Компенсация частотных искажений в тандемных цифровых синтезаторах частот с угловой модуляцией

П. А. Попов,

доктор технических наук, профессор

О.В. Четкин,

кандидат технических наук

КОМПЕНСАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В ТАНДЕМНЫХ ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРАХ ЧАСТОТ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

COMPENSATION OF FREQUENCY DISTORTIONS IN THE TANDEM DIGITAL SYNTHESIZERS OF FREQUENCIES WITH ANGULAR MODULATION

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

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

В последнее время в научно-технической литературе уделяется большое внимание двухкольцевым, или тандемным, частотно-модулированным цифровым синтезаторам частот (ЧМЦСЧ) с использованием во втором кольце ИФАПЧ2 делителя частоты с дробно-кратным переменным коэффициентом деления (ДДПКД2), что позволяет при значительной частоте сравнения второго кольца ИФАПЧ2 fcp2 получать малый шаг

сетки частот при высокой скорости переключения рабочих частот.

В [1,2] рассматриваются тандемные ЧМЦСЧ при одноточечной частотной модуляции управляемого генератора (УГ1) первого кольца ИФАПЧ1. Такой метод модуляции получил условное обозначение метода ЧМ1. Исследования показывают, что в таких тандемных ЧМЦСЧ даже при узкополосном ФНЧ1 в цепи управления УГ1 невозможно добиться равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) в области нижних модулирующих частот, которые при модуляции цифровым сигналом составляют единицы герц.

Для компенсации частотных искажений в области нижних модулирующих частот в [3] предлагается в первом кольце ИФАПЧ1 использовать двухточечную модуляцию ЧМ12, при которой частотная модуляция осуществляется одновременно в управляемом (УГ1) и опорном (УОГ) генераторах первого кольца ИФАПЧ1.

Это позволяет расширить полосу пропускания ФНЧ1 и тем самым повысить быстродействие тандемного ЧМЦСЧ при отсутствии частотных искажений в области нижних модулирующих частот. Однако этого эффекта можно добиться только при коэффициенте регулирования цепи компенсации с регулировкой по возмущению

Nn = 1. Неточность установки Nn = 1 значительно влияет на частотные искажения в области нижних модулирующих частот.

Введение цепи автокомпенсации частотных искажений с регулировкой по отклонению с коэффициентом регулирования N Р2 )1 позволяет уменьшить частотные искажения в области нижних модулирующих частот даже при N Р1 Ф1. Такой метод модуляции условно обозначается методом ЧМ12АК, при котором во втором кольце ИФАПЧ2 осуществляется косвенная модуляция методом ЧМ2.

Структурная схема тандемного ЧМЦСЧ при модуляции методом ЧМ12АК изображена на рис. 1.

УПТ

УОГ

ДЧ

ИНВ

т

ФНЧ1

ИФМ

ДФКД1

АТ

ИЧФД1

* ДПКД1

ИМС

УГ1

uм

РАТ

т)

ДФКД2

БУЧ ч ЦАП

У

\ /

ИЧФД2

ДДПКД2

УГ2

ФНЧ2

Рис. 1. Структурная схема тандемного ЧМЦСЧ с частотной модуляцией УГ1 и УОГ первого кольца ИФАПЧ1 методом ЧМ12 АК и второго кольца ИФАПЧ методом ЧМ2

На этом рисунке введены следующие условные обозначения: УГ1, УГ2 — управляемые генераторы; ФНЧ1, ФНЧ2 — фильтры нижних частот; УОГ — управляемый опорный кварцевый генератор; ДЧ — дополнительный делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления; РАТ — регулируемый аттенюатор; БУЧ — блок установки частоты; ЦАП — цифро-аналоговой преобразователь; ДФКД1, ДФКД2 — делители частоты с фиксированным коэффициентом деления; ДПКД1 — делитель частоты с переменным коэффициентом деления; ДДПКД2 - дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления; АТ — аттенюатор; ИМС — источник моделирующего сигнала; ИЧФД1, ИЧФД2 — импульсные частотно- фазовые детекторы; ИНВ — инвертор; УПТ — усилитель постоянного тока; ИФМ — импульсно-фазовый модулятор.

Для сохранения возможности использования интегральных микросхем ЦСЧ, имеющих объединённые в один блок ДФКД1, ДПКД1 и ИЧФД, в опорный канал первого кольца ИФАПЧ между УОГ и ИФМ введён делитель частоты (ДЧ) с коэффициентом деления R, при этом коэффициент деления ДФКД1 R1 может быть значительно уменьшен, вплоть до R1 = 1, что даёт возможность использовать линейный участок модуляционной характеристики ИФМ.

