СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ
FREQUENCY SYNTHESISER

Предлагаемое устройство относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для преобразования частот, модуляции и формирования радиосигналов.
Для приема, передачи и обработки сигналов используются синтезаторы частот, основные требования к которым диапазон перестройки, шаг изменения частоты и быстродействие, а также чистота спектра выходного колебания. Построению и работе синтезаторов посвящено большое количество литературы, например [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7].
В качестве аналога предлагаемого устройства может быть принят синтезатор из литературы [3], рассмотренный в гл.4 с.250-254. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В.Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2003. - 560 с.: ил.
Авторы выделили следующие режимы работы синтезатора:
1. Режим удержания (захвата), в котором изменение частоты синтезатора происходит настолько медленно, что кольцо ФАП успевает отслеживать эти изменения.
2. Работа синтезатора в режиме перестройки частоты. В котором на первом этапе перестройки в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) возникают биения. Характерной особенностью этапа биений является непрерывное нарастание в среднем разности фаз подстраиваемого и эталонного генераторов. Этап биений в режиме перестройки частоты всегда наблюдается в тех случаях, когда начальная расстройка ГУН относительно эталонного генератора (ЭГ) больше полосы в режиме удержания.
Работа синтезатора в режиме перестройки частоты определяется окончанием первого этапа, т.е. переходом из режима биений с течением времени во второй этап режима перестройки частоты - в режим удержания или квазисинхронизма. Это происходит, если начальная расстройка не выходит за пределы полосы захвата, то постоянная составляющая снижает частоту биений до нуля и возникает этап удержания. Если же начальная расстройка превышает полосу захвата, то постоянная составляющая напряжения недостаточна для ее полной компенсации и в системе этап биений не прекращается.
Таким образом, режим переключения синтезатора на новую частоту происходит через этап биений и, следовательно, занимает длительное время. Ниже приводиться оценка этого времени из [4].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является синтезатор, представленный в [4] на с.271-273, рис.4.7, принятый за прототип.
В синтезаторе-прототипе в режиме переключения на новую частоту выделено два этапа: этап биений и этап удержания частоты (захвата).
Функциональная схема устройства-прототипа, изображенная на рис.4.7 из [4], с некоторыми уточнениями приведена на фиг.1, где обозначено:
1 - опорный генератор (ОГ);
2 - делитель с переменным коэффициентом деления частоты ОГ (ДПКДО);
3 - фазовый детектор (ФД);
4 - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
5 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
6 - фильтр низкой частоты (ФНЧ);
7 - блок управления;
8 - интегратор (И);
9 - масштабный усилитель (МУ);
10 - сумматор (С).
Уточнения следующие: управление делителями осуществляется блоком управления, функции которого в [4] показаны в виде стрелочек N и М (что означает команды на деление по частоте на число N или М), наличие такого блока отмечено в [2] с.33. Кроме того, в функциональной схеме (фиг.1) конкретизирован ФНЧ 6, который представлен в виде интегрирующего фильтра, состоящего из интегратора 8, масштабного усилителя 9 и сумматора 10, возможность такого представления изложена, например, в [7] с.15, [4] с.277, [8] и др.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные ОГ 1, делитель ДПКДО 2 и ФД 3, выход которого соединен с входом ФНЧ 6, выход которого соединен с входом ГУН 5, выход которого является выходом синтезатора, а так же через делитель ДПКД 4 соединен со вторым входом ФД 3. Кроме того, первый выход блока управления 7 соединен с управляющим входом ДПКДО 2, а второй выход блока управления 7 соединен с управляющим входом ДПКД 4.
При описании работы в некоторых случаях для упрощения будем рассматривать ФНЧ 6, не раскрывая его структуры, однако, будем считать, что структура ФНЧ 6 реализуется только в виде блока, состоящего из интегратора 8 и масштабного усилителя 9, входы которых соединены, а выходы подключены к входу сумматора 10, выход которого - выход ФНЧ 6.
Синтезатор-прототип работает следующим образом.
Выходное напряжение ОГ 1 подается на вход делителя ДПКДО 2, коэффициент деления которого устанавливается в соответствии с командой с первого выхода блока управления 7, подающейся на управляющий вход ДПКДО 2, выходное напряжение которого подается на первый вход фазового детектора 3, на второй вход которого подается выходное напряжение ДПКД 4, на вход которого подается гармоническое напряжение ГУН 5. Коэффициент деления ДПКД 4 устанавливается в соответствии подаваемой на его управляющий вход командой от второго выхода блока управления 7, а выходное напряжение фазового детектора 3 через ФД 6 подается на управляющий вход ГУН 5. В работе синтезатора можно выделить два режима: первый - режим захвата частоты и второй - режим перестройки на новую частоту.
