Синтезатор частот с частотной модуляцией в SDR приложениях
FREQUENCIES SYNTHESIZER WITH FREQUENCY MODULATION IN SDR APPLICATIONS

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в качестве возбудителя радиопередатчика с частотной модуляцией и гетеродина радиоприемника без подачи модулирующего сигнала.
Известен синтезатор частот (СЧ) с частотной модуляцией (ЧМ), построенный на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи, в котором модулирующий сигнал поступает на модулирующий вход генератора, управляемого напряжением (ГУН) [Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой, М.: Радио и связь, 2004. - 210 с.].   В таком СЧ можно получить на выходе частотно-модулированный сигнал с практически неограниченной сверху по частоте полосой модуляции. Недостаток его состоит в ограничении снизу диапазона модулирующих частот из-за действия обратной связи в кольце ИФАПЧ. Частотная модуляция ГУН по его модуляционному входу воспринимается кольцом ИФАПЧ как внутреннее возмущение, которое по цепи обратной связи отрабатывается (компенсируется) в сторону уменьшения. Эта компенсация происходит в полосе пропускания кольца ИФАПЧ и определяется фильтром нижних частот (ФНЧ) цепи управления ГУН, то есть на нижних частотах. Для расширения диапазона частот модуляции в сторону низких частот необходимо сужать полосу пропускания кольца ИФАПЧ, то есть делать ФНЧ на выходе частотно-фазового детектора (ЧФД) более инерционным, а это приводит к снижению быстродействия и помехоустойчивости СЧ.
При модуляции СЧ по опорному каналу с помощью подачи модулирующего сигнала на отдельный модуляционный вход опорного кварцевого генератора (ОКГ) этот сигнал является внешним возмущением для системы ИФАПЧ. Система ИФАПЧ синтезатора при этом ведет себя как эквивалентный ФНЧ относительно модулирующего воздействия, то есть происходит «завал» амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) СЧ на высоких частотах. Для уменьшения этих искажений АЧМХ необходимо расширение полосы пропускания системы ИФАПЧ в сторону высоких частот. Однако при этом значительно ухудшается фильтрация помех в спектре выходного сигнала с частотой сравнения и ее гармоник.
Одним из путей получения равномерной АЧМХ с сохранением высокого быстродействия синтезатора при сравнительной простоте схемной реализации является осуществление частотной модуляции одновременно в ГУН и ОКГ. Схемная реализация этого пути приведена в патенте на полезную модель № 29628 от 20.12.2002г. «Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией», который может рассматриваться как аналог. Недостатком аналога является невозможность расширения диапазона модуляционной частоты в области низких частот при сохранении динамических свойств системы ИФАПЧ и получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модуляционных частот. Это объясняется тем, что полоса модуляции в области нижних модулирующих частот ограничивается полосой пропускания ФНЧ цепи управления ГУН, которую нельзя сделать очень узкой из-за возможности неустойчивой работы СЧ и очень медленного его вхождения в синхронизм. На практике, для работы СЧ на основе ИФАПЧ в режиме ЧМ, желательна полоса частот кольца для прохождения речевого сигнала ниже полосы в телефонном канале (300…3400 Гц), в которой должна происходить автоподстройка системы. В то же время для современных систем связи с ЧМ в ряде случаев необходимо, чтобы нижняя частотная граница модуляции была практически вплотную приближена к нулевой (постоянной) составляющей. Это требование обычно предъявляется к системам связи, в которых используется последовательность импульсов модулирующего сигнала с большой длительностью отдельных импульсов (отдельных «единиц» и «нулей»), чтобы вершина («крыша») импульса, которую определяют очень низкие частоты модуляции, не имела большой «завал», иначе при радиоприеме сообщения информация будет сильно искажена.
