ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приемника без подачи модулирующего сигнала.
Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) 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 для получения модулированного по частоте сигнала на выходе синтезатора используется способ введения модулирующего информационного сигнала через интегратор на вход импульсно-фазового модулятора, включенного в опорном канале между делителем частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) и импульсно-фазовым детектором (ИФД) (см. Д.H.Шапиро, А.А.Паин «Основы теории синтеза частот», 1981, стр. 227).
Достоинством такого способа введения модуляции является возможность прохождения весьма низких модулирующих частот.
cp
cp
сp
ш
ш
Недостаток этого ЦСЧ заключается в ограничении полосы модуляции сверху величиной частоты среза в кольце ИФАПЧ, обусловленной в основном фильтром нижних частот (ФНЧ) на выходе ИФД (или чаще всего применяемого в настоящее время более совершенного частотно-фазового детектора (ЧФД). Причем частота среза этого ФНЧ зависит от частоты сравнения F на опорном входе ЧФД - чем ниже частота сравнения F, тем ниже требуется частота среза фильтра для получения требуемого подавления помехи с частотой сравнения в выходном сигнале. При этом частота сравнения F определяется заданным шагом сетки частот F, т.е. Fсp≤F. Поэтому при мелком шаге сетки частот происходит значительное ограничение сверху диапазона модулирующих частот в выходном сигнале синтезатора.
Второй недостаток этого ЦСЧ состоит в невозможности обеспечить стабильность частотной девиации модулированного сигнала во всем диапазоне рабочих частот синтезатора.
Известно, что система ИФАПЧ, на основе которой построен ЦСЧ, работает как умножитель частоты опорного сигнала с коэффициентом умножения, пропорциональным коэффициенту деления N ДПКД согласно формуле
cч
сp
oг
F=FN=(f/R)N,
сч
где F - частота на выходе синтезатора,
oг
f- частота на выходе опорного кварцевого генератора,
R - коэффициент деления ДФКД.
Поэтому любая девиация частоты опорного сигнала (от полезного модулирующего сигнала или от паразитного) умножается пропорционально N. При изменении N в широких пределах (в широкодиапазонных синтезаторах) также изменяется и девиация частоты модулированного сигнала на выходе синтезатора, что является большим недостатком особенно в системах подвижной радиосвязи. Увеличение уровня девиации частоты сверх оптимального значения приводит к возникновению взаимных помех в соседних радиоканалах, а уменьшение девиации приводит к ухудшению качества приема сигнала и дальности связи.
Известен также ЦСЧ с ЧМ, в котором модулирующий сигнал поступает на второй (модулирующий) вход управляемого генератора (см. патент США №4110707 Н 03 С 3/10, 1978). В таком ЦСЧ 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 управляемого генератора (УГ) по его модулирующему 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, определяемой петлевым фильтром нижних частот (ФНЧ), т.е. на нижних частотах. Для расширения диапазона частот модуляции в сторону низких частот необходимо сужать полосу пропускания кольца ИФАПЧ, т.е. делать ФНЧ на выходе ЧФД более инерционным, а это приводит к снижению быстродействия и помехоустойчивости ЦСЧ.
cp
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЦСЧ с частотной модуляцией (см. патент на полезную модель №29628 от 20 декабря 2002 года), в котором для формирования частотно-модулированного сигнала в широкой полосе модулирующих частот используется двухточечный способ, когда модулирующий сигнал поступает на модулирующий вход УГ и одновременно через управляемый аттенюатор (УА) на модулирующий вход управляемого опорного кварцевого генератора (УОКГ). При этом на выходе ДФКД, включенном между выходом УОКГ и вторым входом ЧФД, формируется поток коротких опорных импульсов с частотой сравнения F, модулированных по фазе так же, как импульсы с выхода ДПКД, полученные после деления частоты УГ в ДПКД на коэффициент деления N и поступающие на первый вход ЧФД. В результате сравнения этих двух потоков импульсов, одинаково модулированных по фазе, на выходе ЧФД не образуется сигнал ошибки от модуляции УГ и в управляющем сигнале на выходе ФНЧ практически нет составляющей от реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее воздействие УГ.
