератора, управляемого напряжением, и один выход, соединенный со вторым входом частотно-фазового детектора, микроконтроллер, управляющая шина которого соединена с входом управляющего сигнала делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и вторым входом дробного делителя частоты с переменным коэффициентом деления.
Достоинством устройства-прототипа при использовании микросхем является возможность формирования на его выходе большого числа дискретных частот с относительной стабильностью, равной относительной стабильности опорного кварцевого генератора, низкий уровень фазовых шумов, малые габариты устройства и малая потребляемая мощность. Недостаток устройства-прототипа состоит в том, что даже при использовании в нем микросхем синтезаторов частот с сигма-дельта-модуляторами (см., например, технические характеристики микросхемы HMC704LP4E фирмы Hittite) существуют помехи, генерируемые синтезатором, так как в нем имеется паразитная связь между синтезируемым сигналом и первым входом частотно-фазового детектора. Из-за того, что синтезируемые частоты не кратны частоте сигнала на первом входе частотно-фазового детектора (не кратны частоте сравнения), в выходном сигнале появляются побочные (паразитные) спектральные составляющие. Наихудший случай наблюдается тогда, когда разница между синтезируемыми частотами и ближайшей частотой, кратной частоте сравнения, настолько мала, что фильтр нижних частот не обеспечивает требуемого подавления побочных спектральных составляющих. Наибольший уровень побочных спектральных составляющих в синтезируемом сигнале находится вблизи частот
при соблюдении условий: d<m и m≤4,
ЧФД
где f - частота сравнения, используемая в частотно-фазовом детекторе;
n, d и m - целые числа, при этом большему значению m соответствует меньший уровень побочных спектральных составляющих [3, стр.17, рис.26].
Уровень побочных спектральных составляющих в синтезируемом сигнале вблизи частот, определяемых выражением (1), уменьшается при выполнении условия:
ЧФД
ЧФД
вых
ЧФД
ЧФД
nf+f+d/m+l·Δ/m≤f≤nf+f+d/m-l·Δ/m,
вых
где f - синтезируемая частота;
Δ - полоса пропускания фильтра нижних частот;
l - коэффициент, зависящий от параметров характеристики фильтра нижних частот и требуемого подавления побочных спектральных составляющих (большему значению l соответствует большее подавление).
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - уменьшение уровня побочных спектральных составляющих синтезируемого сигнала.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в синтезатор частот, содержащий генератор сигнала эталонной частоты, источник питания генератора сигнала эталонной частоты, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, имеющий один вход управляющего сигнала, один вход управляемого сигнала и один выход, частотно-фазовый детектор, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом частотно-фазового детектора, генератор, управляемый напряжением, содержащий один вход, соединенный с выходом фильтра нижних частот, и два выхода, первый из которых является выходом синтезатора частот, дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления, имеющий два входа, первый из которых соединен со вторым выходом генератора, управляемого напряжением, а выход - со вторым входом частотно-фазового детектора, микроконтроллер, управляющая шина которого соединена с входом управляющего сигнала делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и вторым входом дробного делителя частоты с переменным коэффициентом деления, дополнительно введены первый электронный двухпозиционный переключатель, имеющий один вход управляющего сигнала, один вход управляемого сигнала, соединенный с выходом источника питания генератора сигнала эталонной частоты, и два выхода, первый из которых соединен с входом генератора сигнала эталонной частоты, второй генератор сигнала эталонной частоты, вход которого соединен со вторым выходом первого электронного двухпозиционного переключателя, второй электронный двухпозиционный переключатель, имеющий два входа управляемых сигналов, первый из которых соединен с выходом первого генератора сигнала эталонной частоты, а второй - с выходом второго генератора сигнала эталонной частоты, один вход управляющего сигнала и один выход, соединенный с входом управляемого сигнала делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, при этом входы управляющего сигнала первого и второго электронных двухпозиционных переключателей соединены с управляющей шиной микроконтроллера.
Блок-схема предложенного устройства приведена на чертеже прилагаемого графического материала, где введены следующие обозначения:
1 - источник питания генераторов сигналов эталонных частот;
2 - первый генератор сигнала эталонной частоты;
3 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления;
4 - частотно-фазовый детектор;
5 - фильтр нижних частот;
6 - генератор, управляемый напряжением;
7 - дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления;
8 - микроконтроллер;
9 - первый электронный двухпозиционный переключатель;
10 - второй генератор сигнала эталонной частоты;
11 - второй электронный двухпозиционный переключатель.
Предлагаемое устройство содержит источник питания 1 первого 2 и второго 10 генераторов сигналов эталонных частот, первый электронный двухпозиционный переключатель 9, имеющий один вход управляющего сигнала, один вход управляемого сигнала, соединенный с выходом источника питания 1, и два выхода, первый генератор сигнала эталонной частоты 2, имеющий вход питания, соединенный с первым выходом первого электронного двухпозиционного переключателя 9, и один выход, второй генератор сигнала эталонной частоты 10, имеющий вход питания, соединенный со вторым выходом первого переключателя 9, и один выход, второй электронный двухпозиционный переключатель 11, имеющий два входа управляемых сигналов, первый из которых соединен с выходом первого генератора 2, а второй - с выходом второго генератора 10, один вход управляющего сигнала и один выход, делитель частоты 3 с фиксированным коэффициентом деления, имеющий один вход управляемого сигнала, соединенный с выходом второго переключателя 11, один вход управляющего сигнала и один выход, частотно-фазовый детектор 4, имеющий два входа, первый из которых соединен с выходом делителя частоты 3, фильтр нижних частот 5, вход которого соединен с выходом частотно-фазового детектора 4, генератор 6, управляемый напряжением, содержащий один вход, соединенный с выходом фильтра нижних частот 5, и два выхода, первый из которых является выходом синтезатора частот, дробный делитель частоты 7 с переменным коэффициентом деления, имеющий два входа, первый из которых соединен со вторым выходом генератора 6, и один выход, соединенный со вторым входом частотно-фазового детектора 4, микроконтроллер 8, управляющая шина которого соединена с входами управляющих сигналов первого 9 и второго 11 переключателей, делителя частоты 3 и вторым входом дробного делителя частоты 7.
