Тандемные синтезаторы частот с двухточечной угловой модуляцией и дополнительным каналом автокомпенсации частотных искажений

О.В. Чёткин, Н.С. Хохлов,

ФГУ ЦИТО УФСИН России доктор технических наук, профессор

по Воронежской области

ТАНДЕМНЫЕ СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТ С ДВУХТОЧЕЧНОЙ

УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ АВТОКОМПЕНСАЦИИ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ

TANDEM SYNTHESIZERS OF FREQUENCIES WITH POINT-TO-POINT ANGULAR MODULATION AND ADDITIONAL CHANNEL OF AUTO COMPENSATION OF FREQUENCY DISTORTIONS

Рассмотрен метод формирования равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики в тандемном синтезаторе частот с использованием двухточечной угловой модуляции и дополнительного канала автокомпенсации частотных искажений. Описана структурная схема синтезатора, получены передаточные модуляционные функции и проведён анализ амплитудно-частотных модуляционных характеристик в зависимости от параметров узлов синтезатора.

The method of forming a steady frequency-amplitude modulation parameter in a tandem synthesizer of frequencies with the use of point-to-point angular modulation and additional channel of auto compensation of frequency distortions is considered. The synthesizer block diagram is described, transfer modulation functions are receiv ed and frequency-amplitude modulation functions analysis depending on parameters of a synthesizer node is carried out.

В настоящее время в качестве диапазонных частотно-модулированных возбудителей передатчиков систем подвижной радиосвязи наряду с однокольцевыми частотно-модулированными цифровыми синтезаторами частот (ЧМЦСЧ) используются двухкольцевые ЧМЦСЧ, включённые по тандемной схеме, т.е. с последовательным включением двух колец импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). В тандемном ЧМЦСЧ первое кольцо ИФАПЧ1 формирует опорный ЧМ-сигнал для второго кольца ИФАПЧ2 с постоянной средней частотой (порядка 80 МГц). В этом случае частотная модуляция второго кольца осуществляется методом ЧМ2. Второе кольцо ИФАПЧ2 с заданным шагом сетки формирует выходной ЧМ-сигнал синтезатора в диапазоне более высоких частот, как правило в диапазоне УВЧ. Применение во втором кольце ИФАПЧ2 дробного делителя частоты с переменным коэффициентом деления позволяет увеличить частоту сравнения частотно- фазового детектора второго кольца ИФАПЧ2 при малом шаге сетки, что позволяет повысить скорость переключения рабочих частот.

В то же время в тандемном ЧМЦСЧ для ослабления частотных искажений в области нижних модулирующих частот при формировании ЧМ-сигнала в первом

кольце ИФАПЧ1 полосу пропускания фильтра нижних частот этого кольца при модуляции управляемого генератора первого кольца ИФАПЧ1 методом ЧМ1 приходится выбирать узкой, что снижает быстродействие этого кольца.

В [1,2] приведена и описана схема тандемного ЧМЦСЧ, в которой в первом кольце ИФАПЧ1 введена дополнительная цепь автокомпенсации частотных искажений в области нижних модулирующих частот, при этом используется модуляция методом ЧМ1АК. Однако полностью избавиться от искажений эта цепь не позволяет, так как регулирование происходит по фазе.

Цель работы — исследование возможности формирования равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) как в области нижних, так и в области верхних модулирующих частот при сохранении высокого быстродействия синтезатора в целом.

Исследования показывают, что равномерную АЧМХ в области нижних модулирующих частот можно сформировать при использовании в первом кольце ИФАПЧ1 двухточечной угловой модуляции как управляемого генератора, так и косвенной частотной модуляции импульсно-фазового модулятора в опорном канале методом ЧМ12 совместно с использованием дополнительного канала автокомпенсации частотных искажений. В этом случае в первом кольце ИФАПЧ1 осуществляется частотная модуляция методом ЧМ12АК.

Девиация частоты на выходе импульсно-фазового модулятора должна быть в N1/R1 раз меньше, чем на выходе управляемого генератора первого кольца ИФАПЧ1, где N1 и R1 — соответственно коэффициенты деления частоты делителей с переменным и фиксированным коэффициентом деления первого кольца ИФАПЧ1.

Это уменьшение девиации частоты достигается с помощью аттенюатора при заданной крутизне модуляционной характеристики импульсно-фазового модулятора.