При этом равномерная амплитудно-частотная модуляционная характеристика (АЧМХ) получается в широком диапазоне из-за идентичности каналов прохождения модулирующего сигнала по УГ и УОКГ. Идентичность
достигается за счет действия УА при переключении частот синтезатора. В результате имеется принципиальная возможность получить высокое быстродействие при переключении частот и равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот.
Однако из-за широкой полосы пропускания петлевого ФНЧ получается недостаточное подавление помех с частотами, кратными частоте сравнения на управляющем входе УГ, что выражается в появлении паразитной частотной модуляции (ПЧМ) выходного сигнала УГ. Кроме того, ПЧМ увеличивается из-за влияния дестабилизирующих факторов на УОКГ. Все это особенно ухудшает двухсигнальную избирательность приемника, когда ЦСЧ работает в режиме перестраиваемого по частоте гетеродина приемника.
Целью предлагаемого технического решения является значительное уменьшение паразитной частотной модуляции выходного сигнала ЦСЧ при одновременном повышении быстродействия и получении равномерной АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот.
Поставленная цель достигается тем, что в ЦСЧ с частотной модуляцией, содержащий соединенные в кольцо управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, частотно-фазовый детектор и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора, управляемый опорный кварцевый генератор и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, источник модулирующего сигнала, выход которого соединен с модулирующим входом управляемого генератора и через управляемый аттенюатор с модулирующим входом управляемого опорного кварцевого генератора, блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления и с управляющим входом управляемого аттенюатора, введены последовательно соединенные первый инвертор, первый усилитель постоянного тока, ключ и первый фазовый модулятор, выход которого соединен с входом делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, а сигнальный вход соединен с выходом управляемого опорного кварцевого генератора, последовательно соединенные первый полосовой фильтр, интегратор, второй инвертор, второй усилитель постоянного тока, сумматор, второй фазовый модулятор, фазовый детектор, второй полосовой фильтр, третий усилитель постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом сумматора, а также индикатор синхронизма, вход которого соединен с выходом частотно-фазового детектора, а выход - с управляющим входом ключа. При этом вход первого инвертора соединен с выходом фильтра нижних частот и входом первого полосового фильтра, второй вход фазового детектора соединен с выходом управляемого генератора и вторым входом
второго фазового модулятора, выход которого одновременно является выходом устройства.
Существенным отличием предложенного технического решения является то, что с помощью введенных новых элементов, объединенных соответствующими связями с остальными узлами схемы, происходит значительное уменьшение паразитной частотной модуляции за счет автокомпенсации побочных составляющих опорного сигнала и за счет дополнительного подавления ПЧМ с частотами, кратными частоте сравнения ЧФД на выходе синтезатора. Это позволяет уменьшить инерционность ФНЧ, расширить полосу пропускания кольца ИФАПЧ и тем самым повысить быстродействие ЦСЧ. Одновременно осуществляется частотная модуляция в широком диапазоне модулирующих частот с минимальными искажениями.
Таким образом, по сравнению с прототипом происходит существенное улучшение спектральных, модуляционных и динамических характеристик ЦСЧ.
Заявителю не известны решения со сходными признаками и аналогичными свойствами. В связи с этим можно считать, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
На фиг.1 представлена блок-схема ЦСЧ с частотной модуляцией.