1
2
Частоты f и f для первого 2 и второго 10 генераторов сигналов эталонных частот выбираются таким образом, чтобы выполнялись условия:
,
где l - коэффициент, зависящий от параметров характеристики фильтра нижних частот 5 и требуемого подавления побочных спектральных составляющих синтезируемого сигнала (большему значению l соответствует большее подавление).
Δ - полоса пропускания фильтра нижних частот 5;
и  - минимальная и максимальная синтезируемые частоты;
R - коэффициент деления делителя частоты 3 с фиксированным коэффициентом деления.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
1
вых
1
1
При включении синтезатора частот на заданную частоту с выхода микроконтроллера 8 по управляющей шине поступают сигналы в двоичном коде на четыре входа: второй вход делителя частоты 7 с переменным коэффициентом деления, устанавливая в нем дробный коэффициент деления N, вход управляющего сигнала делителя частоты 3 с фиксированным коэффициентом деления, устанавливая в нем коэффициент деления R, вход управляющего сигнала первого электронного двухпозиционного переключателя 9, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его первым выходом, вход управляющего сигнала второго электронного двухпозиционного переключателя 11, соединяя в нем первый вход управляемого сигнала с его выходом. Сигнал со второго выхода генератора 6 через дробный делитель частоты 7 и сигнал с выхода генератора 2 через делитель частоты 3 и второй переключатель 11 подаются соответственно на второй и первый входы частотно-фазового детектора 4. Сигнал с выхода частотно-фазового детектора 4 через фильтр нижних частот 5 подается на вход генератора 6, что через определенный промежуток времени обеспечивает вхождение в синхронизм частоты генератора 6 с частотой генератора 2 в кольце фазовой автоподстройки частоты, выполненном на основе генератора 6. На первом выходе генератора 6 формируется синтезируемая частота f, равная частоте сигнала f первого генератора эталонной частоты 2, умноженной на N/R. В режиме работы синтезатора при выполнении условия:
ЧФД
ЧФД
вых
ЧФД
ЧФД
nf+fd/m-l·Δ/m≤f≤nf+fd/m+l·Δ/m,
ЧФД
1
2
2
вых
вых
2
2
ЧФД
ЧФД
где f=f/R, с выхода микроконтроллера 8 по управляющей шине поступают сигналы в двоичном коде на второй вход делителя частоты 7, устанавливая в нем дробный коэффициент деления N, соответствующий частотам f и f, на вход управляющего сигнала делителя частоты 3, устанавливая в нем коэффициент деления R, на вход управляющего сигнала первого переключателя 9, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его вторым выходом, вход управляющего сигнала второго переключателя 11, соединяя в нем второй вход управляемого сигнала с его выходом. Через определенный промежуток времени обеспечивается вхождение в синхронизм в кольце фазовой автоподстройки частоты, выполненном на основе генератора 6. На первом выходе генератора 6 формируется частота f, равная частоте сигнала f второго генератора 10, умноженной на N/R. При этом происходит исключение частотных участков nf+fd/m±l·Δ/m, в которых имеется высокий уровень побочных спектральных составляющих.
Цифровая часть синтезатора частот, которая включает в себя дробный делитель частоты 7 с переменным коэффициентом деления, делитель частоты 3 с фиксированным коэффициентом деления и частотно-фазовый детектор 4, может быть выполнена на одной из микросхем цифрового синтезатора частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты, например, изготавливаемой фирмой Hittite микросхеме НМС 700/701/702 или 704. Первый 9 и второй 11 переключатели могут быть выполнены на микросхемах IRF7317 фирмы National Rectifier и НМС349 фирмы Hittite соответственно.
Основное достоинство предложенного технического решения состоит в том, что с помощью введенных новых узлов, объединенных новыми связями с остальными узлами схемы, осуществляется возможность уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в выходном сигнале, что очень важно при использовании синтезаторов частот с дробным делителем частоты. Это позволяет использовать предлагаемый синтезатор в перспективных системах, где требуется обеспечение низкого уровня побочных спектральных составляющих в выходном сигнале при малых габаритах устройства и малой потребляемой мощности.
Экспериментальные исследования синтезатора-прототипа и предлагаемого устройства в диапазоне частот 2,9-3,0 ГГц показали, что уровень побочных спектральных составляющих у предлагаемого устройства находился на 30-40 дБ ниже уровня побочных спектральных составляющих устройства-прототипа.
Источники информации
1. Левин В.А. и др. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. - М.: Радио и связь, 1989. - 232 с.;
2. Шахтарин Б.И. и др. Синтезаторы частот. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2007. - 128 с. - прототип;
3. Datasheet v01.0111 HMC704LP4E 8 GHz fractional synthesizer. 2011. www.hittite.com.