Гибридный синтезатор частот с повышенной чистотой спектра и расширенным диапазоном рабочих частот

Гибридный синтезатор частот с повышенной чистотой спектра и расширенным диапазоном рабочих частот.
Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре.
Известен гибридный однопетлевой синтезатор частот [1], который выполнен на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащей последовательно соединенные частотно-фазовый детектор (ЧФД), фильтр нижних частот (ФНЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), сигнал которого подается на выход схемы и на один из входов смесителя (СМ), на другой вход которого подается сигнал с выхода цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС), выходной сигнал смесителя после требуемого деления по частоте поступает на частотно-фазовый детектор, где сравнивается с опорной частотой. Кроме того, известен синтезатор с прямым цифровым разделением US № 6198353, H03L 7/18.
Недостатками аналогов является то, что низкий уровень фазового шума на выходе устройств обеспечивается лишь для частот, определяемых максимальной выходной частой ЦВС. Для повышения выходной частоты устройств необходимо увеличить коэффициент деления в цепи обратной связи петли ФАПЧ до получения граничной частоты сравнения ЧФД, что приводит к увеличению фазовых шумов на выходе синтезаторов пропорционально коэффициенту деления.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство по патенту РФ 172814; НО3L 7/18, принятое за прототип.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства-прототипа, где введены следующие обозначения:
4 – генератор опорной частоты (ОГ);
7, 17 – первый и второй цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС);
8 – частотно фазовый детектор (ЧФД);
9 – петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ);
10 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);
12 – смеситель (СМ);
13 – программируемый делитель частоты (Д);
14 – направленный ответвитель (НО);
15 – умножитель частоты (У);
16 – полосовой фильтр (ПФ).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор опорной частоты 4, первый ЦВС 7, ЧФД 8, петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, ГУН 10 и направленный ответвитель 14, выход которого является выходом устройства, а его второй выход соединен с одним из входов смесителя 12, выход которого через программируемый делитель частоты 13 соединен со вторым входом ЧФД 8. Кроме того, второй выход ОГ 4 через последовательно соединенные умножитель частоты 15, второй ЦВС 17 и полосовой фильтр 16 соединен с другим входом смесителя 12.
Работает устройство-прототип следующим образом.
Перестройка частоты выходного сигнала гибридного синтезатора частот на другую частоту осуществляется за счет того, что частоты выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов 7 и 17 изменяются так, чтобы исключить значения частоты сравнения частотно-фазового детектора 8, близкие к частотам гармоник и субгармоник образов основной частоты первого ЦВС 7, попавшие в полосу пропускания полосового фильтра 16. Сигнал ошибки из-за имеющейся разности частот на входах ЧФД 8 фильтруется петлевым фильтром нижних частот 9 и перестраивает ГУН 10 на нужную частоту.
Недостатком устройства-прототипа является наличии паразитных составляющих спектра на выходе устройства при работе в расширенном диапазоне частот, т.к. в состав цифровых вычислительных синтезаторов входят цифро-аналоговые преобразователи, которые вносят дополнительную погрешность выходного сигнала из-за преобразования ступенчатого цифрового сигнала в синусоидальный аналоговый, а так же отсутствует возможность расширения рабочего диапазона частот.
Задача предлагаемого гибридного синтезатора частот с повышенной чистотой спектра и расширенным диапазоном рабочих частот состоит в расширении диапазона рабочих частот без увеличения уровня паразитных составляющих спектра на выходе устройства.
Для решения поставленной задачи в гибридный синтезатор частот с повышенной чистотой спектра и расширенным диапазоном рабочих частот, содержащий генератор опорной частоты (ОГ), последовательно соединенные  цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), частотно-фазовый детектор (ЧФД), петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), а также смеситель и делитель частоты, согласно полезной модели, введены М групп синтезаторов частот, каждая из которых содержит первый и второй синтезатор частот (СЧ), входы которых объединены и являются входами соответствующих групп СЧ, при этом выходы СЧ соединены с соответствующими входами первого ключа, выход которого соединен с входом ЦВС, кроме того, выходы первых синтезаторов частот каждой группы СЧ соединены с соответствующими входами второго ключа, выход которого соединен с одним входом смесителя, выход которого подключен ко второму входу ЧФД; один выход ГУН является выходом устройства, а другой через делитель частоты соединен с другим входом смесителя.
На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:
Г1 – ГМ – с первой по М группы синтезаторов частот (СЧ);
1.1, 1.2 – М.1, М.2 – синтезаторы частот, входящие в соответствующие М группы;
4 – генератор опорной частоты (ОГ);
6, 11 – первый и второй ключи (К);
7 – цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС);
8 – частотно фазовый детектор (ЧФД);
9 – петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ);
10 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);
12 – смеситель (СМ);
13 – делитель частоты (Д).