Структурная схема тандемного ЧМЦСЧ с двухточечной частотной модуляцией и дополнительным каналом автокомпенсации частотных искажений в первом кольце ИФАПЧ1 методом ЧМ12 АК, а также с частотной модуляцией методом ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ2 изображена на рис. 1 [3].

На этом рисунке приняты следующие обозначения: УГ1 и УГ2 — управляемые генераторы первого и второго колец ИФАПЧ; ОГ — опорный кварцевый генератор; ФНЧ1 и ФНЧ2 — фильтры нижних частот первого и второго колец ИФАПЧ; ИМС — источник модулирующего сигнала; С — линейный сумматор; РУ — регулируемый усилитель; ИФМ — импульсно-фазовый модулятор; АТ — аттенюатор; ИНТ — интегратор; ИНВ — инвертор; УПТ — усилитель постоянного тока; ДФКД1, ДФКД2 — делители частоты с фиксированными коэффициентами деления первого и второго колец ИФАПЧ; ДПКД1 — делитель частоты с переменным коэффициентом деления первого кольца ИФАПЧ1; ДДПКД2 — дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления второго кольца ИФАПЧ2; ЧФД1 и ЧФД2 — частотно-фазовые детекторы первого и второго колец ИФАПЧ; БУЧ — блок установки частоты; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.

УПТ

ОГ

ИНВ

ФНЧ1

4 ИНТ А АТ

С ч

3 г—.

ИФ

ДФКД1

ЧФД1

БУЧ

ДПКД1

ИМС

УГ1

и

М

А/і

ДФКД 2

ЧФД 2

ЦА

=У

А/2

ДДПКД2

УГ 2

ФНЧ 2

Рис. 1. Структурная схема тандемного ЧМЦСЧ с двухточечной частотной модуляцией и дополнительным каналом автокомпенсации частотных искажений

Анализируя структурную схему тандемного ЧМЦСЧ, можно констатировать, что его следует рассматривать как устройство, преобразующее мгновенное значение модулирующего напряжения и М (?) в мгновенную девиацию частоты Л/2(?) на выходе.

Воспользовавшись операторным методом Лапласа, составим эквивалентную операторную схему этого устройства, на основании которой получим передаточную модуляционную функцию (ПМФ) как отношение операторного изображения девиации частоты А/2(р) к операторному изображению модулирующего сигнала им ( Р )-нормированную на крутизну модуляционной характеристики УГ1:

1

^Н (р) - Р Т1ТН1 + рТ1(1 + ^Р2 ) + ^Р1

Р Т1ТН1 + рТ1(1 + NР2 ) + 1 Р Т2ТН2 + рТ2 + 1 Т2 — постоянные времени колец ИФАПЧ; ТН1, ТН2 — постоянные времени ФНЧ1 и ФНЧ2;

N1 1

АО

Щ1 2р ОЕ ЯІОА 1

— коэффициент регулирования цепи компенсации

частотных искажений по возмущению при двухточечной угловой модуляции; кАТ — коэффициент передачи АТ; ТИ — постоянная времени интегратора; $ИМ — крутизна

модуляционной

характеристики

характеристики ИФМ; УГ1. Очевидно, при

V ___

°МУГ1

АО

N 1

крутизна

ЯІОА 1

модуляционной

коэффициент

ЕІ

регулирования NР1 -1.

N

1

02

к — 1 — коэффициент регулирования цепи автокомпенсации

А

частотных искажений с регулировкой по отклонению; к — коэффициент усиления

УПТ; — крутизна детекторной характеристики ЧФД1. Остальные обозначения

были введены ранее.

Очевидно, что при заданных значениях Я1, 8ИМ и ЯД1 коэффициент

регулирования можно изменять, изменяя коэффициент усиления к УПТ. Чем больше значение NР2, тем более эффективно работает цепь автокомпенсации частотных искажений с регулировкой по отклонению.

Из выражения (1 ) видно, что режим частотной модуляции устойчивый, так как в характеристическом уравнении по Гурвицу все коэффициенты положительны.

