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 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 (см. патент США №4110707 Н03С 3/10, 1978 г.). 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 генератора, управляемого напряжением (ГУН), 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 и определяется 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 частотно-фазового детектора (ЧФД) более инерционным, а это приводит к снижению быстродействия и помехоустойчивости СЧ.
При модуляции СЧ по опорному каналу с помощью импульсно-фазового модулятора (ИФМ) и интегратора модулирующий сигнал является внешним возмущением для системы ИФАПЧ. Система ИФАПЧ СЧ при этом ведет себя как эквивалентный ФНЧ относительно модулирующего воздействия, т.е. 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.
Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с двухточечной модуляцией (см. а.с. СССР №1252909 Н03С 3/90, Н03L 7/18 от 23.08.1986 г.), в котором модулирующий сигнал вводится на модулирующий вход ГУН и через интегратор на ИФМ, включенный в обратной связи кольца ИФАПЧ после ДПКД (т.е. в две точки схемы). При этом АЧМХ ЦСЧ существенно выравнивается.
Основной недостаток этого ЦСЧ с ЧМ в том, что полоса модуляции в области нижних модулирующих частот ограничивается полосой пропускания петлевого ФНЧ, которую нельзя сделать очень узкой из-за возможности неустойчивой работы ЦСЧ и очень медленного его вхождения в синхронизм. Всегда для работы ЦСЧ на основе кольца ИФАПЧ необходима полоса частот от нулевой (постоянной составляющей) до определенной величины, в которой должно происходить авторегулирование системы. В то же время для современных систем связи с ЧМ в ряде случаев необходимо, чтобы нижняя частотная граница модуляции была почти вплотную к нулевой. Это требование обычно у систем связи, в которых используется псевдослучайная последовательность (ПСП) импульсов с большой длительностью отдельных импульсов (отдельных "единиц" и "нулей"), чтобы вершина ("крыша") импульса (которую определяют очень низкие частоты модуляции) не имела большой "завал". Иначе на приемной стороне информация будет сильно искажена.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является синтезатор частот (см. патент на изобретение RU №2329594 C1 H03L 7/18 от 20. 07. 2008 г. Бюл. №20), который принят за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ);
2 и 9 - первый и второй частотно-фазовые детекторы (ЧФД);
3 - блок управления (БУ);
4 и 10 - первый и второй делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
5 и 8 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
7 - буферный каскад (БК);
11 - запоминающий блок (ЗБ);
12 - переключатель с двух направлений (ПД);
13 - двухрежимный автогенератор (ДА);
14 - ключ(КЛ);
15 - делитель напряжения (ДН);
16 - блок временных интервалов (БВИ).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты ИСЭЧ 1 и буферный каскад БК 7, первый выход которого соединен с первым входом первого ЧФД 2, выход которого через первый ФНЧ 5 соединен с управляющим входом ГУН 6, первый выход которого через первый ДПКД 4 соединен со вторым входом первого ЧФД 2. Таким образом, на основе этих узлов и блоков образовано первое кольцо ИФАПЧ.
Второй выход БК 7 соединен с первым входом второго ЧФД 9, выход которого через второй ФНЧ 8 соединен со входом ЗБ 11 и первым входом ПД 12, второй вход которого соединен с выходом ЗБ 11, а выход ПД 12 соединен с управляющим входом ДА 13, первый выход которого через второй ДПКД 10 соединен со вторым входом второго ЧФД 9. Это второе кольцо ИФАПЧ.
Второй выход ГУН 6 через последовательно соединенные ДН 15 и КЛ 14 соединен с высокочастотным (ВЧ) входом ДА 13, второй выход которого является выходом устройства. Управляющим входом устройства-прототипа является вход БУ 3, выход которого соединен с управляющими входами первого ДПКД 4, второго ДПКД 10 и входом БВИ 16, выход которого соединен с управляющими входами ПД 12 и КЛ 14.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Управляющая команда на включение поступает на вход БУ 3, выходной сигнал которого является командой на установление задаваемого (одинакового, например, равного N) коэффициента деления для первого ДПКД 4 и второго ДПКД 10. Сигнал с первого выхода ГУН 6 через первый ДПКД 4 и сигнал с первого выхода ДА 13 через второй ДПКД 10 подаются соответственно на вторые входы первого ЧФД 2 и второго ЧФД 9, на первые входы которых подается сигнал от ИСЭЧ 1 после разделения в БК 7 с первого и второго его выходов соответственно.
