СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ГЕНЕРАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO DETERMINE WORKING PARAMETERS OF PHASE-LOCKED LOOP GENERATOR FREQUENCY CONTROL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности к радиоэлектронике и компьютерным архитектурам, и может быть использовано в приемо-передающей аппаратуре измерительной техники для аналогового моделирования систем синхронизации генераторов и проектирования различных типов систем фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), включая нетрадиционные классы сигналов, что позволяет устранять возникающие помехи, в т.ч. и от нетиповых классов сигналов, и определять оптимальные рабочие параметры ФАПЧ в широком диапазоне частот, требуемом для успешной работы сложных радиоэлектронных устройств, многопроцессорных и многоядерных компьютерных систем, систем беспроводной связи, мобильной сотовой связи.
Известно, что тестирование реальной модели является чрезвычайно трудоемким процессом и не может гарантировать правильность работы системы при всевозможных входных сигналах и всевозможных внутренних состояниях основных блоков генератора, поэтому такой способ достаточно редко применяется на практике.
Известно, что наиболее распространенным способом, используемым при проектировании различных типов систем ФАПЧ для определения параметров системы, является способ моделирования и анализ созданных моделей фазовой автоподстройки в частотно-фазовом пространстве [1-2] с применением линейного или нелинейного анализа стационарного режима. Для построения моделей ФАПЧ в частотно-фазовом пространстве необходимо [3] предварительно определить характеристику фазового детектора (ФД), которая зависит от класса входных сигналов. Таким образом, каждому классу сигналов соответствует своя модель ФАПЧ в частотно-фазовом пространстве (все эти модели отличаются разной характеристикой ФД). Для классической системы ФАПЧ с фазовым детектором-перемножителем сигналов и для класса синусоидальных и импульсных классов сигналов такие модели построены и широко используются для моделирования при проектировании классических ФАПЧ [4]. Однако использование указанных моделей из-за зависимости конкретной модели от характеристики фазового детектора и от класса рассматриваемых сигналов не дает возможности проводить моделирование поведения системы ФАПЧ для нетиповых классов сигналов; возникающих при работе, например, со сложными радиоэлектронными устройствами, системами беспроводной связи и т.п., и не позволяет проводить анализ поведения системы ФАПЧ при возникновении помех и отклонении сигнала от заданного класса, так как в этом случае требуется вычисление соответствующей поступающему сигналу характеристики фазового детектора и соответствующей новой модели ФАПЧ.
Известна схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры [5], работа которой основана на формировании двух высокостабильных колебаний при воздействии на входе устройства ФАПЧ эталонного сигнала и направлена на повышение чувствительности приема слабого фазового модулированного или частотно модулированного сигнала. Однако известная схема фазовой автоматической подстройки частоты имеет достаточно узкий диапазон рабочих характеристик сигналов.
Известен синтезатор частоты с пониженным уровнем фазовых шумов [6], суть которого в уменьшении фазовых шумов при сохранении диапазона перестройки частоты. Однако известное устройство имеет достаточно узкий диапазон перестройки частот.
on
on
on
Известно устройство фазовой автоподстройки частоты [7], основанное на переключении конденсатора контура генератора для компенсации производственных разбросов компонентов и температурных влияний. Однако известное устройство имеет высокие фазовые шумы за счет использования для переключения емкостей цифровых блоков и наличия дискретных импульсных помех, в том числе, F и F/N и их гармоник, где F - частота опорного генератора, Т - коэффициент деления делителя частоты опорного генератора, а также за счет отсутствия фильтра низких частот, что также приводит к дополнительным фазовым шумам, и, кроме того, существенным недостатком являются помехи, которые возрастают с увеличением диапазона перестройки частот за счет увеличения крутизны перестройки управляемого генератора.
Известны способ определения рабочих параметров фазовой автоподстройки частоты генератора и модель его реализации [8], наиболее близкие к заявленной группе изобретений (способу определения рабочих параметров ФАПЧ генератора и устройству для его реализации), принятые в качестве прототипа для каждого из объектов изобретения. Сущность известного способа заключается в том, что задают два высокостабильных по частоте колебания сигнала, один из которых подстраиваемый, а другой эталонный; диапазон частот выбирают от 20 кГц до 20 ГГц, а формы сигналов задают синусоидальными или импульсными, пропуская их через перемножитель, затем получают дополнительный сигнал, после чего проводят низкочастотную фильтрацию и определяют рабочие параметры ФАПЧ для синусоидальных сигналов из соотношения:
и для импульсных сигналов соответственно:
где
1
2
θ - разность фаз сигналов, А и А- амплитуды сигналов.
