СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА С УМЕНЬШЕННЫМ УРОВНЕМ ПОБОЧНЫХ ДИСКРЕТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
METHOD FOR OBTAINING RADIO FREQUENCY SIGNAL WITH REDUCED LEVEL OF BY-SIDE DISCRETE COMPONENTS

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к синтезаторам на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
cинхр
Известен способ получения радиочастотного сигнала, включающий получение сигнала частотой F, тактирование этим сигналом первой микросхемы прямого цифрового синтеза (МПЦС) для получения опорного сигнала частотой:
,
1
где α - коэффициент, который выбирают исходя из условия его непопадания в предварительно определенные «запрещенные» области значений, преобразование которых в первой МПЦС приводит к получению выходного сигнала с побочными дискретными составляющими в полосе , где  - половинная ширина полосы частот первой МПЦС, в которой необходимо обеспечить отсутствие побочных дискретных составляющих (см. RU 2579570, 10.04.2016).
вых
вых
синхр
вых
синхр
В известном способе сравнивают фазу и частоту опорного и синхронизируемого сигналов для выработки аналогового напряжения, пропорционального фазовому и/или частотному рассогласованию, фильтруют полученное напряжение по низкой частоте, подают это напряжение на генератор, управляемый напряжением, для получения на его выходе сигнала частотой F и ответвляют часть полученного сигнала в контур отрицательной обратной связи для его частотного преобразования с последующей подачей преобразованного сигнала на фазочастотный детектор в качестве синхронизируемого. Частотное преобразование осуществляют при помощи второй МПЦС, тактируя ее сигналом частотой F-DF, получаемым путем смешивания сигналов с частотами F и DF с дальнейшим выделением разностной составляющей, для получения на ее выходе сигнала частотой:
,
где D - коэффициент деления частоты для тактирования первой МПЦС,
2
1
α=Сα,
1
α определяют как середину самой широкой разрешенной зоны.
2
2
2
*
Если α принимает значение, находящееся внутри «запрещенной» области, α присваивают значение α из соседней «разрешенной» области, такое, чтобы соблюдалось условие:
где
- половина ширины «разрешенной» области,
dds1
1
1
*
и производят изменение частоты опорного сигнала F, присваивая α значение α, определяемое из математического выражения:
Известный способ выбран в качестве ближайшего аналога к заявленному способу.
Недостаток известного способа состоит в недостаточном подавлении гармоник низких порядков в спектре побочных дискретных составляющих, вследствие того, что ширину полосы  выбирают постоянной для любого номера гармоники.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения радиочастотного сигнала, лишенного указанных недостатков.
В результате достигается технический результат, заключающийся в уменьшении уровня побочных дискретных составляющих выходного радиочастотного сигнала при одновременном сохранении достаточного низкого уровня фазовых шумов.
Конкретно, технический результат достигается путем реализации способа получения радиочастотного сигнала, включающего:
cинхр
получение сигнала частотой F, тактирование этим сигналом первой МПЦС для получения опорного сигнала частотой:
,
1
запрщ
где α - коэффициент, который выбирают исходя из условия его непопадания в предварительно определенные «запрещенные» области значений, преобразование которых в первой МПЦС приводит к получению выходного сигнала с побочными дискретными составляющими амплитудой  выше допустимой , где n - номер гармоники побочной дискретной составляющей выходного сигнала, ширину Δγкоторых определяют из математического выражения:
,
nс
где ΔF(n) - величина частотной отстройки n-й побочной дискретной составляющей от основного сигнала, которую определяют из уравнения:
,
где  - амплитуда побочной дискретной составляющей после ее подавления в петле фазовой автоподстройки частоты,
n
А - амплитуда побочной дискретной составляющей на выходе первой МПЦС,
Н - функция амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) петли фазовой автоподстройки частоты;
сравнение фазы и частоты опорного и синхронизируемого сигнала для выработки аналогового напряжения, пропорционального фазовому и/или частотному рассогласованию;
фильтрацию полученного напряжения по низкой частоте;
вых
подачу этого напряжения на генератор, управляемый напряжением, для получения на его выходе сигнала частотой F и
ответвление части полученного сигнала в контур отрицательной обратной связи для его частотного преобразования с последующей подачей преобразованного сигнала на фазочастотный детектор в качестве синхронизируемого.