3
3
3
Кроме того, управляющая команда на включение через БУ 3 подается на БВИ 16, который формирует сигнал длительностью Т для управления ПД 12 и КЛ 14. По этой команде ПД 12 соединяет выход второго ФНЧ 8 с управляющим входом ДА 13 на время Т и на это же время размыкает КЛ 14. При этом выходное напряжение с первого ЧФД 2 через первый ФНЧ 5 подается на управляющий вход ГУН 6 и через определенный отрезок времени Т обеспечивается вхождение в синхронизм в первом кольце ФАПЧ на основе ГУН 6, на выходе которого формируется заданная частота.
3
В то же время выходное напряжение со второго ЧФД 9 через второй ФНЧ 8 и ПД 12, замкнутый по команде с БВИ 16, подается на управляющий вход ДА 13. Напряжение на управляющем входе ДА 13 через определенный отрезок времени Т обеспечивает получение на выходах ДА 13 частоты, точно равной эталонной частоте, умноженной на N - коэффициент деления второго ДПКД 10. Таким образом, одновременно с первым работает второе, дополнительное кольцо ФАПЧ и в обоих кольцах на выходе формируются одинаковые частоты. В то же время управляющее напряжение с выхода второго ФНЧ 8 запоминается в ЗБ 11.
3
По истечении отрезка времени Т команда с выхода БВИ 16 меняется и ключ КЛ 14 замыкается, а ПД 12 отключает управляющий вход ДА 13 от второго ФНЧ 8 и подключает его вход к выходу ЗБ 11. Следовательно, второе кольцо ФАПЧ перестает работать и ДА 13 переходит в режим автоколебаний по частоте, близкой к той, которая установилась перед отключением. Одновременно на ВЧ вход ДА 13 через замкнутый КЛ 14 и ДН 15 подается напряжение со второго выхода ГУН 6 и происходит захват частоты колебаний ДА 13 колебаниями ГУН 6.
Следовательно, выходное напряжение ДА 13 будет иметь частоту, равную синтезированной в ГУН 6 с кольцом ФАПЧ, а шумы - соответствующие шумам генератора ДА 13, который работает в режиме автоколебаний.
Таким образом, на выходе устройства-прототипа формируется ВЧ сигнал с высокой чистотой спектра и малыми шумами со стабильностью точно равной стабильности ГУН, охваченного кольцом ФАПЧ. Недостатком этого СЧ является то, что в нем нет узлов и блоков для введения и формирования частотно-модулированного сигнала на выходе.