Недостатками прототипа являются сложность и трудоемкость способа за счет необходимости использования одновременно разных и сложных подходов к определению рабочих характеристик фазового детектора, узкий диапазон рабочих характеристик и ограниченный класс сигналов генераторов за счет использования традиционных форм сигналов без учета их конкретного спектра, а также недостаточно высокая информативность и стабильность системы.
Технический результат, достигаемый новым решением, является общим для всей группы объектов заявленного изобретения (способа для определения рабочих параметров ФАПЧ генератора и устройства для его реализации) и состоит в упрощении и снижении трудоемкости; расширении диапазона рабочих характеристик и класса сигналов системы, повышении достоверности, устойчивости и стабильности работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения рабочих параметров ФАПЧ генераторов, в котором задают два высокостабильных по частоте колебания сигнала, один из которых подстраиваемый, а другой эталонный, диапазон их частот выбирают от 20 кГц до 20 ГГц и определяют дополнительный сигнал из соотношения
где
1
2
f(t) и f(t) - сигналы подстраиваемого генератора и эталонного, a f(t) - дополнительного сигнала, осуществляют низкочастотную фильтрацию, в соответствии с заявленным изобретением определяют спектры задаваемых сигналов, после чего их анализируют, получают их амплитуды и по этим значениям определяют рабочие параметры системы фазовой автоподстройки частоты по соотношению
где
a
l
l
и b соответствуют амплитудам спектров эталонного и подстраиваемого сигналов;
М - число амплитуд гармоник подстраиваемого и эталонного сигналов;
1
2
θ-θ- разность фаз сигналов;
φ - характеристика системы,
причем формы сигналов выбраны из соотношения:
a
i
j
где  и b соответствуют амплитудам спектров сигналов;
1
θ(t) - фаза эталонного сигнала;
2
θ(t) - фаза подстраиваемого сигнала.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что один из задаваемых высокостабильных по частоте колебания сигнала выбирают эталонным синусоидальной формы, а второй - подстраиваемым прямоугольной формы со своим собственным периодом, определяют рабочие параметры системы путем генерирования дополнительного сигнала синусоидальной формы со сдвинутой на четверть периода фазой и с амплитудой, определенной как половина произведения амплитуды эталонного сигнала и амплитуды первой гармоники импульсного сигнала.
Указанный технический результат достигается также новым устройством для определения рабочих параметров фазовой автоподстройки частоты генератора, содержащим эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания, последовательно соединенные между собой фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и расположенный через управляющий вход подстраиваемый генератор, в котором в соответствии с заявленным изобретением между эталонным генератором и фазовым детектором дополнительно установлен анализатор спектра, а между подстраиваемым генератором и фазовым детектором установлен анализатор спектра, в устройство дополнительно введен блок определения характеристики фазового детектора, к входам которого подключены выходы каждого из анализаторов спектра, к выходу блока определения характеристики фазового детектора подключен регистратор, фиксирующий рабочие параметры исследуемой системы фазовой автоподстройки частоты генератора.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в заявленном изобретении блок определения характеристики фазового детектора содержит арифметический контроллер с двумя входами, которые условно приняты за первый и второй, входы которого соединены с анализаторами спектра.
Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что арифметический контроллер выполнен с обеспечением точности вычислений не менее чем 5 (пять) знаков после запятой.
Кроме этого указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы формируют нетрадиционные классы сигналов, не ограничивающиеся синусоидальным и импульсным сигналами.
При этом используют генераторы сигналов специальной формы до 20 МГц или генератор ВЧ до 20 ГГц [9].
Помимо этого указанный технический результат достигается тем, что подстраиваемый и эталонный генераторы выбраны с радиочастотным диапазоном 10 кГц - 10 ГГц.
Вместе с тем, указанный технический результат достигается тем, что фазовый детектор выполнен в виде перемножителя двух сигналов, в качестве которого использован, например, On Semiconductor MC1491.
В основу заявленного изобретения поставлена техническая задача расширения функциональных возможностей, повышения информативности и достоверности полученных результатов, возможность оптимизации проектирования систем ФАПЧ и обеспечения качества при производстве систем ФАПЧ.
Сущность заявленного способа поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3, на которых представлены функциональные зависимости разных форм сигналов от времени.