ЦСЧ с ЧМ содержит соединенные в кольцо управляемый генератор УГ 1, делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД 2, частотно-фазовый детектор ЧФД 3 и фильтр нижних частот ФНЧ 4, выход которого соединен с управляющим входом УГ 1, последовательно соединенные управляемый опорный кварцевый генератор УОКГ 5, первый фазовый модулятор ИФМ 6 и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления ДФКД 7, выход которого соединен со вторым входом ЧФД 3, источник модулирующего сигнала ИМС 8, выход которого соединен с модулирующим входом УГ 1 и через управляемый аттенюатор УА 9 с модулирующим входом УОКГ 5, блок установки частоты БУЧ 10, выход которого соединен с установочным входом ДПКД 2 и с управляющим входом УА 9, последовательно соединенные первый инвертор ИНВ 11, первый усилитель постоянного тока УПТ 12 и ключ Кл 13, выход которого соединен с модулирующим входом первого фазового модулятора ФМ 6, последовательно соединенные первый полосовой фильтр ПФ 14, интегратор ИНТ 15, второй инвертор 16, второй усилитель постоянного тока УПТ 17, сумматор СУМ 18, второй фазовый модулятор ФМ 19, фазовый детектор ФД 20, второй полосовой фильтр ПФ 21, третий усилитель постоянного тока УПТ 22, выход которого соединен со вторым входом СУМ 18, а также индикатор синхронизма ИС 23, вход которого соединен с выходом ЧФД 3, а выход - с управляющим входом Кл 13. При этом вход первого ИНВ 11 соединен с выходом ФНЧ 4 и входом первого ПФ 14, второй вход ФД 20 соединен с выходом УГ 1 и вторым входом второго ФМ 19, выход которого одновременно является выходом устройства.
Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией работает следующим образом.
После установления режима синхронизма в кольце ИФАПЧ на выходе индикатора синхронизма ИС 23 устанавливается сигнал, разрешающий прохождение через ключ Кл 13 напряжения автокомпенсации паразитной частотной модуляции (ПЧМ), вызванной влиянием дестабилизирующих факторов на УОКГ 5. Это напряжение ПЧМ опорного сигнала с выхода ФНЧ 4 поступает через первый ИНВ 11, первый УПТ 12, ключ Кл 14 на модулирующий вход первого ФМ 6 в противофазе с тем паразитным колебанием, которое имеется в выходном сигнале УОКГ 5. В результате на выходе ФМ 6 (или на входе ДФКД 7) формируется опорный сигнал, значительно очищенный от побочных колебаний.
Одновременно после установления режима синхронизма в кольце ИФАПЧ подается модулирующее напряжение от ИМС 8 на модулирующий вход УГ 1 и через управляемый аттенюатор УА 9 на модулирующий вход УОКГ 5 по методу двухточечной модуляции. В этом случае при полной идентичности каналов модуляции импульсы на выходе ДПКД 2 и на выходе ДФКД 7 будут промодулированы по фазе одинаково в соответствии с информационным модулирующим сигналом от ИМС 8. В результате сравнения этих импульсов по частоте и фазе в ЧФД 3 на его выходе формируется управляющее напряжение, которое через петлевой ФНЧ 4 поступает на управляющий вход УГ 1 и подстраивает его под опорный сигнал с точностью до фазы как в обычном режиме синхронизма без подачи модулирующего сигнала. Таким образом, реакция кольца ИФАПЧ на модулирующее возмущение УГ 1 не проходит. Это может быть только при полной идентичности каналов прохождения модулирующих сигналов.
Однако в реальных условиях при воздействии дестабилизирующих факторов идентичность каналов модуляции может несколько измениться, что может привести к неравномерности АЧМХ особенно на низких частотах.
В предлагаемом ЦСЧ напряжение от остаточной реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее воздействие УГ 1 поступает в противофазе с выхода ФНЧ 4 через первый ИНВ 11, первый УПТ 12, Кл 13 на модулирующий вход первого ФМ 6 и компенсирует возникшую неравномерность АЧМХ.
Таким образом, с помощью цепи автокомпенсации, состоящей из ИНВ 11, УПТ 12, Кл 13 и первого ФМ 6 происходит ослабление ПЧМ опорного колебания и выравнивается АЧМХ.
Кроме этого в управляющем сигнале с выхода ФНЧ 4 есть не полностью подавленные составляющие от помех, кратных частоте сравнения ЧФД 3, которые вызывают соответствующую ПЧМ выходного сигнала УГ 1. Для ослабления этой ПЧМ с выхода УГ 1 на сигнальный вход второго
ФМ 19 поступает высокочастотный сигнал, с угловой модуляцией этими указанными составляющими и полезным информационным сигналом.
