ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приемника.
Известен двухкольцевой цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с частотной модуляцией (ЧМ) с последовательным включением колец, построенных на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи каждого кольца (см. свидетельство на полезную модель №30043 от 26.08.02 г.).
Первое кольцо ИФАПЧ узкополосное, работает на одной частоте с ЧМ выходного сигнала, который является опорным для второго кольца.
Второе кольцо ИФАПЧ (выходное) является широкодиапазонным, быстродействующим (за счет использования дробного ДПКД - ДДПКД) и может работать на ультравысоких частотах. Модулирующий сигнал для второго кольца содержится в его опорном сигнале с выхода управляемого генератора (УГ) первого кольца.
В этом ЦСЧ с ЧМ функции частотообразования и модуляции разделены между первым и вторым кольцами ИФАПЧ, что уменьшает известные противоречия. Двухточечная модуляция осуществляется в первом кольце, работающем на одной фиксированной частоте, а широкодиапазонная перестройка частот и быстродействие при переключении частот - во втором кольце ИФАПЧ.
Недостаток известного устройства состоит в невозможности в настоящее время осуществления двухточечной модуляции путем введения ЧМ в УГ и на модулирующий вход фазового модулятора, включенного между делителем
частоты и входом частотно-фазового детектора (ЧФД), так как в выпускаемых микросхемах ЦСЧ нет отдельного доступного входа к ЧФД (все находится внутри «кристалла» микросхемы ЦСЧ). Кроме того, в этом синтезаторе недостаточная чистота спектра выходного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухкольцевой ЦСЧ с частотной модуляцией (см. патент на полезную модель №56747 от 17.04.2006 года), который принят за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2, 7 и 14 - первый, второй и третий делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
3, 8 и 15 - первый, второй и третий частотно-фазовые детекторы (ЧФД);
4, 9 и 16 - первый, второй и третий фильтры нижних частот (ФНЧ);
5 и 11 - первый и второй управляемые генераторы (УГ);
6, 12 и 19 - первый, второй и третий делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
10 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
13 и 21 - первый и второй управляемые аттенюаторы (УА);
17, 18, 20 и 22 - первый, второй, третий и четвертый ключи (КЛ);
23 - микроконтроллер (МК).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор (ОГ 1), первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД 2), первый частотно-фазовый детектор ЧФД 3, первый фильтр нижних частот (ФНЧ 4), первый УГ 5 и первый ДПКД 6, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД 3, последовательно соединенные второй ДФКД 7, второй ЧФД 8, второй ФНЧ 9, первый ключ КЛ 17, второй УГ 11 и второй ДПКД 12, выход которого соединен со вторым входом второго ЧФД 8, последовательно соединенные третий ДФКД 14, третий ЧФД 15, третий ФНЧ 16, второй КЛ 18, выход которого соединен с выходом первого ключа
КЛ17 и с первым управляющим входом второго УГ 11, выход которого является выходом устройства и одновременно через третий ДПКД 19 соединен со вторым входом третьего ЧФД 15, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала ИМС 10, первый управляемый аттенюатор УА 13, третий ключ КЛ 20, выход которого соединен с модулирующим входом первого УГ 5, последовательно соединенные второй УА 21 и четвертый ключ КЛ22, выход которого соединен с модулирующим входом второго УГ 11, а также микроконтроллер МК 23. При этом вход второго УА 21 соединен с выходом ИМС 10, первая выходная шина МК 23 соединена с управляющими входами первого ДПКД 6, второго ДПКД 12 и третьего ДПКД 19, второго ЧФД 8 и третьего ЧФД 15, второго ДФКД 7 и третьего ДФКД 14, первого УА 13 и второго УА 21, а вторая выходная шина МК 23 соединена с управляющими входами первого КЛ 17, второго КЛ 18, третьего КЛ 20, четвертого КЛ 22 и вторым управляющим входом второго УГ 11.