В заявленном способе один из двух задаваемых высокостабильных по частоте колебания сигналов выбирают эталонным с синусоидальной формой, который на Фиг.1 изображен как функция зависимости от времени, где «Т» - период сигнала. Другой из задаваемых высокостабильных по частоте колебания сигналов выбирают подстраиваемым, с прямоугольной формой со своим собственным периодом, который на Фиг.2 изображен как функция зависимости от времени, где «Т» - период сигнала. Рабочие параметры в новом способе определяют путем генерирования дополнительного сигнала синусоидальной формы со сдвинутой на четверть периода фазой и с амплитудой, определенной как половина произведения амплитуды эталонного сигнала и амплитуды первой гармоники импульсного сигнала, который на Фиг.3 изображен как функциональная зависимость от времени, где «Т» - период сигнала.
Примеры реализации способа определения рабочих параметров ФАПЧ генератора
В качестве примеров приведены результаты конкретных исследований заявленного изобретения, проведенные на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета.
Пример 1.
Было проведено моделирование рабочих параметров системы ФАПЧ с фазовым детектором типа перемножитель для двух синусоидальных сигналов, которые были взяты в диапазоне частот 20 кГц и 20.1 кГц со спектрами, которые на Фиг.2 изображены в виде зависимости амплитуд от частот с конкретными параметрами:
- частота эталонного сигнала равна 20 кГц,
- частота подстраиваемого сигнала равна 20.1 кГц.
А_1 - амплитуда подстраиваемого сигнала равна 2 дБ.
А_2 - амплитуда эталонного сигнала равна 1 дБ.
В модели с такими параметрами определили дополнительный сигнал, равный половине разности двух синусоидальных сигналов с частотами 40 кГц и 0.1 кГц и амплитудами, равными произведению амплитуд эталонного и подстраиваемого сигналов, т.е. 2 дБ, путем перемножения подстраиваемого и эталонного сигналов. Для определения рабочих параметров системы проводили низкочастотную фильтрацию полученного дополнительного сигнала. В результате был получен косинусоидальный сигнал с частотой 0.1 кГц и амплитудой, равной половине произведения амплитуд исходных сигналов. По результатам низкочастотной фильтрации получены величины (амплитуда и частота сигнала, равные соответственно 2 дБ и 0.1 кГц), которые являются рабочими параметрами системы ФАПЧ фазового детектора.
Универсальность предлагаемой модели ФАПЧ в частотно-фазовом пространстве основана на реализации изменения характеристики фазового детектора, в зависимости от поступающих на вход фазового детектора сигналов, по оригинальной формуле, представленной в заявке. Для этого, как видно из заявленного способа, определяется спектральное представление сигналов на входе перемножителя сигналов, и по полученным коэффициентам вычисляется характеристика фазового детектора.
Как показывают результаты исследования примера 1, использование единого способа задания характеристики фазового детектора позволяет опустить его повторное вычисление, что существенно снижает трудоемкость.
1
2
-7
Способ определения характеристики фазового детектора-перемножителя сигналов опорного и управляемого генераторов отличается измерением зависимости мгновенных значений амплитуды периодических сигналов опорного v(t) и управляемого генераторов v(t), частотой более 1 МГц с интервалом времени между двумя последовательными измерениями не менее 10.
Пример 2.
Заявленный способ поясняется также конкретным примером использования устройства для реализации этого способа, схема которого представлена на Фиг.4.
Устройство содержит эталонный генератор высокостабильный по частоте колебания (1), последовательно соединенные между собой фазовый детектор (2), усилитель постоянного тока (3), фильтр нижних частот (4) и через управляющий вход подстраиваемый генератор (5), между эталонным генератором и фазовым детектором установлен анализатор спектра (7), а между подстраиваемым генератором (5) и фазовым детектором (2) установлен анализатор спектра (6), устройство также содержит блок определения характеристики фазового детектора (8), к входам которого подключены выходы каждого анализатора спектра (6) и (7), к выходу блока определения характеристики фазового детектора (8) подключен регистратор (9).
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. Эталонный и подстраиваемый генератор высокостабильных по частоте колебаний (1 и 2) сигналов генерирует в высокочастотный сигнал в диапазоне (10 кГц - 10 ГГц), который имеет форму, описываемую следующим соотношением:
a
i
j
где  и b соответствуют амплитудам спектров сигналов и зависят от конкретной реализации генераторов,
1
θ(t) - фаза эталонного сигнала,
2
θ(t) - фаза подстраиваемого сигнала.
