СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для формирования сетки стабильных частот с равномерным шагом в приемных и передающих устройствах.
Для приема и передачи сигналов используются генераторы синусоидальных колебаний, основные требования к которым состоят в стабильности частоты и в чистоте спектра выходного сигнала, в подавлении в его составе паразитных колебаний различного типа.
Синтезаторы частот, основанные на фазовой автоподстройке частоты (ФАПЧ), широко известны в технической литературе [1], [2], [3], [4] и др. Синтезаторы позволяют получить синусоидальные колебания с заданным шагом по частоте, при этом стабильность частоты определяется прецизионным кварцевым генератором. Однако синтезаторы частот, основанные на фазовой автоподстройке частоты, имеют в составе выходного напряжения значительную величину побочных составляющих и шумов различного типа.
Функциональные схемы синтезаторов двух типов приведены на рис.5.15 стр.142 в книге [1].
СР
СР
СР
СР
2
В первом синтезаторе на первый вход частотно-фазового детектора (ЧФД) подключается опорный генератор (более точно после делителя на 4), а на второй вход ЧФД - выходное напряжение с генератора управляемого напряжением (ГУН). Выход ЧФД через фильтр нижних частот (ФНЧ) управляет частотой ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте опорного генератора, умноженной на коэффициент деления делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Второй синтезатор отличается только тем, что опорное колебание в нем формируется из гармонических колебаний опорного генератора, которое подается на первый вход ЧФД, а на второй вход ЧФД подается гармоническое напряжение с ГУН. Выход ЧФД через ФНЧ управляет частотой ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте гармонического колебания, сформированного из колебаний опорного генератора. Оба указанных синтезатора частот представляют собой астатическую систему авторегулирования. Известно, что в кольце такой системы присутствует интегратор. Реализуется интегратор, как ФНЧ с коэффициентом передачи (1+f/f), где f - частота среза ФНЧ. ФНЧ выделяет постоянную составляющую ошибки и фильтрует (подавляет) выходное напряжение с частотами опорного генератора, с частотой ГУН, прошедшей деление в ДПКД, а также различные паразитные наводки и шумы. Принципиально нельзя повысить фильтрацию, применяя ФНЧ более высокого порядка, например с коэффициентом передачи (1+f/f). По этой причине фильтрация помех и различных наводок, возникающих ДПКД и ЧФД, происходит по закону (1+f/f) и, следовательно, ограничена.
В книге [4] уровень помех определен в районе 100 дБ в полосе частот 10 Гц или 75 дБ в полосе частот 3 кГц. Там же, на стр.87 приведены зависимости "шумов", вызванных цепью фазовой автоподстройки рис.2.37, из которых видно, что при отстройке на 10 кГц от синтезированной частоты ослабление "шумов" составляет (90-110) дБ в полосе 1 Гц, а в полосе 3 кГц - (55-75) дБ. В [3] только уровень подавления помех дробности оценен в (80-120) дБ. Аналогичные цифры приводятся во многих других источниках.
Такое подавление помех и наводок в выходном напряжении синтезатора для современных условий загрузки радиочастотного диапазона является недостаточным.
Второй недостаток этого синтезатора состоит в следующем.
В однокольцевом цифровом синтезаторе частот (ЦСЧ) предъявляются весьма жесткие современные требования одновременно к динамическим и спектральным характеристикам, которые в большинстве случаев бывает невозможно выполнить, так как они являются взаимно противоречивыми.
Известно, что система ИФАПЧ ЦСЧ представляет собой фильтр нижних частот по отношению к шумам опорной частоты и фильтр верхних частот по отношению к шумам УГ. Если необходимо подавить шумы колебания опорной частоты до требуемых значений, надо использовать узкополосную петлю ИФАПЧ. Но в этом случае не будут выполняться требования по быстродействию, и не компенсируются собственные шумы УГ, для чего нужна широкополосная петля ИФАПЧ.
С другой стороны, если спроектировать однокольцевой ЦСЧ со сравнительно широкой полосой частот, что и требуется для быстродействующего синтезатора, тогда шумы опорного генератора, после повышения частоты путем умножения пропорционально коэффициенту деления ДПКД до выходной частоты, будут определять основные шумы на выходе синтезатора.
