ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ.
Нолезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приёмника без подачи модулирующего сигнала.
Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с частотной модуляцией, построенный на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДНКД) в цепи обратной связи, в котором для получения модулированного по частоте сигнала на выходе синтезатора используется способ введения модулирующего сигнала через интегратор на вход импульсно-фазового модулятора (ИФМ), включенного в опорном канале между делителем частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) и импульснофазовым детектором (см. Д. Н. Шапиро, А. А. Паин Основы теории синтеза частот, 1981, стр. 227). Достоинством такого способа введения частотной модуляции является возможность прохождения весьма низких модулирующих частот.
Недостаток этого ЦСЧ заключается в ограничении полосы модуляции сверху величиной частоты среза в кольце ИФАНЧ, обусловленной в основном фильтром нижних частот (ФНЧ) на выходе импульсно-фазового детектора (ИФД). Причем частота среза этого ФНЧ зависит от частоты сравнения на опорном входе ИФД - чем ниже частота сравнения, тем ниже частота среза, при этом частота сравнения определяется заданным шагом сетки частот. Ноэтому при мелком шаге сетки частот происходит значительное ограничение сверху диапазона прохождения модулирующих частот в выходном сигнале синтезатора.
Известен ЦСЧ с частотной модуляцией, построенный на основе кольца ИФАПЧ с ДПКД в цепи обратной связи, в котором модулирующий сигнал поступает на второй (модулирующий) вход управляемого генератора (см. патент США № 4110707, Н 03 С 3/10, 1978). В таком синтезаторе можно получить на выходе модулированный сигнал с практически неограниченной сверху полосой модулируюпщх частот. Недостаток его состоит в ограничении снизу полосы модуляции из-за действия обратной связи в системе ИФАПЧ. Модуляция по второму входу управляемого генератора (УГ) воспринимается кольцом ИФАПЧ как внешнее возмущение, которое по цепи обратной связи отрабатывается в сторону его уменьшения. Это уменьшение происходит в полосе пропускания кольца ИФАПЧ, определяемой ФНЧ, т.е. на нижних частотах. Поэтому для расширения полосы модуляции в область нижних частот необходимо сужать полосу
М.КлЛнОЗСЗ/10 Н 03 L 7/18
пропускания ФНЧ, т. е. делать его более инерциопным, что приводит к снижению быстродействия ЦСЧ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией по а. с. СССР № 919040, Н 03 С 3/10, Н 03 L 7/16, опубл. 07. 04.1982 г., принятый за прототип, в этом синтезаторе для преодоления указанного противоречия и формирования модулированного в широкой полосе частот сигнала используется комбинированный двухточечный способ, объединяющий первые два, когда модулирующий сигнал подается по двум каналам одновременно на модулирующий вход УГ и через интегратор и управляемый аттенюатор на вход ИФМ, включенного в опорном тракте между ДФКД и ИФД.
При двухточечной модуляции по этому методу с помощью ИФМ импульсы на опорном входе ИФД должны быть промодулированны по фазе так же, как импульсы после ДПКД. Тогда на выходе ИФД не будет импульсного сигнала ошибки от модуляции и, следовательно, не будет реакции кольца ИФАПЧ на модулирзтощее возмущение. При этом имеется принципиальная возможность пропустить в ЦСЧ модулирующий сигнал в широкой полосе частот без искажений и с сохранением высокого быстродействия.
Однако практически такая возможность реализуется не полностью, что приводит к дополнительным искажениям и объясняется следующим.
Во-первых, особенность фазовой модуляции в ЦСЧ состоит в том, что так называемое несущее колебание представляет собой поток коротких импульсов со скважностью  и более. Папример, при частоте сравнения  (период  мсек) длительность импульсов, сравниваемых в ИФД,  мксек, т. е. в 1000 раз меньше периода Т. В то же время компенсирующий сигнал аналоговый, изменяющийся в широком диапазоне частот. При этом часть частотных составляющих ЧМ сигнала не передается импульсами, особенно, если частота сравнения Fcp ниже частоты модулирующего сигнала. Значит, эти частотные составляющие уже не надо компенсировать. Однако компенсирующий аналоговый сигнал содержит все частотные составляющие. Поэтому дополнительная модуляция импульсов в ИФМ теми частотными составляющими, которые уже не нужно компенсировать, приводит к перекомпенсации и, следовательно, к искажениям.