В первом режиме, т.е. при совпадении по частоте и по фазе напряжения ДПКДО 2 и напряжения ДПКД 4 на первом и втором входах фазового детектора 3, его выходное напряжение равно нулю, а напряжение, управляющее частотой ГУН 5 на выходе ФНЧ 6, поддерживает частоту ГУН 5, которая обеспечивает равенство нулю выходного напряжения фазового детектора 3. Если фаза напряжения на выходе ДПКДО 2 медленно меняется, то возникающий на выходе фазового детектора 3, а следовательно, и на выходе ФНЧ 6 сигнал, подключенный к управляющему входу ГУН 5, меняет его частоту и фазу таким образом, что разность по частоте и по фазе напряжения ДПКДО 2 и напряжения ДПКД 4 на первом и втором входах фазового детектора 3 становится равной нулю, а его выходное напряжение также принимает нулевое значение.
Во втором режиме - перестройки частоты синтезатора - работа кольца ФАП иная. Согласно [4] настройка частоты синтезатора проходит в два этапа: первый этап биений и второй - подстройка фазы в пределах линейности характеристики фазового детектора.
В соответствии с [4] с.277 для перехода на другую рабочую частоту производится переключение коэффициента деления ДПКД 4 по команде со второго выхода схемы управления 7 и коэффициента деления ДПКДО 2 по команде с первого выхода схемы управления 7. В этом случае напряжения на входах фазового детектора 3 не совпадают по частоте и фазе, и на его выходе сигнал отличается от нуля.
пер
В результате в кольце авторегулирования ФАПЧ: блоки ФД 3, ФНЧ 6, ГУН 5, ДПКД 4, возникает переходный процесс. Переходный процесс, как отмечалось выше, имеет два этапа. На первом из них (длительностью τ) частота подстраиваемого генератора приближается к частоте опорного генератора, а разность фаз изменяется на несколько периодов. Этап биений.
пер
На втором этапе переходного процесса разность фаз изменяется в пределах "участка характеристики ФД с положительным наклоном, а затем устанавливается ее постоянное значение фазы" [4]. В соответствии с [4] "Значение τ составляет обычно 30…50 периодов частоты сравнения" [4].
Время второго этапа значительно меньше и автором не учитывается.
Итак, синтезатор-прототип имеет длительный переходный период, т.е. работает не эффективно в режиме перестройки синтезатора на другую частоту.
Задачей является уменьшение длительности переходного процесса при установлении частоты синтезатора.
Для решения поставленной задачи в синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные опорный генератор (ОГ), делитель с переменным коэффициентом деления частоты ОГ (ДПКДО) и первый фазовый детектор (ФД), последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением (ГУН) и делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), причем выход ГУН является выходом устройства, а также фильтр низкой частоты (ФНЧ) и блок управления (БУ), первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами ДПКДО и ДПКД соответственно, согласно изобретению, введены последовательно соединенные второй ФД, запоминающее устройство (ЗУ) и фазовращатель, выход которого соединен со вторым входом первого ФД; последовательно соединенные блок управления постоянным напряжением (БУПН) и источник управляемого постоянного напряжения (ИУПН), выход которого подсоединен ко второму входу второго сумматора, выход которого соединен с входом ГУН, кроме того, последовательно соединенные формирователь стартового импульса (ФСИ) и линию задержки (ЛЗ), выход которой соединен со вторыми входами ЗУ и коммутатора, третий вход которого подсоединен к выходу ФСИ, при этом второй выход блока управления соединен с входами БУПН и ФСИ, ФНЧ включен между выходом коммутатора и первым входом второго сумматора, кроме того, выход ДПКД соединен со вторыми входами фазовращателя и второго ФД.
Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где обозначено:
1 - опорный генератор (ОГ);
2 - делитель с переменным коэффициентом деления частоты ОГ (ДПКДО);
3, 17 - первый и второй фазовые детекторы (ФД);
4 - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
5 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
6 - фильтр низкой частоты (ФНЧ);
7 - блок управления (БУ);
8 - интегратор (И);
9 - масштабный усилитель (МУ);
10, 12 - первый и второй сумматоры;
11 - коммутатор;
13 - фазовращатель (ФВр);
14 - запоминающее устройство (ЗУ);
15 - линия задержки (ЛЗ);
16 - источник управляемого постоянного напряжения (ИУПН);
18 - формирователь стартового импульса (ФСИ);
19 - блок управления постоянным напряжением (БУПН).