вых
синхр
вых
синхр
Частотное преобразование осуществляют при помощи второй МПЦС, тактируя ее сигналом частотой F-DF, получаемым путем смешивания сигналов с частотами F и DF с дальнейшим выделением разностной составляющей, для получения на ее выходе сигнала частотой:
dds2
2
вых
синхр
F=α(F-DF),
где D - коэффициент деления частоты для тактирования первой МПЦС,
2
1
α=Сα,
,
1
α определяют как середину наиболее широкой «разрешенной» области.
2
Осуществляют процедуру проверки непопадания коэффициента α внутрь соответствующих «запрещенных» областей значений, преобразование которых во второй МПЦС приводит к получению выходного сигнала с побочными дискретными составляющими амплитудой  выше допустимой .
2
2
2
*
В случае, если α принимает значение, находящееся внутри «запрещенной» области, α присваивают значение α из соседней «разрешенной» области такое, чтобы соблюдалось условие:
,
разреш
1
где Δγ - половина ширины «разрешенной» области, в которой находится α,
dds1
1
2
*
и производят изменение частоты опорного сигнала F, присваивая α значение α, определяемое из математического выражения:
.
2
1
1
2
*
В случае, если ни для какого значения α из упомянутой соседней «разрешенной» области условие  не соблюдается, то α определяют как середину другой непроверенной «разрешенной» области и повторяют упомянутую процедуру до тех пор, пока коэффициенты α и α не примут значения, находящиеся в соответствующих «разрешенных» областях.
1
2
ddsl
dds2
Использование при реализации способа описанной последовательности выбора коэффициентов α и α (и, соответственно, F и F) приводит к существенному уменьшению уровня побочных дискретных составляющих выходного радиочастотного сигнала (по сравнению со способом, приведенным в RU 2579570), и, следовательно, к повышению его качества.
На фиг. 1 представлена схема, позволяющая реализовать заявленный способ.
ddx1
cинхр
На фиг. 2 представлен график зависимости ширины «запрещенных» областей от выходной частоты первой МПЦС, нормированной на частоту ее тактирования F/F, соответствующий примеру реализации способа, приведенному в ближайшем аналоге.
dds1
cинхр
На фиг. 3 представлен график зависимости ширины «запрещенных» областей от выходной частоты первой МПЦС, нормированной на частоту ее тактирования F/F, соответствующий примеру реализации заявленного способа.
dds1
dds2
На фиг. 4 показана последовательность выбора частот первой и второй МПЦС F и F для формирования выходных частот вне «запрещенных» областей.
На фиг. 5 представлена экспериментальная АЧХ петли ФАПЧ.
Заявленный способ реализуют следующим образом.
Как показано на схеме, представленной на фиг. 1, с опорного генератора 1 получают сигнал заданной частоты. Производят умножение частоты опорного генератора при помощи умножителя 2 и ее последующее деление на целочисленный коэффициент D при помощи делителя 3.
cинхр
dds1
1
cинхр
В результате получают сигнал частотой F и производят тактирование этим сигналом первой МПЦС 4 для получения на ее выходе опорного сигнала частотой F=αF.
Далее производят сравнение фазы и частоты опорного и синхронизируемого сигналов для выработки аналогового напряжения, пропорционального фазовому и/или частотному рассогласованию при помощи фазочастотного детектора 5, а затем осуществляют фильтрацию полученного напряжения по низкой частоте при помощи фильтра низких частот 6.
вых
Далее это напряжение подают на генератор, управляемый напряжением (ГУН) 7, для получения на его выходе сигнала частотой F, а затем ответвляют часть полученного сигнала в контур отрицательной обратной связи (ООС) 8.
выx
синхр
В контуре ООС синхронизируемый сигнал получают при помощи второй МПЦС 9, тактируя ее сигналом частотой F-DF, для получения на ее выходе сигнала частотой:
dds2
2
вых
синхр
F=α(F-DF).