Устройство-прототип работает следующим образом.
cp
cp
ш
cp
В этом ЧМ ЦСЧ на основе двух последовательно включенных колец ИФАПЧ первое кольцо узкополосное, работает на одной фиксированной частоте и выполнено на основе первого УГ 5. Второе кольцо ИФАПЧ на основе второго УГ 11 двухканальное - оно может работать или по каналу быстрого переключения частот по заданной программе с использованием второго (дробного) ДПКД 12, второго ЧФД 8 и второго ФНЧ 9 или по каналу обычной работы ЦСЧ с использованием третьего (целочисленного) ДПКД 19, третьего ЧФД 15 и третьего ФНЧ 16. Диапазон выходных частот и шаг сетки частот по обоим каналам одинаковый. Различие их в том, что частота сравнения F на опорном входе второго ЧФД 8 в канале быстрого переключения частот формируется с помощью второго ДФКД 7 от первого УГ 5 и выбирается максимально возможной - во много раз больше заданного шага сетки частот (F≫F) для получения максимального быстродействия. А во втором канале на основе третьего (целочисленного) ДПКД 19 с помощью третьего ДФКД 14 формируется частота сравнения F, не превышающая заданный шаг сетки
частот. В этом канале быстродействие значительно меньше, чем в первом канале.
Частотная модуляция в каждом канале осуществляется по двухточечной схеме, когда модулирующий сигнал поступает от ИМС 10 одновременно через первый УА 13 и третий КЛ 20 на модулирующий вход первого УГ 5, и через второй УА 21 и четвертый КЛ 22 - на модулирующий вход второго УГ 11.
Включение первого или второго канала осуществляется с помощью соответственно первого 17 или второго 18 ключей, которые переключаются по управляющим сигналам, поступающим по второй управляющей шине от МК23.
Достоинством такого способа введения ЧМ является возможность получения равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) в широком диапазоне модулирующих частот.
Недостаток известного устройства состоит в следующем.
о
ПЧ
ПЧ
В современных приемопередатчиках высокое быстродействие требуется не только при переключении с одной частоты на другую в пределах диапазона возбудителя передатчика (ПРД) или гетеродина приемника (ПРМ), но и быстрое переключение с частоты ПРД на частоту ПРМ и обратно, например, в режиме работы временнго дуплекса (т.е. когда происходит прием и передача на одной частоте) или в режиме работы с быстрым переключением частот по заданной программе. Иначе говоря, требуется, в сущности, почти одновременная работа приемника и передатчика. Известное устройство предназначено для работы или в режиме ПРМ или в режиме ПРД, так как здесь один управляемый генератор (УГ). Разница между частотой возбудителя ПРД и частотой гетеродина ПРМ равна промежуточной частоте ПРМ f, которая в настоящее время выбирается все более высокой для повышения помехоустойчивости, особенно по зеркальному каналу приема. Значение промежуточной частоты f может быть на много выше основной рабочей частоты радиостанции. В таком ЦСЧ управляемый генератор (УГ) должен быть очень широкодиапазонным, что значительно усложняет его осуществление, ухудшает чистоту спектра выходного сигнала, уменьшает
общее быстродействие и увеличивает искажения ЧМ сигнала. Хорошо известно, что требования к диапазону перестройки и фазовым шумам при реализации УГ вступают в противоречие. Недостаточное быстродействие при переключении из диапазона ПРД в диапазон ПРМ и обратно часто не позволяет реализовать необходимый режим работы временного дуплекса или работы в режиме с быстрым переключением частот по заданной программе.
Целью предлагаемого технического решения является получение высокого быстродействия при переключении с одной частоты на другую как внутри диапазона ПРМ или ПРД, так и при переключении диапазонов ПРД и ПРМ при сохранении высокой чистоты спектра выходного сигнала и широкой полосы модуляции с минимальными искажениями.
