ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано 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 ОЗС 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 образной 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 импудьсно-фазового детектора (ИФД) более инерционным, а это приводит к снижению быстродействия и помехоустойчивости ЦСЧ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЦСЧ с частотной модуляцией (см. патент РФ на полезную модель N 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 (У А) на модулирующий вход управляемого опорного кварцевого генератора (УОКГ). При этом, на выходе делителя частоты с фиксированным коэффициентом (ДФКД), включенном между выходом УОКГ и вторым входом ИФД, формируется поток коротких опорных импульсов с частотой сравнения Fcp, 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 ИФД. В результате сравнения этих двух потоков импульсов, одинаково модулированных по фазе, на выходе ИФД 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 подучить высокое быстродействие при переключении частот и равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот.
Однако, из-за широкой полосы пропускания петлевого ФНЧ имеет место недостаточное подавление помех с частотой сравнения на управляющем входе УГ, что выражается в появлении паразитной фазовой модуляции (ПФМ) выходного сигнала УГ. ПФМ особенно ухудшает двухсигнальную избирательность приемника, когда Ц СЧ работает в режиме перестраиваемого по частоте гетеродина приемника.
Задачей предлагаемого технического решения является ослабление паразитной фазовой модуляции выходного сигнала ЦСЧ при одновременном повышении быстродействия.
Поставленная задача достигается тем» что ЦСЧ с частотной модуляцией, содержащий соединенные в кольцо управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, импульсно-фазовый детектор и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора, последовательно соединенные управляемый опорный кварцевый генератор и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом импульсно-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, дополнительно содержит интегратор, усилитель постоянного тока, квадратор, первый и второй инверторы, первый, второй, третий и четвертый сумматоры, первый и второй управляемые усилители, вычислитель квадратного корня, источник постоянного напряжения, фазовращатель на (- я4) и фазовращатель на (+ w4), при этом выход фильтра нижних частот через разделительный конденсатор соединен с последовательно включенными интегратором, усилителем постоянного тока, квадратором, первым инвертором, вторым сумматором и вычислителем квадратного корня, выход которого через третий сумматор соединен с управляющим входом первого управляемого усилителя, а через четвертый сумматор - с управляющим входом второго управляемого усилителя, второй вход третьего сумматора соединен с выходом усилителя постоянного тока и через второй инвертор со вторым входом четвертого сумматора, второй вход второго сумматора - с источником постоянного напряжения, причем выход управляемого генератора через последовательно соединенные фазовращатель на (- w4) и первый управляемый усилитель соединен с первым входом первого сумматора, а через последовательно соединенные фазовращатель на (+ w4)
и второй управляемый усилитель - со вторым входом первого сумматора, выход которого является выходом устройства.
На дату подачи материалов заявки авторам не известно техническое решение, совокупность существенных отличительных признаков которого совпадает с заявляемой.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема ЦСЧ с частотной модуляцией.
ЦСЧ с ЧМ содержит соединенные в кольцо УГ 1, ДПКД 2 ИФД 3 и ФНЧ 4, выход которого соединен с управляющим входом УГ 1, последовательно соединенные УОКГ 5 иДФКД б, выход которого соединен со вторым входом ИФД 3, источник модулирующего сигнала (ИМС) 7, выход которого соединен с модулирующим входом УГ 1 и через УА 8 с модулирующим входом УОКГ 5, блок установки частоты (БУЧ) 9, выход которого соединен с установочным входом ДПКД 2 и с управляющим входом УА 8, последовательно соединенные фазовращагедь на (-я/4) (ФВ) 10, первый управляемый усилитель (УУ) 11 и первый сумматор 12, второй вход которого через второй У У 13 и фазовращагель на (+я/4) ФВ 14 соединен с выходом УГ 1 и входом ФВ 10, последовательно соединенные интегратор (ИНТ) 15, усилитель постоянного тока (УПТ) 16, квадратор 17, первый инвертор (ИНВ) 18, второй сумматор 19 и вычислитель квадратного корня (ВКК) 20, выход которого через третий сумматор 21 соединен с управляющим входом первого У У 11, а через четвертый сумматор 22 - с управляющим входом второго У У 13. При этом второй вход сумматора 21 соединен с выходом УПТ 16 и через второй ИНВ 23 со вторым входом сумматора 22, второй вход сумматора 19 соединен с источником постоянного напряжения (ИПН) 24, вход ИНТ 15 через разделительный конденсатор 25 соединен с выходом ФНЧ 4,а выход сумматора 12 является выходом устройства.
Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией работает следующим образом.
После установления режима синхронизма в кольце ИФАПЧ на выходе УГ 1 формируется высокочастотное (ВЧ) колебание с единичной амплитудой
;=
ui(t) = 1 cos [ (»t + q>^t) + (pn(t) ], (1) где (py(t) - составляющая полезной модуляции, <pn(t) - составляющая паразитной модуляции. При этом <pn(t) m f Cn(t) dt, где m [ рад/В ] -размерный коэффициент, Cn(t) - помеховая часть напряжения подстройки на выходе ФНЧ 4, определяемая из выражения еф = Е + e'n (t), a E - постоянная составляющая напряжения подстройки на выходе ФНЧ 4.