Предлагаемый синтезатор частот содержит последовательно соединенные ОГ 1, ДПКДО 2, первый ФД 3, коммутатор 11, ФНЧ 6, второй сумматор 12 и ГУН 5, выход которого является выходом устройства. Кроме того, последовательно соединенные второй ФД 17, ЗУ 14 и ФВр 13, выход которого соединен со вторым входом первого ФД 3; последовательно соединенные БУПН 19 и ИУПН 16, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 12; последовательно соединенные ФСИ 18 и линию задержки 15, выход которой подключен ко вторым входам коммутатора 11, и ЗУ 14, причем выход ФСИ 18 соединен с третьим входом коммутатора 11. Первый выход блока управления 7 подсоединен к управляющему входу ДПКДО 2, второй выход блока управления 7 соединен с входами ФСИ 18, БУПН 19 и вторым (управляющим) входом ДПКД 4, выход которого соединен со вторым входом фазовращателя 13 и со вторым входом второго ФД 17, первый вход которого подсоединен к выходу ДПКДО 2. При этом выход ГУН 5 соединен со входом ДПКД 4. ФНЧ 6 выполнен аналогично приведенному в описании прототипа.
В предлагаемом синтезаторе, как и синтезаторе прототипе, работа в первом режиме - удержания (захвата) принципиально не отличается. Работа во втором режиме - переходные процессы в кольце ФАП происходят иначе.
Для пояснения физики переходных процессов в кольце ФАП воспользуемся результатами работы [8]. В работе [8] определены временные зависимости установления фазы (переходные процессы) в синтезаторе частот. Отметим, что в [8] решения получены при идеализации характеристик фазового детектора, т.е. при отсутствии ограничений линейности фазового детектора каким-либо отрезком, например (-π, π). Ниже будет показано, что вопрос данной идеализации характеристики ФД носит методический характер и не влияет на работу предлагаемого устройства.
Так как целью [8] является определение переходного процесса кольца ФАП, то функциональная схема синтезатора упрощена (отсутствуют блоки ДПКД и ДПКДО, можно считать ДПКД включенным в состав ГУН, а ОГ и ДПКДО образуют источник опорного сигнала (ОС) соответственно, а решение найдено в виде изменений напряжения на входе фазового детектора.
Функциональная схема синтезатора согласно [8] приведена на фиг.3, где обозначено:
1 - источник опорного сигнала (ОС);
5 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
3 - фазовый детектор (ФД);
6 - интегрирующий фильтр;??
9 - масштабный усилитель (МУ);
8 - интегратор (И);
10 - сумматор.
Согласно [8] переходной процесс определяют, во-первых, параметры кольца ФАП, а, во-вторых, начальные условия.
К параметрам кольца ФАП относятся:
0
ГУН
И
ФД
1/2
1. Частота собственных колебаний ω=(kkk),
ГУН
И
ФД
где k, k, k - коэффициенты передачи ГУН, интегратора и фазового детектора соответственно.
0
ГУН
1
ФД
1
2. Постоянная времени затухания кольца τ=l/(kkk), где k - коэффициент передачи масштабного усилителя.
1
ГУН
ФД
И
1/2
3. Декремент затухания d=k(kk/k).
К начальным условиям относятся фазы и частоты сигналов, действующих на кольцо ФАП напряжений, а именно:
1. Начальная разность фаз φ(0) между гармоническими сигналами на входах ФД.
2. Нормированная начальная разность частот этих же сигналов (конкретно нормированная разность частот b).
Для удобства изложения результатов в работе [8] проведена нормировка и введены следующие обозначения.
0
0
Нормированное время τ=ωt; нормированная разность частот (фазовый угол) между гармоническими сигналами на входах ФД b=g/ω, g - начальное отклонение частоты гармонического напряжения на выходе ГУН от частоты гармонического напряжения ОС.
ОГ
Сначала приведем пример из [8] - переходный процесс, в котором в начальный момент изменяется только постоянная составляющая фазы опорного колебания φ(0). (Точнее имеется в виду изменение разности фаз на входах ФД 3, но для краткости сохраним прежнюю формулировку).
