Гибридный синтезатор частот на основе быстродействующего цифроаналогового преобразователя в специальных режимах работы

Область техники
Настоящее техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известен гибридный синтезатор частот, использующий образы основной частоты цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС) [1]. Это устройство наиболее близко к заявленному техническому решению. Гибридный синтезатор частот, использующий образы основной частоты ЦВС, выполнен на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащей последовательно соединенные частотно-фазовый детектор, фильтр нижних частот и генератор, управляемый напряжением, сигнал которого подается на выход схемы и на один из входов смесителя, на другой вход которого подается сигнал с выхода цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС). Выходной сигнал ЦВС содержит основную частоту и образы (копии спектра) основной частоты ЦВС — результат цифро-аналогового преобразования цифрового кода в синусоиду.
Образы основной частоты ЦВС имеют частоты
, (1)
Т
out
где f — тактовая частота ЦВС, f — основная частота ЦВС, n = 1; 2; 3… — номер образа основной частоты ЦВС. Для выделения необходимого образа основной частоты ЦВС используется полосовой фильтр. Амплитуда образов основной частоты ЦВС изменяется по закону sin(x)/x (уменьшается с увеличением номера образа).
Достоинством гибридного синтезатора, использующего образы основной частоты ЦВС, является то, что за счет применения образов основной частоты ЦВС можно увеличить выходную частоту ЦВС и, как следствие, уменьшить коэффициент деления делителя в цепи обратной связи системы ФАПЧ, что приведет к снижению уровня фазовых шумов выходного сигнала гибридного синтезатора. Однако данный гибридный синтезатор имеет недостаток: отсутствие возможности использования образов основной частоты ЦВС высоких порядков из-за значительного уменьшения их амплитуды по закону sin(x)/x с увеличением частоты. Для увеличения амплитуды образов основной частоты ЦВС высоких порядков могут использоваться усилители, однако это приведет к дополнительному росту уровня фазовых шумов.
В настоящее время выпускаются быстродействующие цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), способные работать в режимах [2]:
режим return-to-zero (RZ) характеризуется тем, что отсчет каждой «ступеньки» синусоиды выходного сигнала возвращается в ноль, за счет чего в спектре увеличивается амплитуда гармоники образа во второй зоне Найквиста;
режим radio frequency (RF) характеризуется тем, что отсчет каждой «ступеньки» синусоиды выходного сигнала представляется двумя разнополярными импульсами, за счет этого в спектре увеличивается амплитуда гармоники образа во второй и третьей зонах Найквиста.
На основе таких быстродействующих ЦАП можно реализовать формирователи сигналов, близкие к цифровым вычислительным синтезаторам, работающим на образах основной частоты. Отличие состоит в том, что в спектре выходного сигнала происходит перераспределение амплитуды образов основной частоты. В зависимости от выбранного режима работы ЦАП увеличиваются амплитуды образов основной частоты высоких порядков [3].
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является уменьшение уровня фазовых шумов гибридного синтезатора частот, использующего образы основной частоты ЦВС.
Данная задача решается за счет использования в структуре гибридного синтезатора частот вместо цифрового вычислительного синтезатора устройства, состоящего из преобразователя кода и быстродействующего цифро-аналогового преобразователя.
Техническим результатом, обеспечиваемым данной совокупностью признаков, является увеличение частоты сигнала, поступающего на второй вход смесителя, за счет использования образов основной частоты высоких порядков, и, как следствие, уменьшение значения коэффициента деления в цепи обратной связи ФАПЧ, что приводит к снижению уровня фазовых шумов устройства.
Краткое описание фигур
Сущность заявленного технического решения поясняется фиг. 1, на которой изображена структурная схема гибридного синтезатора частот на основе быстродействующего цифроаналогового преобразователя.
Гибридный синтезатор частот на основе быстродействующего цифроаналогового преобразователя содержит генератор опорной частоты 1 с двумя выходами, первый из которых соединен с одним из входов частотно-фазового детектора 2, подключенного через петлевой фильтр нижних частот 3 к генератору 4, управляемому напряжением, выход которого является выходом всего устройства и через направленный ответвитель 5 соединен с одним из входов смесителя 8, второй выход генератора опорной частоты 1 подключен через умножитель частоты 6 к преобразователю кода 9 и быстродействующему цифроаналоговому преобразователю 10, которые соединены между собой шиной данных, выход быстродействующего цифроаналогового преобразователя 10 через полосовой фильтр 11 подключен ко второму входу смесителя 8, выход которого соединен через делитель частоты 7 с другим входом частотно-фазового детектора 2.
Осуществление полезной модели
Работает устройство следующим образом.
Генератор опорной частоты 1 вырабатывает сигнал с высокостабильной частотой, который подается на оба его выхода. Данный сигнал по первому выходу подается на один из входов частотно-фазового детектора 2, выходной сигнал которого через петлевой фильтр нижних частот 3 подается на генератор 4, управляемый напряжением, выходная частота которого является выходной частотой всего синтезатора, а также через направленный ответвитель 5 подается на смеситель 8.
1
Сигнал с высокостабильной частотой генератора опорной частоты 1 по второму выходу подается на умножитель частоты 6, где умножается в n раз, и далее подается на преобразователь кода 9 и на быстродействующий цифроаналоговый преобразователь 10, которые соединены между собой шиной данных. В результате на выходе быстродействующего цифроаналогового преобразователя формируется сигнал, содержащий образы основной частоты, с увеличенными амплитудами. Образ с необходимым номером выделяется в полосовом фильтре 11 и подается на второй вход смесителя 8.
2
С помощью смесителя 8 выходная частота генератора 4, управляемого напряжением, переносится вниз по частоте на величину образа основной частоты. Затем частота выходного сигнала смесителя 8 делится в программируемом делителе частоты 7 в N раз и подается на другой вход частотно-фазового детектора 2, который сравнивает сигналы на обоих входах и вырабатывает сигнал ошибки, который после фильтрации подстраивает выходную частоту генератора 4, управляемого напряжением.
Использование быстродействующего цифроаналогового преобразователя позволяет значительно увеличить амплитуду образов основной частоты высоких порядков, за счет применения которых можно в итоге повысить частоту сигнала, подающегося на второй вход смесителя 8, и, тем самым, уменьшить значение коэффициента деления делителя 7 в цепи обратной связи ФАПЧ, что приводит к уменьшению уровня фазовых шумов всего устройства.
Источники информации
Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Якименко К.А. Применение образов основной частоты ЦВС в гибридных синтезаторах частот // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2013, №3. С. 19-24.
Kuckreja Ajay, OstremGeir, “High-Speed DACs ease transmitter designs,”, August 2010. Ajay K. Geir O. High-Speed DACs ease transmitter designs. Microwave & RF.  2010. No. 49(8). Pp. 66–71.
Храмов К.К., Ромашов В.В. Сравнительный анализ режимов работы быстродействующих ЦАП // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2018, № 4. С. 44–54.