вых
синхр
вых
синхр
Сигнал частотой F-DF получают смешиванием сигналов с частотами F и DF в смесителе 10 с дальнейшим выделением разностной составляющей в фильтре низких частот 11.
dds1
dds2
ddx1
dds2
1
2
Последовательность выбора выходных частот F и F может быть реализована при помощи управляющего устройства 12 путем присваивания выходным частотам F и F кодов, соответствующих α и α для первой и второй МПЦС 4 и 9, выбираемых согласно предварительно определенному и записанному в память управляющего устройства 12 набору «запрещенных» областей.
«Запрещенные» области находят при помощи программы, запускаемой, например, на персональном компьютере. Программа рассчитывает набор соотношений , где
dds1кр
F - это набор частот, получение сигналов на которых в первой МПЦС 4 приводит к совпадению частот основных гармоник и гармоник высших порядков этих сигналов вследствие эффекта наложения.
cинхр
Другими словами, это набор частот первой МПЦС, кратных частоте ее тактирования F (далее - кратных частот):
dds1кр
синхр
dds1кр
±F=mF-nF,
,
n
где n - номер гармоники сигнала с выхода первой МПЦС 4, взятый в диапазоне от 1 до N, где N - максимальный номер учитываемой гармоники, выбираемый так, чтобы амплитуда А гармоник с номерами n≥N не превышала допустимую  (если гармоника имеет на выходе МПЦС амплитуду , то ее не требуется подавлять),
m - номер гармоники частоты тактирования, соответствующий n, причем .
n
nc
nc
Для каждого  определяют ширину «запрещенной» области из условия подавления гармоники выходного сигнала n-го порядка с амплитудой А с помощью петли ФАПЧ с АЧХ, описываемой функцией H(ΔF), где ΔF - величина частотной отстройки побочной дискретной составляющей от основного сигнала до амплитуды не выше допустимой :
nc
Рассмотрев в качестве предельного случая равенство , получают выражение для ΔF:
, где
- функция, обратная к АЧХ ФАПЧ.
Условие попадания в «запрещенную» область определяют из выражения:
,
dds1
dds1кр
где F=F+ΔF,
ddx1
dds1кр.
где ΔF - величина частотной отстройки F от ближайшей кратной частоты F
cинхр
Делят обе части неравенства на F, получая
, где
dds1
cинхр
γ - набор выходных частот F, нормированных на частоту тактирования F, определяемых из математического выражения:
,
кр
синхр
где γ - набор кратных частот с выхода первой МПЦС, нормированных на частоту тактирования F,
dds1
dds1кр
cинхр
Δγ - величина частотной отстройки F от ближайшей кратной частоты F, нормированная на частоту тактирования F.
Получают  и ширину «запрещенной» области определяют как .
dds1
синхр
Результат приведенного выше расчета в виде графика зависимости ширины «запрещенных» областей от выходной частоты первой МПЦС 4, нормированной на частоту ее тактирования F/F, соответствующий примеру реализации заявленного способа, представлен на фиг. 3. Для сравнения на фиг. 2 представлен аналогичный результат, соответствующий примеру реализации способа, приведенному в ближайшем аналоге.
Набор «запрещенных» областей представляют в следующем виде:
,
1нач,
2нач
kнач
где γγ, …, γ - коэффициенты, определяющие левые границы «запрещенных» областей;
1кон,
2кон
kкон
γγ, …, γ - коэффициенты, определяющие правые границы «запрещенных» областей;
k - количество «запрещенных» областей.
1
2
Далее осуществляют выбор коэффициентов α и α в соответствии с предварительно рассчитанными «запрещенными» областями.
1
α определяют как середину самой широкой разрешенной области:
,
iнач
где γ - левая граница «запрещенной» области, следующей сразу за наиболее широкой «разрешенной» областью,
i-1кон
γ - правая граница «запрещенной» области, находящейся перед наиболее широкой «разрешенной» областью.
2
Коэффициент α определяют следующим образом:
2
1
α=Сα, где
.
2
Осуществляют процедуру проверки непопадания коэффициента α внутрь соответствующих «запрещенных» областей значений, преобразование которых во второй МПЦС приводит к получению выходного сигнала с побочными дискретными составляющими амплитудой  выше допустимой .