Одновременно с выхода ФНЧ 4 через первый полосовой фильтр ПФ 14, интегратор ИНТ 15, инвертор ИНВ 16, второй УПТ 17 и сумматор СУМ 18 поступает на модулирующий вход второго ФМ 19 управляющее напряжение, в котором есть составляющие от помех с частотами, кратными частоте сравнения. Это напряжение с отмеченными выше составляющими помех модулирует в противофазе высокочастотный сигнал с выхода УГ 1. В результате на выходе ФМ 19 формируется ВЧ сигнал со значительно ослабленной ПЧМ.
1
Однако в выходном сигнале устройства имеется остаточная паразитная модуляция, вызванная не полной компенсацией паразитной угловой модуляции входного сигнала и паразитной угловой модуляции, возникающей из-за различного фазового сдвига в ПФ 14, ИНТ 15. ИНВ 16, УПТ 17 и Сум 18. а также из-за флуктуации этого фазового сдвига при воздействии дестабилизирующих факторов. Причем этот остаточный суммарный фазовый сдвиг (р2 значительно меньше исходного фазового сдвига φ.
Для ослабления этой остаточной ПЧМ с выхода ФМ 19 высокочастотный (ВЧ) сигнал поступает на первый вход ФД 20, на второй вход которого подается ВЧ сигнал с выхода УГ 1. В результате на выходе ФД 20 формируется сигнал ошибки, который поступает через второй ПФ 21 и третий УПТ 22 на второй вход СУМ 18. После линейного суммирования этого сигнала и управляющего сигнала с выхода второго УПТ 17 на выходе СУМ 18 формируется сигнал, изменяющийся в противофазе по закону (р2 и (pi, который поступает на модулирующий вход ФМ 19 и практически полностью подавляет ПЧМ выходного сигнала.
В переходном режиме при переключении частот синтезатора, когда разность фаз на входах ЧФД 3 превышает заранее установленную максимальную величину, от выходного сигнала ЧФД 3 срабатывает индикатор синхронизма ИС 23 и на его выходе формируется запрещающий сигнал, который поступает на управляющий вход ключа Кл 14. В результате этого Кл 14 закрывается и в кольце ИФАПЧ происходит обычная подстройка частоты синтезатора.
В предложенном ЦСЧ можно значительно уменьшить инерционность петлевого ФНЧ 4, не опасаясь того, что это вызовет повышение уровня составляющих помех с его выхода и соответствующего увеличения ПЧМ выходного сигнала устройства.
Таким образом, за счет перераспределения подавления ПЧМ между ФНЧ 4 и вновь введенными узлами автокомпенсации можно увеличить общее подавление ПЧМ в выходном сигнале устройства и одновременно повысить быстродействие ЦСЧ за счет уменьшения инерционности ФНЧ 4 с сохранением широкой полосы модулирующих частот информационным сигналом. При этом широкая полоса пропускания кольца ИФАПЧ не
вызовет увеличения ПЧМ от опорного сигнала, так как по соответствующей цепи автокомпенсации будет осуществляться подавление и этой ПЧМ.
Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Усилители постоянного тока, инвертор, интегратор и сумматор могут быть выполнены на основе малошумящих операционных усилителей типа OP27GS или AD822AR фирмы Analog Devices. Фазовый детектор можно выполнить на основе микросхемы AD607 фирмы Analog Devices. Ключ может быть выполнен на микросхеме 564 КТЗ. Индикатор синхронизма представляет собой амплитудный детектор с заранее установленным порогом срабатывания. Фазовый модулятор может быть выполнен с использованием управляемых фазосдвигающих цепей.
Таким образом, применение предлагаемого ЦСЧ с ЧМ позволяет значительно уменьшить ПЧМ выходного сигнала, вызванную влиянием дестабилизирующих факторов на УОКГ, а также воздействием помех с частотами, кратными частоте сравнения ЧФД при одновременном увеличении быстродействия и решить задачу осуществления частотной модуляции в широком диапазоне модулирующих частот с минимальными искажениями.