Поставленная цель достигается тем, что в цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор и первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора; последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, первый ключ и второй управляемый генератор, а также второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, при этом вход второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления соединен с выходом первого управляемого генератора; последовательно соединенные источник модулирующего сигнала, первый управляемый аттенюатор и третий ключ, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, а также микроконтроллер, первая управляющая шина которого соединена с управляющими входами первого и второго делителей частоты с переменным коэффициентом деления, второго частотно-фазового детектора, второго
делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и первого управляемого аттенюатора, вторая управляющая шина микроконтроллера соединена с управляющими входами первого и третьего ключей и вторым управляющим входом второго управляемого генератора, в него введены последовательно соединенные первый и второй буферные усилители, последовательно соединенные пятый ключ, третий управляемый генератор, третий и четвертый буферные усилители, а также сумматор, выход которого соединен со входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления, при этом вход первого буферного усилителя соединен с выходом второго управляемого генератора, выход первого буферного усилителя соединен с первым входом сумматора и входом второго буферного усилителя, выход которого является первым выходом устройства, вход пятого ключа соединен с выходом второго фильтра нижних частот, выход третьего буферного усилителя соединен со вторым входом сумматора и входом четвертого буферного усилителя, выход которого является вторым выходом устройства, вторая управляющая шина микроконтроллера соединена с управляющими входами пятого ключа, первого, второго, третьего и четвертого буферных усилителей и вторым управляющим входом третьего управляемого генератора.
Блок-схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2 и 7 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
3 и 8 - первый и второй частотно-фазовые детекторы (ЧФД);
4 и 9 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
5, 11, 27 - первый, второй и третий управляемые генераторы (УГ);
6 и 12 - первый и второй делители частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
17, 20 и 26 - первый, третий и пятый ключи (КЛ);
24, 25, 28 и 29 - первый, второй, третий и четвертый буферные усилители (БУ);
10 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
13 - первый управляемый аттенюатор (УА);
30 - сумматор (СУМ);
23 - микроконтроллер (МК).
Предлагаемое устройство содержит микроконтроллер (МК) 23, последовательно соединенные опорный генератор (ОГ) 1, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 2, первый частотно-фазовый детектор (ЧФД) 3, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 4, первый управляемый генератор (УГ) 5 и первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 6, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД 3; последовательно соединенные второй ДФКД 7, второй ЧФД 8, второй ФНЧ 9, первй ключ КЛ 17, второй УГ 11, первый БУ 24 и второй БУ 25, выход которого является первым выходом устройства; последовательно соединенные пятый ключ КЛ 26, третий УГ 27, третий БУ 28 и четвертый БУ 29, выход которого является вторым выходом устройства; последовательно соединенные ИМС 10, первый УА 13 и третий ключ КЛ 20, выход которого соединен с модулирующим входом первого УГ 5, а также последовательно соединенные сумматор СУМ 30 и второй ДПКД 12. Кроме того, выход первого буферного усилителя БУ 24 соединен с первым входом сумматора СУМ 30, а выход третьего буферного усилителя БУ 28 соединен со вторым входом сумматора СУМ 30. При этом выход второго ДПКД 12 соединен со вторым входом второго ЧФД 8, первая группа выходов МК 23 первой управляющей шиной соединена с группами управляющих входов второго ДФКД 7, второго ЧФД 8, второго ДПКД 12, первого ДПКД 6 и первого У А 13; вторая группа выходов МК 23 второй управляющей шиной соединена с группами управляющих входов первого КЛ 17, третьего КЛ 20, пятого КЛ 26, первого БУ 24, второго БУ 25, третьего БУ 28, четвертого БУ 29 и вторыми управляющими входами второго УГ 11 и третьего УГ 27.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В ЦСЧ с ЧМ функционируют два последовательно включенных кольца ИФАПЧ. Первое кольцо ИФАПЧ узкополосное, работает на одной фиксированной частоте и выполнено на основе последовательно соединенных первого УГ 5, первого ДПКД 6, первого ЧФД 3 и первого ФНЧ 4, выход которого соединен с управляющим входом УГ 5. На опорный вход первого ЧФД 3 поступает от ОГ 1 через первый ДФКД 2 опорный импульсный сигнал с достаточно высокой частотой сравнения, что при узкой полосе пропускания кольца позволяет осуществить значительное подавление помех с частотой сравнения в управляющем сигнале, поступающем с выхода первого ФНЧ 4 на управляющий вход УГ 5, и получить на его выходе спектрально чистый сигнал, который является опорным для второго кольца ИФАПЧ. В режиме ПРД в первом кольце происходит одноточечная ЧМ по модулирующему входу УГ 5, т.е. в этом режиме опорный сигнал для второго кольца является частотно-модулированным.