В общем случае предложенная схема тандемного ЧМЦСЧ может работать в широком диапазоне частот ОВЧ и УВЧ диапазонов. Однако, поскольку нас интересует режим частотной модуляции в зависимости от NР1 и NР2, а также от ТН1 и ТН 2,

зафиксируем постоянные времени Т1 - 5 • 10-3 с, Т2 - 2 • 10-6 с, а также частоты модуляции ¥Н ...ГВ — (1 •101...1 -104)Гц .

Заменив в выражении (1) р на Ю., получим нормированную комплексную частотную модуляционную характеристику (КЧМХ):

*/

1 - .2Г1Г/ 1 + і. Т1( 1 + NP2 ) 1 - .2Т2Т/ 2 + і.Т2 Разделяя КЧМХ (2) на действительную и мнимую составляющие и находя модуль (2), получим расчётную формулу АЧМХ синтезатора, использующего метод ЧМ12АК в первом кольце ИФАПЧ и метод ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ.

А/ (^ -

(1 - 4р2^2Т1Т/ 1 )2 + 4р2^2Т12( 1 + NP1 )2[(1-4р2^2О2О/ 2)2 + 4р2^2О22]

Проведём анализ АМ (^) в зависимости от NР1 и NР2 при постоянных значениях ТН1 = 0,16 • 10-3 с (ЕСР1 = 1кГц ), ТН2 = 0,16 10 -5 с (ЕСР2 = 100кГц).

На рис. 2,а приведён график АЧМХ при NР1 = NP2 = 0, т.е. при отсутствии цепей компенсации, на рис. 2,б — при N Р2 = 0, N Р1 = 0,8, на рис. 2,в — при N Р1 = 0, NР 2 = 10 и на рис. 2,г — при NР1 = 0,8, NР 2 = 10.

Из графика на рис. 2, а видно, что в синтезаторе с частотно-модулированным УГ1 при NРl = NP2 = 0 имеют место существенные частотные искажения в области нижних модулирующих частот как в полосе пропускания ФНЧ1, так и за её пределами.

Введение цепи компенсации частотных искажений с регулировкой по возмущению ослабляет эти частотные искажения, однако в этой схеме уровень частотных искажений определяется точностью установки коэффициента регулирования NРl = 1.

Как видно из рис. 2,б, даже 20%-ная неточность установки NРl = 1 приводит к существенным частотным искажениям.

Введение цепи автокомпенсации частотных искажений с регулировкой по отклонению даже при NР1 = 0 корректирует форму АЧМХ, однако, как следует из рис. 2,в, при этом невозможно ослабить частотные искажения на низких модулирующих частотах, так как регулирование в этой схеме происходит не по частоте, а по фазе.

М ( Р) 0.5

7

/

1.5

АН

1 10 1 00 1-103 1-104 1-105

Р, Гц

0.5

3 4 5

1 10 100 1 10 1 10 1 10

Р, Гц

1.5

г

0.5

/

1 10 100 1-103 1-104 1-105 Р, Гц

Р , Гц г

Рис. 2. Графики АЧМХ

1

1

0

б

а

0

в

Как следует из рис. 2,г, совместное использование цепей компенсации частотных искажений по возмущению и отклонению, т.е. при модуляции методом ЧМ12АК в первом кольце ИФАПЧ и методом ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ сглаживает недостатки обоих методов и подчёркивает их достоинства.

Что касается частотных искажений в области верхних модулирующих частот, то, как следует из рис. 2,а—г, при выборе частоты среза ФНЧ2 много больше Рв , частотные искажения в области верхних модулирующих частот даже при цифровом сигнале, имеющем РВ » 10кГц , практически отсутствуют.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент на ПМ № 62310 РФ, Н 03 С 3/10, Н 03 Ь 7/18. Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией / С.Л. Анисимов, Е.А. Печенин, П.А. Попов. —

№2006143175; Заявл. 07.12.06.; Опубл. 27.03.07. — Бюл. № 9.

2. Курилов И.А. Автоматическая компенсация частотных искажений в двухкольцевых частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот / И. А. Курилов, С.Л. Анисимов // Радиотехника. — 2008. — №9. — С. 91—93.

Патент на ПМ № 71487 РФ, Н 03 С 3/10, Н 03 Ь 7/18. Цифровой синтезатор частот /

О.В. Чёткин, Е.А. Печенин, П.А. Попов, И.П. Усачев. — № 2007139341/22; Заявл. 25.10.07.; Опубл. 10.03.08. — Бюл. № 7.