ОГ
Три кривые установления фазы φ(τ) на выходе ГУН приведены на фиг.4 при скачке фазы φ(0) опорного колебания на 1, 0,2 и 1,5 радиан соответственно.
ОГ
Из фиг.4 легко видеть, что зависимость разности фаз на входах ФД 3 от τ состоит из двух слагаемых - вынужденной составляющей (постоянной величины), в рассматриваемом случае 1, 0,2 и 1,5, и второго слагаемого - свободного колебания: затухающей косинусоиды. Максимальная амплитуда колебания фазы равна по величине и противоположна по знаку постоянной величине φ(0).
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
Максимальное отклонение фазы, как видно из фиг.4, составляет величину, близкую к 2 φ(0). В рассматриваемых на фиг.4 случаях изменение фазы φ(τ) не выходит за рамки линейности ФД устройства-прототипа [4], т.е. не превышает ±π, однако при φ(0) больше 2 амплитуда изменения фазы должна превышать область ±π. Этот факт приведет к переходу в режим биений. Важно отметить, что при φ(0)≤π фаза φ(τ) не выходит за пределы линейного участка ФД, равного ±π. Следует отметить, что время переходного процесса не зависит от величины φ(0). Однако абсолютная величина изменений фазы связана с φ(0) линейно. Таким образом, при φ(0)=0,5 величина отклонений фазы не превысит 1 (см. фиг.4). При других значениях φ(0) это свойство сохраняется, например, при φ(0)=0,1 величина отклонений фазы не превысит 0,2. В практике отклонением фазы 0,2 (11°) можно пренебречь. Однако следует учитывать, что это отклонение фазы на входе фазового детектора кольца ФАП, а отклонение фазы на выходе ГУН в синтезаторах, соответствующих функциональной схеме фиг.2, будет больше в коэффициент деления ДПКД, что необходимо учитывать.
Рассмотрим второй случай - в начальный момент изменяется только частота b на выходе ОГ 1. Как и в предыдущем случае, решение состоит из вынужденной и свободной составляющих. Итак, изменение фазы на выходе ГУН может быть представлено как сумма φ(τ)=η(τ)+bτ, где bτ характеризует увеличение частоты ГУН на b, а фаза η(τ) переходный процесс, т.е. отличие φ(τ) от bτ.
0
Согласно [8] зависимости η(τ), η1(τ), η2(τ), при b=1, b=-1 и b=0,2 соответственно имеют вид, представленный на фиг.5. Кривые η(τ), η1(τ), η2(τ) имеют вид затухающей синусоиды с частотой ω, а максимальная амплитуда колебания фазы не превосходит величину b.
Отметим, что в рассматриваемых на фиг.5 случаях изменение фазы η(τ) не выходят за рамки линейности ФД устройства-прототипа [4], т.е. за пределы ±π. Однако при b больше π амплитуда изменения фазы должна выйти из области ±π. Этот факт приведет к переходу в режим биений.
ОГ
ОГ
ОГ
ОГ
При одновременном изменении φ(0) и b согласно [8] изменение фазы равно сумме затухающих гармонических колебаний φ(τ) и η(τ) от φ(0) и b соответственно. Следовательно, максимальная амплитуда отклонения фазы составит |2φ(0)+b|. Таким образом, при |2φ(0)+b|≤π переходные процессы будут в зоне линейности ФД, в этом случае исключается этап биений. Отметим, что пределы линейности выбраны ±π, согласно данным [4], изменение их на другую величину непринципиально.
ОГ
Таким образом, для уменьшения времени установления частоты требуется работать в режиме с малыми величинами φ(0) и b, именно это обеспечивает предлагаемое устройство.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
Работа в первом режиме - захвата, принципиально не отличается от работы прототипа.
Выходное напряжение ОГ 1 подается на первый вход ДПКДО 2, в котором его частота делится на заданное командой от блока управления 7 число раз, выходное напряжение ДПКДО 2 подается на первые входы фазовых детекторов 3 и 17, на вторые которых подключено выходное напряжение с ДПКД 4, сформированное из напряжения ГУН 5, путем деления этого напряжения по частоте в заданное командой от блока управления 7 число раз, причем напряжение ДПКД 4 подается непосредственно на второй вход ФД 17, а на второй вход ФД 3 напряжение ДПКД 4 подается через фазовращатель 13, величина фазы установлена в соответствии с командой ЗУ 14. Выходное напряжение ФД 3 через включенный коммутатор 11 подается на вход ФНЧ 6 и интегрируется (фильтруется) в нем, а затем суммируется в сумматоре 12 с постоянным напряжением источника 16 и подключается к входу ГУН 5. Блок управления 7 команду на изменение коэффициента деления блока ДПКД 4 не выдает, а следовательно нет команды на формирователь 18, который в свою очередь команды на начало поиска не вырабатывает, по этой причине ЛЗ 15 не вырабатывает команду на изменение состояния ЗУ 14 и коммутатора 11. Коммутатор 11 соединяет выход ФД 3 со входом ФНЧ 6. Блоки 19, 16 и 12 не меняют своего состояния.
