Быстродействующий синтезатор частот с частотной модуляцией

Предлагаемое устройство 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 модуляционный 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 неограниченным сверху диапазоном модулирующих частот.
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 нижних 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, реализация которой представлена в патенте № 29628 Н03С 3/10, Н03L 7/18 «Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией».
Недостатком известного устройства является невозможность расширения диапазона модулирующих частот в области низких частот при сохранении динамических свойств системы ИФАПЧ и невозможность получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 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, принятый за прототип.
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.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные ОКГ 2, ДФКД 3, ЧФД 4, ФНЧ 5 и ГУН 7, выход которого является выходом устройства и через ДПКД 6 соединен со вторым входом ЧФД 4. При этом первый выход Мод 1 МИСМ 1 соединен со вторым отдельным модуляционным входом ГУН 7. Второй выход Мод 2 МИСМ 1 подключён к отдельному модуляционному входу ОКГ 2.
В устройстве-прототипе ДФКД 3,ЧФД 4 и ДПКД 6 объединены и реализованы на интегральной микросхеме типа SKY72300 компании Skyworks Solutions.
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 Мод1 и Мод2 с использованием двух точек ввода модуляции: на отдельный модуляционный вход ГУН 7 и отдельный модуляционный вход ОКГ 2. Внутри МИСМ 1 в этих двух выходных каналах содержатся цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) (на фиг. 1 не показаны), формирующие сигналы с необходимым уровнем на выходах Мод1 и Мод2. С выхода Мод1 подается модулирующий сигнал в полосе выше частоты среза кольца ИФАПЧ, а на выходе Мод2 – 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 Мод1 и Мод 2 относительно частоты среза кольца. Однако устройству-прототипу с двухточечной модуляции присущи существенные недостатки:
- недостаточное быстродействие;
- в устройстве необходимо использование ОКГ 2 с отдельным модуляционным входом, наличие которого снижает нагруженную добротность колебательного контура генератора ОКГ 2, это ухудшает стабильность частоты и способствует 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 цепи обратной связи при смене выходной частоты изменяются нелинейности модуляционных характеристик ОКГ 2 и ГУН 7; по двум каналам модуляции Мод 1 и Мод 2 необходимо корректировать усиление модулирующих сигналов для обеспечения равномерности АЧМХ;
- в устройстве c двухточечной модуляцией требуется применение вновь разрабатываемых уникальных или серийных дорогостоящих генераторов ОКГ и ГУН, имеющих отдельные модуляционные входы, выпуск которых с отдельным входом модуляции весьма ограничен;
- с технологической точки зрения требуется попарная программная регулировка усиления по двум каналам модуляции Мод1 и Мод2 из-за разброса нелинейностей модуляционных характеристик ОКГ 2 и ГУН 7.
Задачей полезной модели является увеличение быстродействия СЧ при перестройке на другую рабочую частоту при уменьшении нижней частоты модулирующего сигнала почти до постоянной составляющей.
Для решения поставленной задачи в быстродействующий синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий модем, последовательно соединенные опорный кварцевый генератор, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор, а также первый фильтр нижних частот и последовательно соединённые генератор, управляемый напряжением (ГУН) и делитель с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, причем выход ГУН является выходом устройства, согласно изобретению, введены второй фильтр нижних частот, включенный между выходом частотно-фазового детектора и входом первого фильтра нижних частот, а также последовательно соединенные устройство предварительных искажений и согласующий резистор, один вывод которого подсоединен к входу генератора, управляемого напряжением, а точка соединения выхода устройства предварительных искажений и другого вывода согласующего резистора – к выходу первого фильтра нижних частот, кроме того, второй выход частотно-фазового детектора соединен с соответствующим входом коммутатора, два других входа которого соединены со вторыми выходами первого и второго фильтров нижних частот соответственно; выход коммутатора соединен с общей шиной, при этом выход модема соединен с входом устройства предварительных искажений.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, где введены следующие обозначения:
1 - модем с источником сигналов модуляции (МИСМ);
2 - опорный кварцевый генератор (ОКГ);
3 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
4 – частотно-фазовый детектор (ЧФД);
5, 8 – первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
6 – делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
7 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);
9 – устройство предварительных искажений (УПИ);
10 – коммутатор;
11 – согласующий резистор.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные ОКГ 2, ДФКД 3, ЧФД 4, второй ФНЧ 8, первый ФНЧ 5, согласующий резистор 11 и ГУН 7, выход которого является выходом устройства и через ДПКД 6 соединен со вторым входом ЧФД 4, второй выход которого соединен с соответствующим входом коммутатора 10, два других входа которого соединены со вторыми выходами первого 5 и второго 8 ФНЧ соответственно. Выход коммутатора 10 соединен с общей шиной. Выход МИСМ 1 через УПИ 9 соединен с выходом первого ФНЧ 5.
Таким образом, на основе перечисленных блоков образовано кольцо ИФАПЧ синтезатора частот с одноточечной частотной модуляцией. Модуляционный сигнал с выхода МИСМ 1 через УПИ 9 поступает только в одну точку цепи управления и сопряжения ФНЧ 5 со встроенным ГУН 7.
На фиг. 3 представлена схема реализации УПИ 9 в составе ЧМ синтезатора с ИФАПЧ, где обозначено:
9.1 – фильтр нижних частот (ФНЧ);
01
01
02
02
R, C, R, C – резисторы и конденсаторы первой и второй дифференцирующих RС-цепочек;
R, С, – резистор и конденсатор интегрирующей RС-цепочки.