Для устранения указанного недостатка в синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты и буферный каскад, первый выход которого соединен с первым входом первого частотно-фазового детектора, выход которого через первый фильтр нижних частот соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением, первый выход которого через первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора - первое кольцо импульсно-фазовой автоподстройки частоты; второй выход буферного каскада соединен с первым входом второго частотно-фазового детектора, выход которого через второй фильтр нижних частот соединен со входом запоминающего блока и первым входом переключателя с двух направлений, второй вход которого соединен с выходом запоминающего блока, а выход переключателя с двух направлений соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора, первый выход которого через второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора - второе кольцо импульсно-фазовой автоподстройки частоты, при этом второй выход двухрежимного автогенератора является выходом устройства; второй выход генератора, управляемого напряжением, через последовательно соединенные делитель напряжения и первый ключ соединен с высокочастотным входом двухрежимного автогенератора, а также блок управления, вход которого является входом устройства, выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго делителей частоты с переменным коэффициентом деления и входом блока временных интервалов, выход которого соединен с управляющими входами переключателя с двух направлений и первого ключа, введены последовательно соединенные источник модулирующего сигнала, управляемый аттенюатор, второй ключ, блок согласования, выход которого соединен с модулирующим входом двухрежимного автогенератора, а управляющие входы управляемого аттенюатора и второго ключа соединены с выходом блока управления.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ);
2 и 9 - первый и второй частотно-фазовые детекторы (ЧФД);
3 - блок управления (БУ);
4 и 10 - первый и второй делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
5 и 8 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
7 - буферный каскад (БК);
11 - запоминающий блок (ЗБ);
12 - переключатель с двух направлений (ПД);
13 - двухрежимный автогенератор (ДА);
14 - первый ключ (КЛ);
15 - делитель напряжения (ДН);
16 - блок временных интервалов (БВИ);
17 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
18 - управляемый аттенюатор (У А);
19 - второй ключ (КЛ);
20 - блок согласования (БС).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ) 1 и буферный каскад (БК) 7, первый выход которого соединен с первым входом первого ЧФД 2, выход которого через первый ФНЧ 5 соединен с управляющим входом ГУН 6, первый выход которого через первый ДПКД 4 соединен со вторым входом первого ЧФД 2. На основе ГУН 6 образовано первое кольцо ИФАПЧ.
Второй выход БК 7 соединен с первым входом второго ЧФД 9, выход которого через второй ФНЧ 8 соединен со входом ЗБ 11 и первым входом ПД 12, второй вход которого соединен с выходом ЗБ 11, а выход ПД 12 соединен с управляющим входом ДА 13, первый выход которого через второй ДПКД 10 соединен со вторым входом второго ЧФД 9. На основе двухрежимного автогенератора ДА 13 образовано второе кольцо ИФАПЧ.
Второй выход ГУН 6 через последовательно соединенные ДН 15 и КЛ 14 соединен с высокочастотным (ВЧ) входом ДА 13, второй выход которого является выходом устройства. Управляющим входом предлагаемого устройства является вход БУ 3, выход которого соединен с управляющими входами первого ДПКД 4, второго ДПКД 10, управляемого аттенюатор УА 18, второго КЛ 19 и входом БВИ 16, выход которого соединен с управляющими входами ПД 12, первого КЛ 14. Для осуществления ЧМ в СЧ используется последовательно соединенные ИМС 17, УА 18, второй КЛ 19 и БС 20, выход которого соединен с модулирующим входом ДА 13.
3
3
3
3
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Управляющая команда на включение заданной частоты СЧ поступает от БУ 3 на управляющие входы первого ДПКД 4 и второго ДПКД 10, устанавливая в них одинаковые коэффициенты деления N, а также на управляющий вход УА 18, устанавливая с помощью его заданный уровень девиации ЧМ сигнала, на управляющий вход второго КЛ 19 и на управляющий вход БВИ 16, который формирует сигнал длительностью Т для управления ПД 12 и первым КЛ 14. По этой команде ПД 12 соединяет выход второго ФНЧ 8 с управляющим входом ДА 13 на время Т и на это же время размыкает первый КЛ 14. При этом выходное напряжение с первого ЧФД 2 через первый ФНЧ 5 подается на управляющий вход ГУН 6. В результате через определенное время Т происходит процесс вхождения в синхронизм в первом кольце. В то же время выходное напряжение со второго ЧФД 9 через второй ФНЧ 8 и ПД 12, замкнутый по команде с БВИ 16, подается на управляющий вход ДА 13. В результате через определенное время Т происходит процесс вхождения в синхронизм во втором кольце ФАПЧ. Одновременно управляющее напряжение с выхода второго ФНЧ 8 запоминается в ЗБ 11.