Таким образом, кольцо ФАП замкнуто и удерживает на входе ФД 3 разность фаз между выходными напряжениями ДПКДО 2 и ДПКД 4 равной нулю, при этом напряжение на выходе ФД 3 тоже равно нулю, а частота выходного напряжения ГУН 5 равна частоте выходного напряжения на выходе ГУН 5, умноженной на коэффициент деления ДПКД 4.
Во втором режиме - режиме перестройки частоты синтезатора, блок управления 7 выдает команду на изменение коэффициента деления ДПКДО 2 и выдает команду на формирование стартового импульса блоком 18 на изменение коэффициента деления ДПКД 4, на формирование в БУПН 19 команды на изменение напряжения на выходе ИУПН 16. Стартовый импульс от блока 18 запускает линию задержки 15, отключает коммутатор 11 от выхода ФД 3 и подключает вход ФНЧ 6 к «земле».
При перечисленных условиях работа во втором режиме (перестройки частоты синтезатора) происходит следующим образом.
Выходное напряжение ОГ 1 подается на вход ДПКДО 2, в котором его частота делится в заданное командой от блока управления 7 число раз, выходное напряжение ДПКДО 2 подается на первые входы фазовых детекторов ФД 3 и ФД 17, на вторые входы которых подключено выходное напряжение от ДПКД 4, сформированное из напряжения ГУН 5, путем деления этого напряжения по частоте в заданное командой от блока управления 7 число раз, причем на второй вход ФД 17 входное напряжение ДПКД 4 подается непосредственно, а на второй вход ФД 3 - через фазовращатель 13. Командой с формирователя стартового импульса 18 коммутатор 11 отключает ФД 3 от ФНЧ 6 и подключает вход ФНЧ 6 на «землю». Выходное напряжение ФД 17 меняется в соответствии с разностью фаз между напряжениями на первом и втором входах, это напряжение записывается в ЗУ 14 при прохождении времени, равного величине задержки, линия задержки 15 вырабатывает импульс, который фиксирует напряжение на выходе ЗУ 14, в соответствии с этим напряжением фазовращатель 13 изменяет фазу выходного сигнала ДПКД 4, таким образом, что разность фаз напряжений ДПКДО 2 и фазовращателя 13 будут близки к нулю. По этой же команде от ЗУ 14 коммутатор 11 отключает вход ФНЧ 6 от «земли» и подключает его к выходу ФД 3, таким образом, кольцо ФАП замыкается и начинается переходный процесс, в результате которого предлагаемое устройство переходит в режим синхронизации. Так как начальные условия для переходного процесса: фаза близка к нулю, а отличие по частоте, нормированной частоте b, меньше 1, то при линейной фазовой характеристике ФД ±π режим биений невозможен и обеспечивается малое время перехода в устойчивое состояние. Таким образом, предлагаемое устройство работает эффективно.
Источники информации
1. Радиопередающие устройства. Шахгильдян В.В., Козырев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 432 с.: ил.
2. Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ./Под ред. Галина. М.: Связь, 1979. - 384 с. ил.
3. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/ В.В.Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2003. - 560 с.: ил.
4. Генерирование колебаний и формирование радио сигналов. Под ред. В.Н.Кулешова и Н.Н.Удальцова. - М.: Издательский дом МЭИ. 2008. - 416 с.: ил.
5. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ-сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. - М.: Радио и связь, 2004. - 210 с.: ил.
6. Системы фазовой синхронизации / Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н. и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна, Л.Н.Белюстиной - М.: Радио и связь, 1982 - 288 с., ил.
7. Капранов М.В. Элементы теории систем фазовой синхронизации. - М.: Издательство МЭИ, 2006. - 208 с.
8. Бокк О.Ф. Свойства идеализированного кольца фазовой автоподстройки. Теория и техника радиосвязи: науч. - техн. журнал / ОАО «Концерн «Созвездие». - Воронеж, 2011. - №1. - С.109-116.