Технически наиболее близким к предлагаемому является, принятый за прототип, синтезатор частот с двухточечной модуляцией с применением модема CMX7143 [http://jp.datasheethome.com/pdf/CMX7143.html] для беспроводной передачи данных в SDR приложениях, в котором модулирующий сигнал вводится одновременно на модуляционные входы ГУН и ОКГ, то есть в две точки схемы.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1-модем с источником сигналов модуляции на две точки (МИСМ);
2-опорный кварцевый генератор (ОКГ) с отдельным модуляционным входом;
3-делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
4-частотно-фазовый детектор (ЧФД);
5-фильтр нижних частот (ФНЧ);
6-делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
7-генератор, управляемый напряжением (ГУН), с отдельным модуляционным входом;
8-интегральная микросхема (ИМС).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные модем с источником сигналов модуляции на две точки 1, ОКГ 2, ДФКД 3, ЧФД 4, ФНЧ 5, ГУН 7, второй отдельный модуляционный вход ГУН 7 соединён с первым выходом MOD1 МИСМ1. Второй выход - MOD2 МИСМ1 подключён к отдельному модуляционному входу ОКГ 2. Выход ГУН 7 соединён с входом ДПКД 6, выход которого соединён с вторым входом    ЧФД 4. В составе блок-схемы устройства-прототипа используется интегральная микросхема 8 типа SKY72300 компании SkyworksSolutions, в составе которой объединены ДФКД 3, ЧФД 4 и ДПКД 6. Следует отметить, что в устройстве-прототипе применяется внешний ГУН 7 с отдельным модуляционным входом. Таким образом, на основе этих узлов и блоков образовано кольцо ИФАПЧ синтезатора частот с двухточечной частотной модуляцией.
Устройство-прототип работает следующим образом. Модулирующий сигнал в модеме МИСМ 1 расщепляется на два канала модуляции MOD1 и MOD2 с использованием двух точек ввода модуляции: на модуляционный вход ГУН 7 и модуляционный вход ОКГ 2. Внутри МИСМ 1 стоят по этим двум каналам цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), формирующие сигналы с необходимым уровнем на выходах MOD1 и MOD2. По выходу MOD1 подается модулирующий сигнал в полосе выше частоты среза кольца ИФАПЧ, а по выходу MOD2 – ниже частоты среза кольца ИФАПЧ. Тем самым обеспечивается плоская АЧМХ независимо от величины частоты среза кольца ИФАПЧ за счет сшивания низкочастотной и высокочастотной АЧМХ характеристик по каналам MOD1 и MOD2 относительно частоты среза кольца. Однако этой схеме реализации двухточечной модуляции присущи некоторые существенные недостатки:
- в схеме необходимо использование ОКГ с отдельных модуляционным входом, наличие которого снижает нагруженную добротность колебательного контура генератора ОКГ 2. Это ухудшает стабильность частоты, способствующей нарастанию фазовых шумов. В свою очередь эти обстоятельства значительно и не лучшим образом влияют на выходной сигнал СЧ в целом.
- из-за изменения коэффициента деления частоты цепи обратной связи при смене выходной частоты, нелинейности модуляционных характеристик ОКГ 2 и ГУН 7 по двум каналам модуляции MOD1 и MOD2 необходимо корректировать усиление модулирующих сигналов для обеспечения равномерности АЧМХ.
- в схеме двухточечной модуляции требуется применение вновь разрабатываемых уникальных или серийных дорогостоящих генераторов ОКГ 2 и ГУН 7, имеющих отдельные модуляционные входы. Выпуск последних с отдельным входом модуляции весьма ограничен.
- с технологической точки зрения требуется попарная программная регулировка усиления по двум каналам модуляции MOD1 и MOD2 из-за разброса нелинейностей модуляционных характеристик ОКГ 2 и ГУН 7.
Задачей изобретения является расширение диапазона моделирующих частот в область нижних частот при упрощении устройства. В синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединённые ОКГ, ДФКД, ЧФД, ФНЧ, ГУН, выход которого соединён со вторым входом ДПКД, выход которого соединён со вторым входом ЧФД, введено устройство предварительных искажений (УПИ), вход которого соединён с первым выходом модема, а выход УПИ соединён с вторым входом ФНЧ.