Предлагаемое устройство содержит генератор опорной частоты 4, выход которого соединен с входами М групп синтезаторов частот Г1 – ГМ. Каждая группа содержит первый 1.1 - М.1 и второй 1.2 - М.2 синтезаторы частот, входы которых объединены и являются входом соответствующей группы СЧ. Выходы всех СЧ соединены с соответствующими входами первого ключа 6, выход которого через последовательно соединенные ЦВС 7, ЧФД 8 и ФНЧ 9 соединен с входом ГУН 10, один выход которого является выходом устройства, а другой через делитель частоты 13 соединен с одним входом смесителя 12, выход которого подключен ко второму входу ЧФД 8. При этом выходы первых СЧ 1.1 - М.1 соединены с соответствующими входами второго ключа 11, выход которого соединен с другим входом смесителя 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Генератор ОГ 4 вырабатывает сигнал высокостабильной опорной частоты, который подается на входы групп Г1 – ГМ синтезаторов частот. Выходные сигналы синтезаторов частот М групп СЧ 1 – СЧ М подаются на соответствующие входы первого ключа 6, который переключает вход тактовой частоты ЦВС 7 между выходами М групп СЧ. Каждый из СЧ настроен на свою частоту. ЦВС 7 формирует сигнал с мелким шагом сетки частот, который подается на один из входов ЧФД 8, с выхода которого через петлевой фильтр нижних частот 9, в котором происходит фильтрация сигнала от побочных составляющих спектра, подается на генератор, управляемый напряжением 10. С другого выхода ГУН 10 сигнал подается на вход делителя частоты 13, который делит частоту сигнала на два. Выходной сигнал делителя частоты 13 поступает на первый вход смесителя 12, на второй вход которого подается сигнал с выхода второго ключа 11, на входы которого подаются сигналы первых синтезаторов из групп СЧ, начиная с выхода первого СЧ 1.1 группы Г1, заканчивая выходом СЧ М.1 группы ГМ. Причем выбор между переключением СЧ 1.1 - СЧ М.1 зависит от того, на какой частоте должно работать устройство (какой сигнал поступает на вход ЦВС 7). С выхода смесителя 12 на второй вход ЧФД 8 поступает сигнал разностной частоты. В ЧФД 8 происходит сравнение сигналов, поступивших на первый и второй входы, и на выходе ЧФД 8 вырабатывается сигнал ошибки, который после фильтрации подстраивает выходную частоту ГУН 10.
Наличие М групп синтезаторов частот 1.1 и 1.2 СЧ (СЧ 1) - М.1 и М.2 СЧ (СЧ М) позволяет при попадании побочных составляющих спектра в полосу пропускания петлевого фильтра нижних частот 9 переключать тактовую частоту таким образом, что побочные составляющие спектра выходят за пределы полосы пропускания петлевого фильтра – это обеспечивает более чистый спектр выходного сигнала устройства при расширении диапазона рабочих частот.
Таким образом, применение М групп, состоящих из двух СЧ позволяет перестраивать выходной сигнал устройства на требуемую частоту, путем переключения между группами фильтров СЧ, при этом сочетание вырабатываемых ими частот минимизирует паразитные составляющие спектра сигнала на выходе предлагаемого устройства.
В качестве ОГ возможно применение генератора Морион ГК-208. Синтезаторы частот могут быть выполнены, например, на микросхеме ADF5335 фирмы Analog Devices. ЦВС – на микросхеме AD9914 фирмы Analog Devices. ЧФД может быть реализован, например на микросхеме HMC439 фирмы Analog Devices. В качестве ключа может быть использован, например ключ PE42422 фирмы Peregrine Semiconductor, смеситель – HMC7357LP5GE фирмы Analog Devices. Петлевой фильтр нижних частот может быть построен по стандартной схеме данного вида фильтров, например с использованием операционного усилителя OP211 фирмы Texas Instruments. Программируемый делитель частоты может быть выполнен на микросхеме HMC402 фирмы Analog Devices. В качестве ГУН используется, например, генератор MAOC-009260-PKG003 фирмы M/A-COM.
Источники информации
1. Патент США, Direct digital synthesis (DDS) phase locked loop (PPL) frequency synthesizer and associated methods / Nicholas Paul Shields; Harris Corporation. - № 7250823; заявлено 25.05.2005; опубл. 31.06.2007, с.8.
2. Патент РФ, Гибридный синтезатор частот с улучшенными
спектральными характеристиками / Ромашов Владимир Викторович; Ромашова Любовь Владимировна; Храмов Константин Константинович; Якименко Кирилл Александрович. - №172814; НО3L 7/18 заявлено 24.04.2017; опубл. 25.07.2017, с. 4, 5, 6.