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 модулирующий информационный сигнал поступает на модулирующий вход управляемого генератора (см. патент США N 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 импульсно-фазового детектора (или частотно-фазового детектора ЧФД) более инерционным, а это приводит к снижению быстродействия и помехоустойчивости ЦСЧ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЦСЧ с частотной модуляцией (см. свидетельство на полезную модель N 22729 от 31 октября 2001 года), в котором осуществляется одноточечная модуляция по УГ 1, а для формирования частотно-модулированного сигнала в широкой полосе модулирующих частот используется автокомпенсация реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее возмущение по УГ 1 путем подачи управляющего напряжения с выхода ФНЧ через последовательно соединенные усилитель постоянного тока (УПТ), инвертор (ИНВ) и ключ на фазовый модулятор, включенный в опорный канал между опорным кварцевым генератором и делителем частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД).
Однако быстродействие этого ЦСЧ недостаточно, так как при одноточечной модуляции по УГ для формирования частотно-модулированного сигнала в широкой полосе модулирующих частот необходима
сравнительно узкая полоса пропускания кольца ИФАПЧ. Цепь автокомпенсации, использованная в этом ЦСЧ, может расширить диапазон модулирующих частот в сторону нижних частот только в сравнительно небольшой полосе и после того, как закончился переходный процесс при переключении частот. Расширение полосы пропускания кольца ИФАПЧ с целью повышения быстродействия может привести к искажениям АЧМХ и увеличению ПЧМ с частотами, кратными частоте сравнения в выходном сигнале ЦСЧ.
Целью предлагаемого технического решения является расширение равномерной АЧМХ в область нижних модулирующих частот и уменьшение ПЧМ с частотами, кратными частоте сравнения, при одновременном повышении быстродействия.
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, последовательно соединенные опорный кварцевый генератор, первый фазовый модулятор и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, последовательно соединенные первый усилитель постоянного тока, первый инвертор и ключ, управляющий вход которого через индикатор синхронизма соединен с выходом частотно-фазового детектора, а также блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления, и источник модулирующего сигнала, выход которого соединен с модулирующим входом управляемого генератора, введены последовательно соединенные управляемый аттенюатор, первый интегратор и первый сумматор, выход которого соединен с модулирующим входом первого фазового модулятора, а второй вход - с выходом ключа, последовательно соединенные второй интегратор, второй инвертор, второй усилитель постоянного тока, второй сумматор, полосовой фильтр, второй фазовый модулятор, фазовый детектор и третий усилитель постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора. При этом сигнальный вход управляемого аттенюатора соединен с выходом источника модулирующего сигнала, а управляющий вход - с выходом блока установки частоты, вход второго интегратора соединен с выходом фильтра нижних частот и входом первого усилителя постоянного тока, второй вход второго фазового детектора соединен с выходом управляемого генератора и вторым входом второго фазового модулятора, выход которого является выходом устройства.
Существенным отличием предложенного технического решения является то, что с помощью введенных новых элементов, объединенных соответствующими связями с остальными узлами схемы, происходит увеличение быстродействия при переключении частот за счет уменьшения
инерционности ФНЧ, получение равномерной АЧМХ в широком диапазоне модулирующих частот и уменьшение ПЧМ с частотами, кратными частоте сравнения.
Таким образом, по сравнению с прототипом происходит значительное 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 опорный кварцевый генератор ОКГ 5, первый фазовый модулятор ФМ 6 и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления ДФКД 7, выход которого соединен со вторым входом ЧФД 3, последовательно соединенные первый усилитель постоянного тока УПТ 8, первый инвертор ИНВ 9 и ключ Кл 10, управляющий вход которого через индикатор синхронизма ИС 11 соединен с выходом ЧФД 3, последовательно соединенные управляемый аттенюатор УА 12, первый интегратор ИНТ 13 и первый сумматор СУМ 14, выход которого соединен с модулирующим входом первого ФМ 6, а второй вход - с выходом Кл 10, блок установки частоты БУЧ 15, выход которого соединен с установочным входом ДПКД 2 и управляющим входом У А 12, источник модулирующего сигнала ИМС 16, выход которого соединен с модулирующим входом УГ 1 и входом УА 12, последовательно соединенные второй интегратор ИНТ 17, второй инвертор ИНВ 18, второй усилитель постоянного тока УПТ 19, второй сумматор СУМ 20, полосовой фильтр ПФ 21, второй фазовый модулятор ФМ 22, второй фазовый детектор ФД 23 и третий усилитель постоянного тока УПТ 24, выход которого соединен со вторым входом второго СУМ 20. При этом вход второго интегратора ИНТ 17 соединен с выходом ФНЧ 4 и входом УПТ 5, второй вход ФД 23 соединен с выходом УГ 1 и вторым входом ФМ 22, выход которого является выходом устройства.
Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией работает следующим образом.
После установления режима синхронизма в кольце ИФАПЧ на выходе индикатора синхронизма ИС 11 устанавливается сигнал, разрешающий прохождение через ключ Кл 10 напряжения автокомпенсации реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее возмущение УГ 1. Модулирующий сигнал от ИМС 16 поступает через УА 12, первый ИНТ 13 и первый СУМ 14 на модулирующий вход первого ФМ 6, на сигнальный вход которого поступают опорные колебания от ОКГ 10. С выхода ФМ 6 опорный сигнал
после ДФКД 7 в виде коротких импульсов поступает на один вход ЧФД 3, а на другой его вход поступают импульсы, формируемые на выходе ДПКД 2 после деления частоты УГ 1. При идентичности каналов прохождения модулирующих сигналов импульсы на обоих входах ЧФД 3 будут модулированы по фазе одинаково так, что в результате сравнения их в ЧФД 3 по частоте и фазе на выходе его не будет сигнала ошибки от модуляции, а будет сформировано после ФНЧ 4 только напряжение автоподстройки. Иначе говоря, кольцо ИФАПЧ работает как в обычном режиме синхронизма без подачи модулирующего сигнала. При этом полоса модулирующих частот значительно расширяется в сторону низких частот.
Если в результате воздействия дестабилизирующих факторов идентичность каналов прохождения модулирующих сигналов будет нарушена, тогда на выходе ФНЧ 4 образуется напряжение ошибки от модуляции, которое через УПТ 8, ИНВ 9 и Кл 10 поступает на второй вход СУМ 14, а уже с выхода его на модулирующий вход ФМ 6 приходит скорректированный модулирующий сигнал, который сдвигает по фазе сигнал с ОКГ 5 так, чтобы на выходе ДФКД 7 сформировались короткие опорные импульсы, сдвинутые по фазе так же, как и модулированные импульсы с выхода ДПКД 2. В результате сравнения одинаково промодулированных по фазе импульсов на выходе ЧФД 3 уже нет сигнала ошибки от модуляции и, следовательно, нет реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее возмущение УГ 1.
Кроме этого в управляющем сигнале с выхода ФНЧ 4 есть не полностью подавленные составляющие от помех, кратных частоте сравнения ЧФД 3, которые вызывают соответственно ПЧМ выходного сигнала УГ 1. Для ослабления этой ПЧМ с выхода УГ 1 на сигнальный вход второго ФМ 22 поступает высокочастотный сигнал с угловой модуляцией этими указанными составляющими и полезным информационным сигналом.
Одновременно с выхода ФНЧ 4 через интегратор ИНТ 17, инвертор ИНВ 18, второй УПТ 19, второй сумматор СУМ 20 и полосовой фильтр ПФ 21 поступает на модулирующий вход второго ФМ 22 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 22 формируется ВЧ сигнал со значительно ослабленной ПЧМ.
Однако в выходном сигнале устройства имеется остаточная паразитная угловая модуляция, вызванная не полной компенсацией паразитной угловой модуляции входного сигнала и паразитной угловой модуляции (ПУМ), возникающей из-за различного фазового сдвига в ИНТ 17, ИНВ 18, УПТ 19, СУМ 20, ПФ 21, а также из-за флуктуации этого фазового сдвига при воздействии дестабилизирующих факторов. Причем этот остаточный
2
1
суммарный фазовый сдвиг φ значительно меньше исходного фазового сдвига φ.
2
1
Для ослабления этой остаточной ПУМ с выхода ФМ 22 высокочастотный (ВЧ) сигнал поступает на первый вход ФД 23, на второй вход которого подается ВЧ сигнал с выхода УГ 1. В результате на выходе ФД 23 формируется сигнал ошибки, который поступает через третий УПТ 24 на второй вход СУМ 20. После линейного суммирования этого сигнала и управляющего сигнала с выхода второго УПТ 19 на выходе СУМ 20 формируется сигнал, изменяющийся в противофазе по закону φ и φ, который после ПФ 21 поступает на модулирующий вход ФМ 22 и практически полностью подавляет ПЧМ выходного сигнала.
Таким образом, в предложенном устройстве происходит перераспределение подавления помех с частотами, кратными частоте сравнения, между петлевым ФНЧ и схемой автокомпенсации на выходе УГ.
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 11 и на его выходе формируется запрещающий сигнал, который поступает на управляющий вход ключа Кл 10. В результате этого Кл 10 закрывается и в кольце ИФАПЧ происходит обычная автоподстройка 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 КТ 3. Индикатор синхронизма представляет собой амплитудный детектор с заранее установленным порогом срабатывания. Фазовый
модулятор может быть выполнен с использованием управляемых фазосдви-гающих 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 равномерной частотной модуляции в широком диапазоне модулирующих частот с минимальными искажениями.