Сигналы эталонного и подстраиваемого генераторов поступают на вход фазового детектора (2), который выполнен как перемножитель, например On Semiconductor MC1491, на выходе которого получаем сигнал, удовлетворяющий следующему соотношению:
где f(t) - выход блока.
1
2
i
j
1,
2
a
Сигнал с выхода фазового детектора поступает на вход последовательно соединенных усилителя постоянного тока (3), фильтра нижних частот (4) и через управляющий вход подстраиваемого генератора (5). Между подстраиваемым генератором (5) и фазовым детектором (2), так же как и между эталонным генератором (1) и фазовым детектором (2), установлены анализаторы спектра (6) и (7), которые по входным сигналам f(t) и f(t) позволяют определить М амплитуд спектров сигналов и их фазы (, b, θ θ). Конкретное значение М определяется реализацией анализаторов, увеличение этого числа обеспечивает увеличение точности конечного результата. Полученные результаты с выходов анализаторов (6 и 7) поступают на вход арифметического контроллера или ПЭВМ, где производится обработка поступающей информации в соответствии со следующим соотношением:
где:
a
l
l
, b - амплитуды спектров сигнала,
1
2
θ, θ - фазы сигналов.
Регистратор, вход которого подключен к выходу арифметического контроллера, регистрирует основные рабочие параметры системы, чем и достигается технический результат, который состоит в упрощении и снижении трудоемкости; расширении диапазона рабочих характеристик и класса сигналов системы, повышении достоверности, устойчивости и стабильности работы устройства.
Ниже приведен пример конкретной реализации устройства для определения рабочих параметров ФАПЧ, подтверждающий работоспособность и достижение указанного выше технического результата заявленным способом.
Конкретный пример работы устройства для определения рабочих параметров ФАПЧ состоит в следующем. Исходим из посылки, что эталонный и подстраиваемый генераторы генерируют сигнал, имеющий следующий вид:
1
1
2
2
1
2
2
f(t)=sin(ωt) и f(t)=sign sin (ω(t)t), где частота эталонного генератора ω=10 кГц, а частота подстраиваемого генератора (ω) меняется в зависимости от управляющего входа в пределах от 9 кГц до 11 кГц. Исходя из значения частоты подстраиваемого генератора, равной 10 кГц, определяют сигнал прямоугольной формы (sign sin(ω(t)t)). Сигналы от генераторов поступают на соответствующие входы фазового детектора, выполненного как перемножитель, на выходе которого получают сигнал следующего вида:
1
2
f(t)=sin(ω(t)sign sin(ω(t)t).
1
Далее полученный сигнал проходит через последовательно соединенные усилитель и низкочастотный фильтр, образуя управляющий сигнал. Кроме того, сигналы генераторов поступают на входы анализаторов спектра. Спектр сигнала эталонного генератора содержит лишь одно значение a=1, которое и фиксируется анализатором. Сигнал на выходе подстраиваемого генератора имеет следующие амплитудные характеристики:
где n - номер гармоники сигнала.
1
Исходя из посылки определения анализатором только первой гармоники имеем только одно значение с точностью, не меньшей, чем точность до третьего знака после запятой, т.е. b=0,424. Полученные значения амплитуд поступают на вход арифметического контроллера. Общее число амплитуд, обнаруженных спектральными анализаторами: М=1. Таким образом, на выходе арифметического контроллера получены значения характеристик системы ФАПЧ при различных значениях частот подстраиваемого сигнала. Например, разность фаз сигналов равна:
Так как фазы подстраиваемого и эталонного генераторов совпадают, то получаем значение характеристики фазового детектора равным 0,212, которое и фиксируется регистратором.
a
l
l
Как показывают результаты исследования по примеру 2, использование единого способа задания характеристики фазового детектора позволяет опустить его повторное вычисление, что снижает трудоемкость, а также за счет учета амплитуд , b спектров сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов достигается повышение достоверности.
Результаты проведенных исследований, изложенных в примерах 1 и 2, моделирующих конкретные условия реализации заявленных способа и устройства, показали работоспособность, достоверность и универсальность изобретения. Достижение технического результата стало возможным также за счет учета обнаруженной авторами закономерности универсальной зависимости характеристики фазового детектора от амплитуд спектров эталонного и подстраиваемого сигналов (импульсного и синусоидального), что на апробировании многих моделей подтвердило универсальность заявленного способа для всех типов сложных и нетрадиционных форм высокочастотных сигналов полигармонической структуры, по сравнению с известным способом-прототипом.