Во-вторых, в этом ЦСЧ трудно получить ровную (плоскую) результирующую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) системы интегратор - ИФМ в широком диапазоне модулирующих частот, так как АЧХ интегратора линейно-падающая, а ИФМ - линейно-возрастающая. Ровную (не зависящую от частоты) результирующую АЧХ системы интегратор - ИФМ можно пол)ить только в сравнительно узком частотном
диапазоне. При модуляции в широкой полосе частот, например, цифровым сигналом, получить ровную (плоскую) АЧХ практически очень сложно. Это связано с необходимостью иметь большой динамический диапазон модулирующего сигнала и интегратора, что также может привести к искажениям модулированного сигнала.
В-третьих, поскольку ЦСЧ с ДПКД в цепи обратной связи работает как умножитель девиации частоты сигнала, введенного по опорному каналу (коэффициент умножения пропорционален коэффициенту деления N ДПКД), то при широком диапазоне изменения выходных частот синтезатора происходит изменение уровня девиации частоты выходного сигнала. В синтезаторе-прототипе для стабилизации уровня девиации ЧМ сигнала и уменьшения рассогласования каналов модуляции модулирующий сигнал, поступающий в опорный канал на ИФМ, проходит через управляемый аттенюатор, коэффициент передачи которого устанавливается от устройства установки частоты (УУЧ) в момент изменения коэффициента деления N ДПКД. Однако точность установки коэффициента передачи таким способом в ряде случаев недостаточна и при воздействии дестабилизирующих факторов может произойти нарушение идентичности каналов модуляции, что приведет к изменению уровня девиации и искажениям. К тому же все это усложняет аппаратуру и снижает быстродействие.
Устранение указанного недостатка достигается тем, что в цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий соединенные в кольцо управляемый генератор, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, импульсно-фазовый детектор и фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом управляемого генератора, последовательно соединенные опорный генератор, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления и импульсно-фазовый модулятор, выход которого соединен со вторым входом импульснофазового детектора, а также устройство установки частоты, выход которого соединен с установочным входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления, источник модулирующего сигнала, выход которого соединен с модулир /ющим входом управляемого генератора, введены между выходом фильтра нижних частот и модулирующим входом импульснофазового модулятора последовательно соединенные разделительный конденсатор, инвертирз ошдй усилитель и ключ, при этом управляющий вход ключа соединен с выходом индикатора синхронизма, вход которого соединен с выходом импульсно-фазового детектора.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов: разделительного конденсатора, инвертирующего усилителя, ключа и индикатора синхронизма, а также их связями между собой и с остальными элементами схемы. При этом нет интегратора и нет вообще связи ИФМ с источником
модулирующего сигнала, т. е. нет второй точки модуляции. Характерным здесь является включение ИФМ во вспомогательный контур автоматического регулирования фазы, что обеспечивает полную компенсацию искажений модулированного сигнала в широкой полосе модулирующих частот. При этом сохраняется высокое быстродействие синтезатора.
Предлагаемое техническое решение, по мнению заявителя, обладает существенными отличиями, так как при поиске не выявлены аналоги, содержащие признаки, сходные с отличительными.
Па чертеже приведена блок-схема предлагаемого цифрового синтезатора частот с частотной модуляцией.
Цифровой синтезатор с частотной модуляцией содержит соединенные в кольцо управляемый генератор УГ1, ДПКД2, импульсно-фазовый детектор ПФДЗ и ФПЧ4, выход которого подключен к управляющему входу УГ1, последовательно соединенные опорный генератор ОГ5, ДФЬСДб и импульсно-фазовый модулятор ИФМ7, выход которого соединен со вторым входом ИФДЗ, а также устройство установки частоты УУЧ8, выход которого соединен с установочным входом ДП1СД2, источник модулирующего сигнала ИМС9, выход которого соединен с модулирующим входом УГ1, последовательно соединенные инвертирующий усилитель ПУ10 и ключ КлИ, выход которого соединен с модулирующим входом ИФМ7. При этом управляющий вход ключа КлП соединен с выходом индикатора синхронизма ИС12, вход которого соединен с выходом ПФДЗ, а вход ПУ10 через разделительный конденсатор 13 соединен с выходом ФПЧ4.
Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией работает следующим образом.
В режиме синхронизма при подаче модулирующего напряжения от ПМС9 на модулирующий вход УГ1 происходит его частотная модуляция. С выхода УГ1 сигнал с частотой fyr поступает на выход синтезатора и на вход ДПКД2, где делится по частоте на коэффициент деления N, задаваемый от УУЧ8.
При этом импульсы на выходе ДПКД2 будут промодулированны по фазе в соответствии с модуляцией УГ1 информационным сигналом от ИМС9. С выхода ДПКД2 модулированные по фазе короткие импульсы поступают на первый вход ПФДЗ, на второй вход которого с выхода ПФМ7 поступают короткие опорные импульсы с частотой сравнения Fgp , получающимися в результате деления частоты опорного кварцевого генератора ОГ5 на постоянный коэффициент деления ДФКДб. В результате сравнения этих импульсов по частоте и фазе на выходе ПФДЗ вырабатывается управляющее напряжение, которое через ФПЧ4 поступает на управляющий вход УГ1, а через разделительный конденсатор 13 (чтобы
не проходила постоянная составляющая), инвертирующий усилитель ИУЮ и ключ Кл11 (открытый в режиме синхронизма по сигналу от ИС12) поступает на модулирующий вход ИФМ7 и модулирует опорные импульсы по фазе так же, как промодулированны импульсы с выхода ДПКД2. При сравнении одинаково промодулированных по фазе входных импульсов на выходе ИФДЗ нет сигнала ошибки по модуляции и, следовательно, нет реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее возмущение УГ1.
Здесь низкочастотные модулирующие составляющие не успевают сформироваться на выходе ИФДЗ из-за того, что они мгновенно отрабатываются (уничтожаются) в результате действия отрицательной обратной связи через разделительный конденсатор 13, инвертирующий усилитель ИУЮ и ключ Кл11 на модулирующий вход ИФМ7.
В предложенном ЦСЧ происходит полная компенсация искажений модулированного сигнала, так как здесь отсутствуют все три причины, приводящие к искажениям в устройстве - прототипе, перечисленные ранее.
1.Здесь нет второй точки модуляции информационным сигналом, а значит нет перекомпенсации теми частотными составляющими модулирующего сигнала, которые не нужны для правильной модуляции опорных импульсов по фазе.
2.Здесь нет интегратора в опорном канале, а значит нет условий для искажения АЧХ модулированного сигнала.
3.Здесь нет необходимости следить за стабильностью девиации частоты синтезатора и возможностью рассогласования каналов модуляции.
В переходном режиме при переключении частот синтезатора, когда разность фаз на входах ИФДЗ превышает заранее установленную максимальнзю величину, от выходного сигнала ИФДЗ срабатывает индикатор синхронизма ИС12 и на его выходе формируется запрещающий сигнал, который поступает на управляющий вход ключа КлП. В результате этого ключ КлП закрывается и в кольце ИФАПЧ происходит обычная подстройка частоты синтезатора. Причем быстродействие ЦСЧ при этом определяется только ФНЧ4, инерционность которого выбирается из этих условий независимо от полосы модулирующих частот.
Как только в системе ИФАПЧ после переключения частот установится режим синхронизма, с выхода индикатора синхронизма ИС12 на управляющий вход КлП поступит разрешающий сигнал и вспомогательный контур автоподстройки фазы опорных импульсов на выходе ИФМ7 относительно фазы импульсов с выхода ДПКД2 опять включится в работу и в ЦСЧ будет осушествляться полная компенсация реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее воздействие по УГ1.
Доказательством возможности осуществлений предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Ключ может быть выполнен
на основе микросхемы 564КТЗ, инвертирующий усилитель - на основе операционного усилителя (например, микросхема 140УД20). Индикатор синхронизма представляет собой амплитудный детектор с заранее установленным порогом срабатывания, который также широко применяется вЦСЧ.
Таким образом, применение предлагаемого цифрового синтезатора частот с частотной модуляцией позволяет решить задачу полной компенсации частотных и нелинейных искажений ЧМ сигнала в широкой полосе модулируюш;их частот при одновременном сохранении необходимого высокого быстродействия.