После фазовращателя 10 имеем
я1 ^
4
(2)
Ua(0= I- cos cot +^(0+^(0-а после фазовращателя 14
я
J
U^t)=l-C08\at+^(t)+<^(t)+
==
С учетом значения (рп(0  m f Cn(t) dt выражения (2) можно представить в виде
^)=l-cos ttt+^(t}+m\e,W-"-, (3) •
;г
u.s(t)=l-ws <жГ+^(/)+wfe,(^)</^+. (4)
1
После разделительного конденсатора 25, ИНТ 15 формируется сигнал ei(t) == I en(t) dt, а после УПТ 16 e^t) - J Cn(t) dt, где Cn(t) - кеп^), к -коэффициент усиления УПТ 16.
После квадратора KB 17 имеем e^(t)=h[{e^(t)dt\, где h [ 1/В ] -
размерный коэффициент.
Тогда на выходе ИНВ 18 формируется напряжение
2
e,(0=-^[Je"(0^]
В результате суммирования сигнала 04(1) с постоянньш единичным напряжением Ео = 1 с выхода ИПН 24 на входВКК 20 после сумматора 19 поступает напряжение
2
е,(0=1-/{^ДО], апослеВКК20
e^=^l-h[^(t)c!t].
В этом случае на выходе третьего сумматора 21 формируется управляющее напряжение, которое поступает на управляющий вход УУ 11
e^)=e,(t)+e^=^l-h[^w]+^W.
С выхода второго ИНВ 23 на второй вход четвертого сумматора 22 поступает сигнал <г, (?) = -f <?" (t)dt.
В результате на выходе сумматора 22 формируется управляющее напряжение, которое поступает на управляющий вход У У 13
e"(t}=e,(t)+^t)=^l-h[^w]-^W.
Тогда при коэффициентах усиления У У 11 и У У 13 в рабочей точке, равных К, напряжения на их выходах соответственно равны
u,(Q=^{Jl-ArJe,(^T+Je,(^lcosL+^(0+^k(0^-^1, [ т '-' -1 - "4
u5(Q=^|Ji-Ark(^T-k(^4cosL+^(0+wJ^(^+^-.
I JL 4-Эти напряжения поступают на соответствующие входы сумматора 12, на выходе которого формируется сигнал ЦСЧ, значительно очищенный от помех
ii^=u^t)+Us(t)=^coa[aut+^(t)+m^(t)dt+^(t)],
2
2
2
2
где U, = K^-h[^(t)dt'J+2h^l-h[^(t)clt'].^W+ +A[^^(^]+1-A[^^(^]-2^1-A[^^(^].^^(^-A[J^(^],
=:
у
\e^(t}dt r-. -. то есть Us  •41.-К, щ, (?) = -агс^,  = - arcsin ^Je" (г)<й-
2
^-A[J^W]
Таким образом,
u<(t)= \/2- Г cos [cot + <jp" (Г) + т\е^ (t)dt - arcsin faj^ (0<Й~|}.
Разлагая агс8тГ/г^ (г>э^1 в ряд Тейлора и ограничившись [ при en(t) « 1] первыми двумя членами ряда, имеем
=
aicsm[h^(t)dt] m^dt-^mh^e^dt^.
2
В этом случае U6(t)=У2Kcos^+^(0+^[^^(^J^=^cos[^+^(0+%^(0]
Таким образом, в выходном сигнале квадратурного буферного усилителя УГ ЦСЧ существенно ослаблена ПФМ, так как при Cn(t)« 1
<
<
n
^
остаточное значение паразитной составляющей (рп ост (t)^^J^n^)^ •
Кроме того, в выходном сигнале отсутствует паразитная амплитудная модуляция (ПАМ), т.е. отсутствует преобразование ПФМ в ПАМ.
В предложенном ЦСЧ подавление паразитной частотной модуляции (ПЧМ) осуществляется не только с помощью петлевого ФНЧ, но и с помощью введенного квадратурного буферного усилителя и схемы управления, подключенной к выходу ФНЧ. Это обеспечивает возможность уменьшения инерционности петлевого ФНЧ и тем самым повышения быстродействия ЦСЧ с ЧМ. При отключении модуляции информационным сигналом от ИМС 7 выходной сигнал ЦСЧ используется как сигнал гетеродина приемника, очищенный от помех с частотой сравнения и ее гармониками, что позволяет повысить двухсигнальную избирательность приемника.
Таким образом, за счет перераспределения подавления ПЧМ между ФНЧ и вновь введенными узлами квадратурного преобразования
увеличивается подавление ПЧМ в выходном сигнале устройства и повышается быстродействие ЦСЧ.
Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах: интегратор, сумматоры и инверторы могут быть выполнены на операционных усилителях. Фазовращатели на ±л4 представляют собой резонансные цепи (например, контуры), в которых определенным подбором реактивных элементов (L, С) достигается фазовый сдвиг на ±ть4 выходного сигнала относительно входного. Сумматор на выходе устройства может быть выполнен пассивным (на резисторах). Управляемый усилитель представляет собой высокочастотный усилитель, коэффициент усиления которого можно менять с помощью внешнего напряжения управления. В качестве квадратора и вычислителя квадратного корня используется перемножителъ на микросхеме 525 ПС1.
Таким образом, применение предлагаемого ЦСЧ с ЧМ позволяет получить равномерную АЧМХ в широком диапазоне модулирующих частот при одновременном увеличении быстродействия и высокой чистоте спектра несущего колебания.