Передаточная модуляционная функция (ПМФ) синтезатора является произведением ПМФ первого и второго колец ИФАПЧ:

W (p) = W (p) ^ (p) = S

ггМ^Г/ ГГ М\\У } 1 г М2 \¥} иМ

1 + NPl  —  FН 1(p)-------------1

Р1 pT1 Н1УУ’ 1+NР 2

Рн 1

N

N2

Д2

1 + ^  Fн 1

PT1

1

1 + Nр 2  ^ 1

1 + PT2

1

РН2

,

при этом нормированная на БМУГ1 ПМФ имеет вид

1 + N

Р1

№М (p) = -

pT\

РН 1

1

1 + NP 2  РН 1

1 + -

рТ

РН 1( Р)-

1

1 + NP 2  РН 1

1 + РТ2

1

РН 2

В этих выражениях использованы следующие обозначения:

N Р1 — коэффициент регулирования цепи компенсации частотных искажений с регулировкой по возмущению при двухточечной модуляции,

N S

1 ’ 1 °МОГ .

N = к

Р1 АТ

Щ S МУГ1 1

NР2 = к-----SИМ  Sд 1 — коэффициент регулирования цепи автокомпенсации

частотных искажении с регулировкой по отклонению;

к АТ — коэффициент передачи АТ; Т1 =

N

2р  SД1  S УУГ1

Т=

N.

2р  ^2  SУУГ2

постоянные времени соответственно ИФАПЧ1 и ИФАПЧ2; SУУГ 1з SУУГ2 — крутизны характеристик управления УГ1 и УГ2; Бд 1, Бд2 — крутизны детекторных характеристик ИЧФД1 и ИЧФД2; N1, N2 — коэффициенты деления ДПКД1 и ДДПКД2; Я2 — коэффициент деления ДФКД2; БМОГ — крутизна модуляционной характеристики УОГ; БМУГ 1 — крутизна модуляционной характеристики УГ1; ТИ — постоянная времени ИНТ; к — коэффициент усиления УПТ; БИМ — крутизна модуляционной характеристики ИФМ.

При использовании в качестве ФНЧ1 и ФНЧ2 интегрирующих фильтров с передаточными функциями

РН 1( Р ) =-

1

РН 2 (Р) =

1

1 + РТН1 1 + РТН 2

выражение (2) преобразуется к виду

Р ХТН1 + РТ1(1 + NP2 ) + NP1

wМ ( р ) =

1

Р ХТН1 + рТ1(1 + NP2 ) + 1 р 2Т2ТН 2 + рТ2 + 1

1

1

1

где ТН1, ТН 2 — постоянные времени соответственно ФНЧ1 и ФНЧ2.

Исходя из выражения (3) 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 ОВЧ и УВЧ. Однако, поскольку представляет особый интерес влияние NР1 и NР2 на качество модуляции, зафиксируем постоянные времени Т1 = 5  10-3 с, Т2 = 2  10-6с, а также частоты модуляции РН ..РВ = (1 • 101...1 • 10 4)Гц .

Путём замены в

Разделяя КЧМХ (4) на действительную и мнимую составляющие и находя модуль (4), получили расчетную формулу АЧМХ синтезатора, использующего метод ЧМ12АК в первом кольце ИФАПЧ и метод ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ.

Был проведён анализ (Г) в зависимости от и NР2 при постоянных значениях ТН1 = 0,16 10-2 с (ЕСР1 = 100Гц ), ТН 2 = 0,16 • 10-5 с ( ГСР2 = 100кГц ).

На рис. 2, а приведён график АЧМХ при N Р1 = NP 2 = 0, т.е. при отсутствии цепей компенсации; на рис. 2, б - график АЧМХ при NР2 = 0, = 1,2; на рис. 2, в -

график АЧМХ при NРl = 0, NР2 = 10 и на рис. 2, г - график АЧМХ при NРl = 1,2, N Р 2 =10.

1

1. 5

АН

0.5

Р, Гц

а)

Р ,Гц

б)

1.5

АН

0.5

N 1

10

3 4 5

100 1-103 1 -104 1 -10 5

10

1 00 1-103 1-104 1-105

Р, Гц в)

Рис. 2. АЧМХ тандемного ЧМЦСЧ

Р, Гц

г)

Из графиков на рис. 2, а видно, что в синтезаторе с частотно-модулированным

УГ1 методом ЧМ1 при N

Р1

Р 2

: 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 NР1 = 1.

Как видно из рис. 2, б, даже 20%-ная неточность установки N Р1 = 1 приводит к существенным частотным искажениям в области нижних модулирующих частот.

Введение цепи автокомпенсации частотных искажений с регулировкой по отклонению даже при Nn = 0 корректирует форму АЧМХ, однако, как следует из рис. 2, в, при этом невозможно ослабить частотные искажения на нижних модулирую-

1

0

0

1

1

щих частотах, так как регулирование в этой схеме происходит не по частоте, а по фазе, при этом имеется значительный завал АЧМХ в области нижних модулирующих частот.

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 подчеркивает 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. Анисимов С.Л., Попов П.А. Построение двухкольцевых частотно-модулированных синтезаторов частот на современной цифровой элементной базе // Вестник Воронежского института МВД России.— 2007.— №1.— С. 147—177.

3. Четкин О.В. Частотные характеристики тандемных цифровых синтезаторов частот с угловой модуляцией управляемого и опорного генераторов // Вестник Воронежского государственного технического университета.— 2009.— Том 5.— №4.— С. 72—75.