ГЕТ
ПРД
ПЧ
ПРМ
ПРД
ПЧ
Второе кольцо ИФАПЧ на основе последовательно соединенных второго ДФКД 7, второго ЧФД 8 и второго ФНЧ 9, а также второго ДПКД 12, второго УГ 11 и третьего УГ 27 - быстродействующее, имеет два переключаемых выхода, работающих поочередно. С одного выхода (Выход 1) поступает сигнал для гетеродина приемника, с другого (Выход 2) - ЧМ сигнал для возбудителя передатчика. Диапазон выходных частот и даже шаг сетки частот для них могут быть разные. Диапазон выходных частот УГ 27 возбудителя ПРД определяется заданными требованиями для радиостанции, а для работы гетеродина приемника второй УГ 11 имеет диапазон частот, сдвинутый относительно УГ 27 на промежуточную частоту f=f+f и из-за использования дробного ДПКД с большой дробностью шаг сетки частот УГ  можно выбрать значительно меньшим, чем для УГ. Это позволяет более точно настраивать частоту гетеродина ПРМ с учетом технологического отклонения средней частоты f в кварцевых фильтрах тракта промежуточной частоты в ПРМ и этим повысить помехоустойчивость ПРМ и его быстродействие. Как показали
ГЕТ
ПЧ
проведенные испытания, отклонение частоты f на несколько кГц, приводящее к более точной подстройке средней частоты f в кварцевых фильтрах тракта промежуточной частоты ПРМ, позволяет повысить общее быстродействие при переключении частот в системе ЦСЧ-ПРМ в два и более раз.
Управляющий сигнал во втором кольце с выхода второго ЧФД 8 через второй ФНЧ 9 поступает или через первый ключ КЛ 17 на первый управляющий вход второго коммутируемого УГ 11 или через пятый ключ КЛ 26 на первый управляющий вход третьего коммутируемого УГ 27. С выхода второго УГ 11 высокочастотный (ВЧ) сигнал через коммутируемый первый буферный усилитель БУ 24 поступает на первый вход сумматора СУМ 30 и одновременно через коммутируемый второй БУ 25 на первый «Выход 1» устройства. А с выхода третьего коммутируемого УГ 27 ВЧ сигнал через коммутируемый третий БУ 28 поступает на второй вход СУМ 30 и одновременно через коммутируемый четвертый БУ 29 поступает на второй выход «Выход 2» устройства. С выхода СУМ 30 тот или другой ВЧ сигнал поступает на вход второго ДПКД 12 (ДДПКД), на выходе которого формируются короткие импульсы, поступающие на второй вход второго ЧФД 8. На первый вход второго ЧФД 8 поступают короткие опорные импульсы с выхода второго ДФКД 7, сформированные после деления ВЧ сигнала с выхода первого УГ 5 первого кольца. В результате сравнения этих двух потоков импульсов по частоте и фазе на выходе ЧФД 8 формируется управляющее напряжение, которое фильтруется во втором ФНЧ 9 и через соответствующие ключи поступает на первые управляющие входы или второго УГ 11 или третьего УГ 27, подстраивая их частоту с точностью до фазы под опорный сигнал.