Таким образом, в однокольцевом ЦСЧ практически невозможно одновременно получить высокое быстродействие и чистый спектр выходного сигнала. Так для осуществления синтезатора частот для режима фиксированной частоты с улучшенными спектральными характеристиками (медленный режим) и для реализации программируемой перестройки радиочастоты, которая требует высокого быстродействия (быстрый режим), приходится создавать два синтезатора частот под оба режима.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству можно считать синтезатор частот с цифровой петлей ФАПЧ, приведенный на рис.1.15 стр.33 в [2], принятый за прототип, с небольшими уточнениями: уточнено название «фазовый детектор» на «частотно-фазовый детектор» (ЧФД), а «схема управления» - на шину управления; представленный в источнике делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), ЧФД и ДФКД объединены в один блок синтезатора частот (БСЧ).
Укрупненная функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - блок синтезатора частот (БСЧ);
3 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
5 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
8 - шина управления.
Функциональная схема блока синтезатора частот представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1.1 - делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
1.2 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);
1.3 - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД).
Устройство-прототип (фиг.1) содержит последовательно соединенные блок синтезатора частот (БСЧ) 1 и ФНЧ 3, выход которого соединен с управляющим входом ГУН 5, второй выход которого является выходом устройства, а первый выход ГУН 5 соединен со вторым входом БСЧ 1, первый вход которого является входом частоты опорного генератора.
При этом, БСЧ 1 (фиг.2) содержит делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 1.1, выход которого соединен с первым входом частотно-фазового детектора (ЧФД) 1.2, выход которого является выходом БСЧ 1; второй вход ЧФД 1.2 соединен с выходом делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 1.3, вход которого является вторым входом БСЧ 1. Соединенные между собой соответственно группы управляющих входов-выходов ДФКД 1.1, ЧФД 1.2 и ДПКД 1.3 образуют группу управляющих входов-выходов БСЧ 1, соединенную с помощью шины управления 8 с внешним управляющим устройством (ВУУ).
Устройство-прототип работает следующим образом.
Напряжение частотой опорного генератора For через ДФКД 1.1 подается на первый вход ЧФД 1.2, на второй вход которого через ДПКД 1.3 подается выходное напряжение с ГУН 5. Будем понимать под ДПКД 1.3 не только цифровой блок деления частоты, а любой блок, обеспечивающий преобразование частоты выходного сигнала ГУН 5 к частоте сравнения. Сигнал ошибки с выхода ЧФД 1.2 через ФНЧ 3 подается на управляющий вход ГУН 5, частота которого меняется до тех пор, пока, поделенная в заданное число раз в блоке ДПКД 1.3, она не будет равной For, поделенной в заданное число раз в блоке ДФКД 1.1. В этом случае, выходное напряжение на выходе ЧФД 1.2 перестанет меняться, а частота выходного сигнала ГУН 5 будет оставаться равной For, умноженной на коэффициент деления в блоке ДПКД 1.3. Таким образом, работает система ФАПЧ. Причем с ВУУ по управляющей шине 8 на ДПКД 1.3 и ДФКД 1.1 подаются сигналы, устанавливающие необходимые коэффициенты деления, т.е. выходную частоту устройства. Следовательно, на выходе устройства - втором выходе ГУН 5 - будет поддерживаться колебание с заданной частотой, и этот второй выход является выходом устройства, т.е. к нему подключается внешняя нагрузка.
Учитывая вышесказанное, недостатком устройства-прототипа является слабая фильтрация шумов в составе выходного напряжения в случае широкой полосы пропускания ФНЧ, либо низкая скорость установки необходимой частоты в случае узкой полосы пропускания ФНЧ.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в улучшении динамических и спектральных характеристик синтезатора частот.
Достигаемый технический результат - улучшение функциональных характеристик синтезатора частот с возможностью работы в двух режимах работы: с улучшенным спектральными характеристиками и с улучшенным быстродействием.
Для решения поставленной задачи в синтезатор частот, содержащий генератор, управляемый напряжением (ГУН), первый фильтр нижних частот (ФНЧ) и блок синтезатора частот (БСЧ), выполненный с возможностью обмена управляющими сигналами с внешним управляющим устройством (ВУУ), причем первый вход БСЧ является входом сигнала опорной частоты, а второй вход - соединен с первым выходом ГУН, согласно полезной модели, введены первый и второй коммутаторы, второй фильтр нижних частот и буферный усилитель, причем, выход БСЧ соединен с входом первого коммутатора, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй фильтры нижних частот соединены соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора, выход которого соединен с управляющим входом ГУН, второй выход которого соединен с входом буферного усилителя, выход которого является выходом устройства; при этом первый и второго коммутаторы выполнены с возможностью подачи на них управляющих сигналов с ВУУ.
Блок-схема заявляемого устройства приведена на фиг.3, где введены следующие обозначения:
1 - блок синтезатора частот (СЧ);
2 - первый коммутатор (К1);
3 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ1);
4 - второй коммутатор (К2);
5 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
6 - буферный усилитель (БУ);
7 - второй фильтр нижних частот (ФНЧ2);
8 - шина управления (ШУ).