К значимому техническому результату относится также существенное расширение области применений, в частности увеличение числа типов различных форм эталонного и подстраиваемого сигналов и повышение универсальности вычислений при разных типах упомянутых сигналов. Это достигается путем введения в известный способ дополнительной процедуры определения амплитуд ЭС (эталонный сигнал) и ПС (подстраиваемый сигнал), имеющих более сложную форму, чем известные в прототипе.
Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения в целом состоит в расширении диапазона рабочих характеристик сигналов подстраиваемого и эталонного генераторов за счет представления сигналов в виде ряда Фурье; повышении устойчивости (стабильности) работы устройства за счет учета дополнительных гармоник подстраиваемого и эталонного сигналов и их последующего спектрального анализа; расширении функциональных возможностей и связанной с этим новой появившейся возможности применять способ для решения более широкого круга сложных проблем, что делает изобретение универсальным для решения задач вычисления диапазонов захвата и удержания частоты систем ФАПЧ за счет обнаруженной закономерности в представленной зависимости характеристики фазового детектора от амплитуд спектров эталонного и подстраиваемого сигналов в явном виде; и упрощении и снижении трудоемкости за счет учета указанной закономерности; повышении информативности и достоверности полученных результатов за счет учета дополнительных гармоник в спектрах эталонного и подстраиваемого сигналов; возможности оптимизации проектирования систем ФАПЧ и в обеспечении качества при производстве систем ФАПЧ за счет выявления и задания сигналов, рабочие параметры которых обеспечивают наиболее близкие к оптимальным, благодаря возможности задания широкого диапазона сигналов.
Заявленное изобретение позволяет успешно решать задачи, связанные с моделированием систем фазовой синхронизации, построением более совершенных и более сложных систем ФАПЧ, современной мобильной связи, передачей информации беспроводным способом, модуляции нетиповых классов сигналов, многоядерных и многопроцессорных систем в сложных радиоэлектронных устройствах, а также задачи, связанные с определением характеристик фазовых детекторов, являющихся неотъемлемой частью многопроцессорных и многоядерных компьютерных систем.
Источники информации
1. US Patent No.7,613,268 В2, Int. K1. H04B 1/00.
2. US Patent Application Serial No.2004/0208274 A1, Int. K1. H04B 1/26.
3. Abramovitch, D. Phase-Locked Loops: A control Centric Tutorial, Proceedings of the American Control Conference 2002. vol.1, p.1-15 (пленарный доклад).
4. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи. 1966. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: Связь, 1972.
5. Патент РФ №2280321 С2; МПК H03L 7/00.
6. Патент РФ №2370885 С1; МПК H03L 7/087.
7. USA Patent No.6,549,765, Int. Kl. H04B 1/26.
8. Фазовая синхронизация. Теория и приложения. Автоматика и телемеханика, 2006, No 10, p.47-85 (прототип).
9. http://www.pribor-service.ru/sb.php.zapb=Generatori_spf-
Используемые термины
Перемножитель двух сигналов: электронное устройство с двумя входами и одним выходом, генерирующее на выходе сигнал (напряжение), равный произведению сигналов (напряжений), поступающих на два входа.
Фазовый детектор (ФД): в электронике устройство, сравнивающее фазы двух входных сигналов. Обычно один из них генерируется генератором сигнала, управляемым напряжением, а второй берется из внешнего источника. ФД обычно имеет один выходной сигнал, управляющий стоящей за ним схемой фазовой автоподстройки (задача схемы фазовой автоподстройки сделать фазы входных сигналов одинаковыми), другими словами фазовым детектором называют устройство, предназначенное для создания сигнала, пропорционального разности фаз между генерируемым сигналом и эталонным сигналом. (Существуют различные электронные реализации ФД: например, перемножитель двух сигналов, XOR и др.)
Характеристика фазового детектора: работа фазового детектора характеризуется графиком зависимости фазы выходного сигнала от разности фаз входных сигналов, которая называется характеристикой фазового детектора. Характеристика фазового детектора вычисляется в зависимости от типа входных сигналов (для наиболее употребительных реализаций фазовых детекторов, например, перемножитель двух сигналов, XOR и др., и типовых сигналов, например, два синусоидальных сигнала, два импульсных сигнала, характеристики фазовых детекторов вычислены и хорошо известны).