01
01
02
02
Устройство предварительных искажений 9 содержит ФНЧ 9.1, на входе которого включена первая дифференцирующая RC- цепочка, состоящая из резистора Rи конденсатора C. Вторая дифференцирующая RС-цепочка, состоящая из резистора R и конденсатора C соединена с выходом ФНЧ 9.1. Выходы первой и второй дифференцирующих RС-цепочек подключены к входу интегрирующей RС-цепочки, состоящей из резистора R и конденсатора С. Выход интегрирующей RС-цепочки является выходом УПИ. Подробное описание дифференцирующих и интегрирующих RС- цепочек приведено в монографии Гоноровского И.С. «Радиотехнические цепи и сигналы» стр. 180, Москва, «Радио и связь» 1986 г.
На фиг.4 а) приведена схема первого фильтра нижних частот 5.
Вход фильтра ФНЧ 5 соединен с параллельно включенными конденсатором С1 и дифференцирующей RС-цепочкой, состоящей из последовательно соединенных резистора R2 и конденсатора С2. Вход резистора R2 кроме того соединен с интегрирующей RС- цепочкой, состоящей из последовательно соединенных резистора R3 и конденсатора С3.
На фиг.4 б) – приведена схема второго фильтра нижних частот 8.
'
'
'
Вход фильтра ФНЧ 8 соединен с параллельно включенными конденсатором С1 и дифференцирующей RС-цепочкой, состоящей из последовательно соединенных резистора R2 и конденсатора С2, выход соединен с коммутатором.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) работает следующим образом.
При переключении синтезатора частот с одной частоты на другую возникает переходный процесс (ПП). Сразу после начала перестройки СЧ коммутатор 10 по сигналу от ЧФД 4 отключает первый ФНЧ 5 от общей шины и подключает к общей шине второй ФНЧ 8 с малыми постоянными времени. При малых постоянных времени ФНЧ 8 система ИФАПЧ имеет широкую полосу пропускания. Во время использования системы ИФАПЧ с широкой полосой пропускания происходит оперативное изменение синтезируемой частоты к требуемому значению. При достижении состояния синхронизма системы ИФАПЧ сигнал от ЧФД 4 поступает на коммутатор 10, и происходит подключение к общей шине первого ФНЧ 5. В результате коммутации к ФНЧ 8 с малыми постоянными времени (с широкой полосой пропускания) подключается первый ФНЧ 5 с большими постоянными времени (с узкой полосой пропускания). Благодаря своевременному подключению к общей шине первого ФНЧ 5, длительность ПП становится значительно меньше.
Следует отметить, что постоянные времени второго ФНЧ 8 и первого ФНЧ 5 отличаются на порядки. Из-за такой большой разницы этих величин второй ФНЧ 8 с малыми постоянными времени не вносит существенного влияния в работу ФНЧ 5 в контуре регулирования системы ИФАПЧ в целом. После перестройки СЧ на новую частоту и установления режима синхронизма с выхода МИСМ 1 через УПИ 9 подается сигнал модуляции.
01
02
01
02
01
02
01
02
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 ФНЧ 5 с помощью включения в нее фильтра 9.1, идентичного ФНЧ 5, и, следовательно, успешного подавления помех с частотой сравнения и высокочастотных составляющих сигнала модуляции в ЧФД 4. Поэтому влияние ФНЧ 9.1 ухудшает АЧМХ по модуляции в области верхних частот. Следовательно, это взаимодействие должно быть также компенсировано двумя дифференцирующими RC-цепочками из двух резисторов с одинаковым сопротивлением R и R и конденсаторов Си С. Значение сопротивления резисторов R и R определяется соотношением где  – минимальная частота модулирующего сигнала МИСМ 1. Значения емкостей конденсаторов Си Сопределяются средним значением крутизны характеристики управления ГУН 7 и требуемым значением девиации частоты выходного ЧМ сигнала. Интегрирующая RC-цепочка (резистор R и конденсатор С) включена для компенсации нагрузки ФНЧ 9.1 в цепи управления ГУН 7. Конденсатор С в УПИ 9 также играет роль в блокировании утечки напряжения по постоянному току на входе ГУН 7. ФНЧ 5 третьего порядка выбирается с целью достаточного затухания помех с частотой сравнения в ЧФД 4. Для того чтобы паразитная емкость на входе ГУН 7 незначительно влияла на емкость конденсатора С3 устанавливается согласующий резистор 11. Также согласующий резистор 11 в сочетании с паразитной емкостью на входе ГУН 7 увеличивает порядок ФНЧ 5 на один.
Сигнал модуляции МИСМ 1 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=680 нФ и R=33 кОм. Применение УПИ 9 в СЧ с ИФАПЧ, построенного по описанной выше схеме с введением ЧМ, позволяет существенно расширить полосу модулирующих частот вниз. При этом в УПИ 9 используются простые схемотехнические решения и дешевые комплектующие.
Предложена недорогая 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 существенно увеличить быстродействие и значительно расширить диапазон модулирующих частот в область нижних частот (в предельном случае приближающийся к нулевой частоте), а также получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями выходного сигнала. Эта возможность достигается за счёт режима перестройки с широкой полосой пропускания ФНЧ и отказа от двухточечного способа модуляции, требующего прецизионного выравнивания усиления с помощью ЦАП по двум каналам модуляции.
Предлагаемое устройство может быть реализовано, например, на ИМС типа LMX2592 компании Texas Instruments, 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 интегрированный ГУН 7, и ОКГ 2 без отдельного модуляционного входа.