ГИБРИДНЫЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ С УЛУЧШЕННЫМИ СПЕКТРАЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Настоящее техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре.
Из существующего уровня техники известен гибридный однопетлевой синтезатор частот [1], наиболее близкий к заявленному техническому решению, который 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 смесителя после требуемого (программируемого) деления по частоте поступает на частотно-фазовый детектор, где сравнивается с опорной частотой.
Достоинством такого технического решения является высокое частотное разрешение. Недостатком является то, что низкий уровень фазового шума на выходе устройства обеспечивается лишь для частот, определяемых максимальной выходной частотой цифрового вычислительного синтезатора. Для повышения выходной частоты устройства требуется увеличить коэффициент деления в цепи обратной связи петли ФАПЧ до получения максимально допустимой частоты сравнения частотно-фазового детектора, что приводит к возрастанию фазовых шумов на выходе синтезатора пропорционально коэффициенту деления.
Для увеличения выходной частоты без существенного роста уровня фазовых шумов может использоваться гибридный синтезатор частот, использующий дискретные составляющие спектра выходного сигнала цифрового вычислительного синтезатора - образы основной частоты ЦВС [2], также известный из существующего уровня техники и выполненный на основе изобретения [1]. Образы основной частоты ЦВС имеют частоты
T
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, причем для лучшей фильтрации дискретных составляющих рекомендуется использовать коэффициент умножения ЦВС
Амплитуда образов основной частоты ЦВС определяется по закону sin(x)/x. Кроме самих образов основной частоты ЦВС в спектре выходного сигнала ЦВС присутствуют гармоники и субгармоники образов основной частоты ЦВС с меньшей амплитудой.
Конструктивно гибридный синтезатор, использующий образы основной частоты ЦВС, отличается от изобретения [1] тем, что на выходе ЦВС устанавливается полосовой фильтр, настроенный на частоту определенного образа. За счет этого выходная частота ЦВС существенно увеличивается.
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 следующие недостатки:
ЦВС
малый диапазон выходных частот гибридного синтезатора (из-за малого диапазона изменения коэффициента умножения ЦВС K);
высокий уровень нежелательных побочных составляющих спектра выходного сигнала (из-за случайных близких значений частот гармоник и субгармоник образов основной частоты ЦВС, попадающих в полосу пропускания полосового фильтра, к частоте сравнения частотно-фазового детектора).
Задачами, на решение которых направлено заявленное техническое решение, являются
расширение диапазона перестройки частоты выходного сигнала устройства;
уменьшение уровня побочных составляющих спектра выходного сигнала устройства.
Данные задачи решаются за счет включения в структуру устройства дополнительного цифрового вычислительного синтезатора.
Техническим результатом, обеспечиваемым данной совокупностью признаков, является расширение диапазона формируемых частот и уменьшение уровня побочных составляющих спектра выходного сигнала устройства.
Сущность заявленного технического решения поясняется фиг. 1, на которой изображена структурная схема гибридного синтезатора частот с улучшенными спектральными характеристиками.
Гибридный синтезатор частот с улучшенными спектральными характеристиками содержит генератор опорной частоты 1 с двумя выходами, первый из которых подключен к цифровому вычислительному синтезатору 2, выход которого соединен с одним из входов частотно-фазового детектора 3, подключенного через петлевой фильтр нижних частот 4 к генератору 5, управляемому напряжением, выход которого является выходом всего устройства и через направленный ответвитель 6 соединен с одним из входов смесителя 8, второй выход генератора опорной частоты 1 подключен через умножитель частоты 9 ко второму цифровому вычислительному синтезатору 10, выход которого через полосовой фильтр 11 подключен ко второму входу смесителя 8, выход которого соединен через делитель частоты 7 с другим входом частотно-фазового детектора 3.
Работает устройство следующим образом. Генератор опорной частоты 1 вырабатывает высокостабильную частоту, которая подается на оба его выхода. Данная высокостабильная частота по первому выходу подается на цифровой вычислительный синтезатор 2 и тактирует его. Выходной сигнал цифрового вычислительного синтезатора 2 подается на один из входов частотно-фазового детектора 3, выходной сигнал которого через петлевой фильтр нижних частот 4 подается на генератор 5, управляемый напряжением, выходная частота которого является выходной частотой всего синтезатора, а также через направленный ответвитель 6 подается на смеситель 8.
Высокостабильная частота генератора опорной частоты 1 по второму выходу подается на умножитель частоты 9, где умножается в n1 раз, и тактирует цифровой вычислительный синтезатор 10, выход которого подключен к полосовому фильтру 11, выделяющему частоту необходимого образа основной частоты цифрового вычислительного синтезатора 10. Сигнал с частотой образа основной частоты ЦВС 10, являющийся опорным для смесителя 8, подается на второй вход смесителя 8.
С помощью смесителя 8 выходная частота генератора 5, управляемого напряжением, переносится вниз по частоте на величину образа основной частоты ЦВС 10. Затем выходной сигнал смесителя 8 делится в программируемом делителе частоты 7 в N2 раз и подается на другой вход частотно-фазового детектора 3, который сравнивает сигналы на обоих входах и вырабатывает сигнал ошибки, который после фильтрации подстраивает выходную частоту генератора 5, управляемого напряжением.
В отличие от гибридных синтезаторов [1] и [2], где перестройка выходной частоты устройства осуществлялась за счет изменения выходной частоты ЦВС, при котором из-за получившейся разности между частотами сигналов, подающихся на частотно-фазовый детектор, он вырабатывал сигнал ошибки и перестраивал генератор, управляемый напряжением, перестройка частоты выходного сигнала заявленного гибридного синтезатора частот с улучшенными спектральными характеристиками на другую частоту осуществляется следующим образом. Частоты выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов 2, 10 изменяются так, чтобы исключить значения частоты сравнения частотно-фазового детектора 3, близкие к частотам гармоник и субгармоник образов основной частоты ЦВС 10, попавших в полосу пропускания полосового фильтра 11. Фактически при перестройке частоты выходного сигнала заявленного устройства изменяется и частота сравнения частотно-фазового детектора 3, и частота образа основной частоты ЦВС 10. Из-за получившейся разности на входах частотно-фазовый детектор 3 вырабатывает сигнал ошибки и перестраивает генератор, управляемый напряжением, на нужную частоту.
Применение образов основной частоты ЦВС позволяет без использования умножения основной частоты ЦВС значительно повысить частоту выходного сигнала синтезатора без существенного увеличения уровня фазовых шумов. Кроме того, применение дополнительного ЦВС позволит расширить диапазон частот и уменьшить уровень нежелательных побочных составляющих спектра выходного сигнала устройства.
Источники информации
1. Патент США, Direct digital synthesis (DDS) phase locked loop (PLL) frequency synthesizer and associated methods / Nicholas Paul Shields; Harris Corporation. - № 7250823; заявлено 25.05.2005; опубл. 31.06.2007, с. 8.
2. 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.