2
2
2
*
В случае, если α принимает значение, находящееся внутри «запрещенной» области, α присваивают значение α из соседней «разрешенной» области, такое, чтобы соблюдалось условие:
,где
,
ddsl
1
1
*
и производят изменение частоты опорного сигнала F, присваивая α значение α, определяемое из математического выражения:
.
2
1
1
2
*
В случае, если ни для какого значения коэффициента α из упомянутой соседней «разрешенной» области условие  не соблюдается, то в качестве α выбирают середину другой непроверенной «разрешенной» области (например, середину ближайшей непроверенной «разрешенной» области) и повторяют упомянутую процедуру до тех пор, пока коэффициенты α и α не примут значения, находящиеся в соответствующих «разрешенных» областях.
dds1
dds2
Последовательность выбора выходных частот F и F первой и второй МПЦС 4 и 9 для формирования выходных частот вне «запрещенных» областей проиллюстрирована фиг. 4.
1
2
2
1
2
1
2
На первой паре графических изображений показан случай, когда каждый из коэффициентов α и α, соответствующий частотам сигналов на выходе первой и второй МПЦС, не попадает в «запрещенную» область («запрещенные» области заштрихованы). На второй паре показан случай, когда коэффициент α, соответствующий частоте сигнала второй МПЦС, попадает в «запрещенную» область и перестройка второй МПЦС в соседнюю «разрешенную» область позволяет перестроить первую МПЦС так, чтобы коэффициент α, соответствующий частоте сигнала на ее выходе, остался в границах своей «разрешенной» области. На третьей паре показан случай, когда коэффициент α, соответствующий частоте сигнала на входе второй МПЦС, попадает в «запрещенную» область, но перестройка второй МПЦС в ближайшую соседнюю «разрешенную» область невозможна (т.к. эта «разрешенная» область полностью перекрывается «запрещенной» областью первой МПЦС). В этом случае коэффициент α выбирают, например, как середину ближайшей к ней непроверенной «разрешенной» области, и для этого случая выполняют упомянутую процедуру проверки попадания коэффициента α в «запрещенную» область.
вых
синхр
nвых
Допустим, в конкретной реализации способа, в синтезаторе с коэффициентом деления D=2 в делителе частоты 3 необходимо получить сигнал с выходной частотой F=2,4134F и с амплитудой побочных дискретных составляющих выходного сигнала А не выше допустимой .
1
2
Вычисляют коэффициент C, определяющий соотношение между α и α.
Экспериментальная зависимость амплитуды (в ) гармоники сигнала на выходе первой МПЦС от ее номера для МПЦС AD9910, которая может быть использована для реализации заявленного способа, может быть приблизительно описана соотношением:
n
А=-60-20lgn.
n
При амплитуде гармоники А выходного сигнала ниже допустимого  «запрещенная» область для нее не определяется. Из этого условия находят количество N рассматриваемых гармоник:
.
Для случая  количество учитываемых гармоник будет N=100.
cp
Для проверки реализации заявленного способа использован макет, в котором экспериментально полученная АЧХ петли ФАПЧ, приведенная на фиг. 5, для частот выше частоты среза ФНЧ F, описывается соотношением:
nc
Н=-20PlgΔF+b,
nc
где ΔF - величина частотной отстройки побочной дискретной составляющей от основного сигнала,
b - постоянный коэффициент,
Р - порядок фильтра.
Последние два параметра определяют экспериментально и в рассматриваемом конкретном случае Р=3 и b=170.
Зависимость величины частотной отстройки побочной дискретной составляющей от основного сигнала от ее номера n вычисляют по математическому выражению:
Из приведенных выше соотношений зависимость величины частотной отстройки побочной дискретной составляющей от основного сигнала от ее номера n принимает вид:
1
1
Коэффициенту α присваивают значение, соответствующее середине самой широкой «разрешенной» области, в данном случае α=0,143774.
2
1
Вычисляют α=Сα=0,347784.
2
2
2
*
Так как α попадает в «запрещенную» область, коэффициенту α присваивают значение α=0,347537, соответствующее середине соседней «разрешенной» области.
Вычисляют .
1
2
*
*
Проверяют значения α и α на нахождение внутри «запрещенных» областей.
1
2
1
2
*
*
*
*
Так как значения α и α находятся вне «запрещенных» областей, следовательно, в МПЦС 4 и 9 записывают α и α.