Второй коммутируемый УГ 11 или третий коммутируемый УГ 27 переключаются поочередно и одновременно с соответствующими ключами на входе (КЛ 17 или КЛ 26) и с буферными усилителями на выходах (БУ 24, БУ 25 или БУ 28, БУ 29) по сигналам управления, поступающим по второй
управляющей шине от МК 23: когда выключается второй УГ 11, сразу включается третий УГ 27 и наоборот. При этом на первый или второй вход СУМ 30 поступает ВЧ сигнал или от УГ 11 или от УГ 27 и между первым и вторым выходами устройства получается хорошая развязка по «пролазам» ВЧ сигналов.
Модулирующий сигнал в режиме ЧМ с выхода ИМС 10 через первый УА 13 и третий ключ КЛ 20 поступает на модулирующий вход первого УГ 5, с выхода которого ЧМ опорный сигнал подается на вход второго кольца. На управляющий вход первого УА 13 поступает от микроконтроллера МК 23 по первой управляющей шине соответствующий сигнал управления, по которому изменяется его коэффициент передачи при изменении выходной частоты второго кольца. Тем самым автоматически стабилизируется заданный уровень девиации частоты синтезатора в широком диапазоне переключаемых частот при определенном постоянном уровне модулирующего сигнала от ИМС 10.
Первая управляющая шина от МК 23 представляет собой стандартный трехпроводный интерфейс, где по трем проводам поступают в последовательном двоичном коде импульсные сигналы: 1) тактовые импульсы; 2) информационный сигнал; 3) импульс разрешения записи передаваемой информации в один из блоков синтезатора.
По первой управляющей шине от МК 23 сигналы управления в последовательном двоичном коде также поступают на первый ДПКД 6, второй ДПКД 12, второй ЧФД 8 и второй ДФКД 7 для их включения в рабочее состояние на заданную частоту и режим. По сигналам управления от МК23 меняется режим работы второго ЧФД 8 по току: в переходном режиме ток с выхода ЧФД 8 большой, а значит полоса пропускания кольца ИФАПЧ и быстродействие большое, в режиме синхронизма ток ЧФД мал и полоса пропускания кольца уменьшается до значения, необходимого для обеспечения требуемого подавления побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ.
Возможность осуществления предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Причем в одной микросхеме могут быть один или два независимых ЦСЧ с целочисленным ДПКД (Integer-N) или с дробным (Fractional-N). Например, микросхема LMX2470 фирмы «National Semiconductor» представляет собой двойной синтезатор с двумя раздельными контурами регулирования: один с дробным ДПКД, другой - с обычным. Аналогично этому микросхема ADF4252 фирмы Analog Devices и другие. Схема управляемого аттенюатора УА построена на основе последовательно соединенных цифрового потенциометра на микросхеме AD8402AR10 и операционного усилителя AD822AR фирмы «Analog Devices». Ключевые устройства могут быть выполнены на микросхеме МС14053 В фирмы «Motorolla». Сумматор ВЧ сигналов выполнен по схеме обычного сумматора на резисторах. Коммутируемые буферные усилители выполнены по схеме усилителя с общим эмиттером на транзисторах типа BFR93A с транзисторным ключом в цепи эмиттера.
Таким обазом, в предложенном ЦСЧ с ЧМ имеется возможность повысить быстродействие не только при переключении с одной частоты на другую в пределах одного диапазона рабочих частот (ПРД или ПРМ), но и увеличивается быстродействие при переключении частот из одного диапазона (ПРМ или ПРД) в другой, одновременно повысить чистоту спектра выходного сигнала и получить более равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями. Кроме того, с помощью предложенного ЦСЧ увеличивается быстродействие системы ЦСЧ-ПРМ из-за более точной настройки частоты гетеродина на центральную частоту кварцевых фильтров в тракте промежуточной частоты приемника.