Тем самым предлагается новая, простая схема одноточечной частотной модуляции, основанная на компенсации глубины обратной связи системы ИФАПЧ за счет внесения с помощью УПИ линейных предварительных искажений модулирующего сигнала для компенсации работы кольца ИФАПЧ как фильтра верхних частот относительно модулирующего сигнала только одного канала модуляции MOD1 не на отдельном модуляционном, а на основном управляющем входе ГУН в одной точке цепи управления и сопряжения с ФНЧ.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1-модем с источником сигналов модуляции на две точки (МИСМ);
2-опорный кварцевый генератор (ОКГ) без отдельного модуляционного входа;
3-делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
4-частотно-фазовый детектор (ЧФД);
5-фильтр нижних частот (ФНЧ);
6-делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
7-генератор, управляемый напряжением (ГУН) без отдельного модуляционного входа;
8-интегральная микросхема;
9-устройство предварительных искажений (УПИ).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные      ОКГ 2, ДФКД 3, ЧФД 4, фильтр нижних частот 5, ГУН 7. Выход ГУН 7 соединён с входом ДПКД 6, выход которого соединён со вторым входом ЧФД 4. Первый выход МИСМ 1 соединён с входом УПИ 9, выход которого соединён со вторым входом ФНЧ
В составе блок-схемы предлагаемого устройства используется, например, ИМС типа LMX2592 компании TexasInstruments, в составе которой объединены ДФКД 3, ЧФД 4, ДПКД 6 и ГУН 7. Таким образом, на основе этих узлов и блоков образовано кольцо ИФАПЧ синтезатора частот с одноточечной частотной модуляцией. Причем используется ГУН 7 интегрированный, в ИМС 8 и ОКГ без отдельных модуляционных входов. Следовательно, на основе этих узлов и блоков образовано кольцо ИФАПЧ синтезатора частот с одноточечной частотной модуляцией. Модуляционный сигнал с выхода MOD1 модема МИСМ 1 через УПИ 9 прикладывается только в одну точку цепи управления и сопряжения внешнего ФНЧ 5 со встроенным ГУН 7 в ИМС 8.
На фиг. 3 представлена подробная схема реализации УПИ 9 в составе ЧМ синтезатора с ИФАПЧ, включающий в себя два идентичных ФНЧ 5 и дополнительные RC-цепочки.
1
1.1
1.2
1
1.1
1.2
4
4
3
Предлагаемое устройство, приведённое на фиг.2 с учётом раскрытия УПИ 9, работает следующим образом. Диапазон частот сигнала модуляции может быть снижен до частоты ниже ширины полосы пропускания кольца ИФАПЧ, так как схема УПИ 9 осуществляет компенсацию глубины обратной связи кольца ИФАПЧ с помощью включения в нее второго ФНЧ 5 и, следовательно, успешного подавления помех с частотой сравнения и высоко частотных составляющих сигнала модуляции в ЧФД 4. Поэтому влияние второго ФНЧ 5 ухудшает АЧМХ по модуляции в области верхних частот. Следовательно, это взаимодействие должно быть также компенсировано цепочкой из двух резисторов с одинаковым сопротивлением Rи конденсаторов Си С. Значение сопротивления резистора Rопределяется соотношением где  - минимальная частота модулирующего сигнала МОD1. Значения емкостей конденсаторов Си Сопределяются средним значением крутизны характеристики управления ГУН 7 и требуемым значением девиации частоты выходного ЧМ сигнала. Резистор R и конденсатор С включены для компенсации нагрузки ФНЧ 5 в цепи управления ГУН 7. Конденсатор С также играет роль в блокировании утечки напряжения по постоянному току на выходе ГУН 7 в УПИ 9. ФНЧ5 третьего порядка выбирается с целью достаточного затухания помех с частотой сравнения в ЧФД 4. Резистор R в сочетании с паразитной емкостью на входе ГУН может увеличить порядок ФНЧ 5. Для получения незначительного влияния на ФНЧ 5 резистор Rустанавливается для предотвращения прямой нагрузки паразитной емкости на входе ГУН 7 на емкость конденсатора С.
Сигнал модуляции MOD1 на выходе блока УПИ 9 понижается и передается на ГУН 7 с искажением его частотной характеристики. Чтобы получить оптимальное значение сопротивления R и емкости С из многих возможных вариантов, была смоделирована и отрегулирована схема, представленная на фиг.3, для передачи речевых сообщений при плоской АЧМХ. Наилучшая характеристика получается при С=680нФ и R=33кОм. Применение УПИ 9 в СЧ с ИФАПЧ, построенного по описанной выше схеме с введением ЧМ, позволяет существенно расширить вниз полосу модулирующих частот. При этом в УПИ 9 используются простые схемотехнические решения и дешевые комплектующие.
Предложена недорогая и практическая схема ЧМ СЧ с ИФАПЧ с учётом плоской АЧМХ на базе компенсации обратной связи. Методика расчета элементов УПИ проста и охватывает не только определение АЧМХ, но и максимальную девиацию.
Таким образом, в предлагаемом синтезаторе частот с частотной модуляцией имеется возможность значительно расширить диапазон модулирующих частот в область нижних частот (в предельном случае приближающийся к нулевой частоте) и получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями преимущественно высокой чистоте спектра выходного сигнала. При этом, появляется возможность отказа от двух точечного способа модуляции, требующего прецизионного выравнивания усиления с помощью ЦАП по двум каналам модуляции.