3
По истечении времени Т команда с выхода БВИ 16 меняется и ключ КЛ 14 замыкается, а ПД 12 отключает управляющий вход ДА 13 от второго ФНЧ 8 и подключает его вход к выходу ЗБ 11. При этом по команде от БУ 3 второй КЛ 19 также замыкается и подключает выход УА 18 к входу СБ 20, выход которого соединяется с модулирующим входом ДА 13, т.е. цепь введения ЧМ от ИМС 17 включается. Следовательно, второе кольцо ИФАПЧ перестает работать и ДА 13 переходит в режим автоколебаний на частоте, близкой к частоте ГУН 6. Одновременно на ВЧ вход ДА 13 через замкнутый КЛ 14 и ДН 15 поступает ВЧ напряжение со второго выхода ГУН 6. В результате происходит захват частоты колебаний ДА 13 колебаниями ГУН 6. При этом выходное напряжение ДА 13 (собственно выход СЧ) будет иметь частоту, равную частоте ГУН 6, который охвачен кольцом ИФАПЧ, а шумы - соответственно шумам генератора ДА 13, который работает в режиме автоколебаний (не охвачен кольцом ИФАПЧ). Эти шумы ДА 13 значительно ниже (примерно на 20-30 дБ), чем у синтезаторов частот с кольцом ИФАПЧ.
В режиме работы СЧ в качестве возбудителя передатчика от блока управления БУ 3 на управляющий вход второго КЛ 19 поступает сигнал разрешения на его открытие. После этого при подаче модулирующего напряжения от ИМС 17 через УА 18, открытый ключ КЛ 19 и БС 20 на модулирующий вход ДА 13 происходит частотная модуляция выходного сигнала ДА 13 с уровнем девиации, который задается в УА 18 по управляющему сигналу от БУ 3.
Поскольку автогенератор ДА 13 работает в режиме захвата частоты с частотой, равно частоте ГУН 6, и не охвачен кольцом ИФАПЧ, то при ЧМ по модулирующему входу ДА 13 можно получить АЧМХ от очень низких частот (вплоть до нулевой частоты) до заданной верхней частоты. При этом АЧМХ получается ровная без "выбросов" и "впадин", которые бывают при ЧМ синтезаторе с кольцом ИФАПЧ. При переключении выходных частот синтезатора крутизна управления по модулирующему входу ДА 13 может несколько изменяться, что может привести к изменению уровня девиации ЧМ сигнала на выходе СЧ. Чтобы этого не произошло, для каждой несущей частоты СЧ от БУ 3 поступает на УА 18 корректирующий сигнал управления, устанавливающий заданный уровень девиации, который заранее был записан в память БУ 3. Кроме того, УА 18 необходим для начальной установки номинального уровня девиации, который затем при переключении частот СЧ корректируется для каждой несущей частоты.
В режиме работы СЧ в качестве гетеродина приемника от БУ 3 на управляющий вход второго КЛ 19 поступает сигнал, по которому второй КЛ 19 закрывается и тем самым канал введения ЧМ в СЧ отключается, а на выходе ДА 13 (собственно выход СЧ) формируется ВЧ сигнал для ПРМ.
Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах.
Управляемый аттенюатор может быть выполнен на основе последовательно соединенных цифрового потенциометра на микросхеме AD8402AR10 фирмы Analog Devices и операционного усилителя на микросхеме AD822AR той же фирмы. Через операционный усилитель (ОУ) проходит модулирующий сигнал от ИМС 17 на вход КЛ 19, а коэффициент усиления ОУ регулируется с помощью цифрового потенциометра на микросхеме AD8402AR10, на который от блока управления БУ 3 (который в настоящее время обычно выполняется на микроконтроллере, например, типа C8051F221 фирмы SILABS) поступает управляющий сигнал по управляющей шине. Управляющая шина представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном двоичном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы, 2) информационный сигнал, 3) импульс разрешения записи передаваемой информации в один из блоков синтезатора.
Блок согласования БС 20 может быть выполнен на основе ОУ на микросхеме AD822AR фирмы Analog Devices с согласованным импедансом по модулирующему входу двухрежимного автогенератора ДА 13, чтобы не вызвать в нем переходных колебаний при подключении канала модуляции.
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 при существенно высокой чистоте спектра выходного сигнала.