Заявляемое устройство (фиг.3) содержит: последовательно соединенные блок синтезатора частот (БСЧ) 1 и первый коммутатор 2, первый и второй выходы которого через соответствующие первый 3 и второй 7 фильтры нижних частот (ФНЧ) соединены соответственно с первым и вторым входами второго коммутатора 4, выход которого соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением (ГУН) 5, первый выход которого соединен со вторым входом БСЧ 1, первый вход которого является входом сигнала опорной частоты; второй выход ГУН 5 соединен с входом буферного усилителя (БУ) 6, выход которого является выходом устройства. Кроме того, БСЧ 1 содержит группу управляющих входов-выходов для подключения его к внешнему управляющему устройству (ВУУ) с помощью шины управления 8. Первый и второй коммутаторы содержат группы управляющих входов для подачи на них управляющих сигналов с ВУУ.
При этом БСЧ 1 может быть выполнен аналогично прототипу (см. фиг.2) и содержит делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 1.1, выход которого соединен с первым входом частотно-фазового детектора (ЧФД) 1.2, выход которого является выходом БСЧ 1; второй вход ЧФД 1.2 соединен с выходом делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 1.3, вход которого является вторым входом БСЧ 1. Соединенные между собой соответственно группы управляющих входов-выходов ДФКД 1.1, ЧФД 1.2 и ДПКД 1.3, образуют группу управляющих входов-выходов БСЧ 1.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Напряжение частоты опорного генератора For поступает в БСЧ 1, где подается на вход ДФКД 1.1, в котором частота опорного сигнала делится на соответствующий коэффициент деления. Далее поделенный сигнал поступает на первый вход ЧФД 1.2, на второй вход которого через ДПКД 1.3 подается выходной сигнал с первого выхода ГУН 5, частота которого поделена на соответствующий коэффициент деления в ДПКД 1.3. Сигнал ошибки с выхода ЧФД 1.2 через первый коммутатор 2 поступает на вход ФНЧ1 3 в случае работы в медленном режиме, либо на вход ФНЧ2 7 в случае работы в быстром режиме. С выхода используемого фильтра сигнал поступает на вход второго коммутатора 4, в котором осуществляется коммутация выходных сигналов с ФНЧ1 3 и ФНЧ2 7 соответственно для случая медленного и быстрого режимов. С выхода второго коммутатора 4 сигнал поступает на управляющий вход ГУН 5, частота которого начинает изменяться под воздействием управляющего напряжения. За счет сигнала, поступившего на управляющий вход блока ГУН 5, частота его выходного сигнала изменяется до момента равенства частот сигналов на первом и втором входах ЧФД 1.2. Таким образом, выбором соответствующих коэффициентов деления ДПКД 1.3 реализуются требуемые частоты выходного сигнала устройства. При этом ФНЧ1 3 обладает узкой полосой пропускания, и за счет него реализуются лучшие спектральные характеристики устройства, а ФНЧ2 7 обладает более широкой полосой пропускания, и за счет него реализуются лучшие временные характеристики устройства. Выходной сигнал со второго выхода ГУН 5 поступает на вход БУ 6, за счет которого обеспечивается усиление выходного сигнала до требуемого значения, а также согласование устройства с внешней нагрузкой. Управление коммутацией между блоками ФНЧ1 3 и ФНЧ2 7 посредством блоков К1 2 и К2 4, запись соответствующих коэффициентов деления в блоки ДФКД 1.1 и ДПКД 1.3, а также управление блоком ЧФД 1.2 осуществляется по шине управления 8 внешним управляющим устройством.
Таким образом, в заявляемом устройстве можно реализовать два режима работы: один с улучшенным спектральными характеристиками, второй с улучшенным быстродействием.
Реализация блоков заявляемого устройства не вызывает затруднений, т.к. они широко описаны в технической литературе.
Источники информации:
1. Бобков A.M. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке. - Санкт-Петербург 2001 г, стр.142.
2. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. Перевод с англ. В.А.Повзнера, под ред. А.С.Галина. - М.: Связь, 1979 г.
3. Романов С.К., Марков И.А. Определение помех дробности в синтезаторах частот с системами ФАПЧ, использующих дельта-сигма модуляторы в дробных делителях частоты. // Теория и техника радиосвязи. Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», г.Воронеж, 2006 г, №1, стр.97-102.
4. Системы фазовой синхронизации // Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н. и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна, Л.Н.Белюстиной - М.: Радио и связь, 1982 г.