СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СИНТЕЗИРУЕМЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И ЦИФРОВОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ СИНТЕЗАТОР МНОГОУРОВНЕВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO IMPROVE CHARACTERISTICS OF SYNTHESISED HIGH-FREQUENCY SIGNALS AND DIGITAL COMPUTING SYNTHESISER OF MULTILEVEL SIGNALS FOR ITS REALISATION

Предлагаемая группа изобретений относится к области радиоэлектроники, в частности к формированию прецизионных частот и сигналов, и может быть использована в цифровых вычислительных синтезаторах (ЦВС) многоуровневых сигналов.
Современная техника формирования многоуровневых сигналов с помощью ЦВС высокотехнологична, надежна и микроминиатюрна в исполнении.
Однако общая проблемная ситуация в области формирования прецизионных частот с помощью ЦВС характеризуется продолжающей оставаться актуальной задачей улучшения спектральной чистоты при удовлетворительных шумовых характеристиках сигналов.
Данное направление с точки зрения перспектив его развития - выигрышно в отношении выявления резервов его совершенствования и повышения эффективности улучшения характеристик сигналов.
Известен выбранный в качестве прототипа способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов, представляющий собой цифровое вычислительное формирование многоуровневых сигналов для уменьшения уровня их побочных спектральных составляющих (ПСС) с преобразованием сформированных цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы и последующую частотную фильтрацию последних для их сглаживания (см. книгу Ямпурина Н.П. и др. Формирование прецизионных частот и сигналов. Н.Новгород, НГТУ, 2003, с.58-59).
Несмотря на то, что этот способ перспективен для использования в радиотехнических системах передачи информации с повышенной помехоустойчивостью и защищенностью, в связи с повышением современных требований к характеристикам синтезируемых сигналов и развитием возможностей аппаратурной реализации в данном направлении, разработан предлагаемый далее резерв повышения эффективности улучшения спектральных характеристик синтезируемых сигналов.
Известен прототип цифрового вычислительного синтезатора многоуровневых сигналов для осуществления заявляемого способа, представляющий собой последовательно соединенные фазовый накопитель многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду, преобразователь цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы и фильтр выходных частот синтезатора и включающий источник тактовой частоты, своим выходом параллельно соединенный с входом синхронизации фазового накопителя, входом преобразователя фазы в амплитуду и входом цифроаналогового преобразователя (см. статью Левина В.А. и Черкашина А.А. Методы построения синтезаторов частот в СВЧ диапазоне. - Электросвязь, 2004, №2, с.11-13, рис.13.а).
Технический результат заявляемой группы изобретений - повышение эффективности улучшения спектральных и шумовых характеристик синтезируемых сигналов за счет особенностей предлагаемого заявителем сочетания формирования многоуровневых сигналов и их фильтрации, повышающего стабильность улучшаемых характеристик сигналов, развивающего аппаратурные возможности производственного применения цифрового вычислительного синтеза на основе его программной подготовки и создающего таким образом базу повышения технологичности промышленного производства прецизионных синтезаторов в широком диапазоне частот.
Для достижения результата в известном способе улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов, представляющем собой цифровое вычислительное формирование многоуровневых сигналов для уменьшения уровня их побочных спектральных составляющих с преобразованием сформированных цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы и последующую частотную фильтрацию последних для их сглаживания, синтез высокочастотных сигналов осуществляют на основе предварительной конечномерной оптимизационной оценки ожидаемых ПСС в диапазоне синтезируемых частот с помощью формулы
псс
где f - частота побочной спектральной составляющей;
C
f - частота синтезируемого сигнала;
T
f - частота тактового сигнала;
m - номер гармоники тактового сигнала;
n - номер гармоники синтезируемого сигнала;
псс
C
и получения на графике зависимости f от f зон наличия или отсутствия побочных спектральных составляющих в диапазоне синтезируемых частот и вблизи границ указанного диапазона.
При этом цифровое вычислительное формирование многоуровневых сигналов и преобразование сформированных цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы проводят путем их многочастотной синхронизации посредством опорных генераторов с тактовой частотой  и в количестве М, выбранными в результате поэтапного определения оптимальной тактовой частоты  соответствующей условию равноудаленности ближайших ПСС слева и справа от границ диапазона синтезируемых частот с помощью равенства
где  - начальная частота синтезируемого диапазона;
- конечная частота синтезируемого диапазона;
1
2
m, m - номер первой и второй ближайших гармоник тактового
сигнала;
1
2
n, n - номер первой и второй ближайших гармоник
синтезируемого сигнала
и условию возможности фильтрации, определяемой неравенством
где ΔФ - полоса пропускания фильтра по уровню -3 дБ;
с разбитием синтезируемого интервала частот на М диапазонов при каждом выборе тактовой частоты  опорного генератора и повторением определения оптимальной тактовой частоты  по мере этапного приближения к ней в соответствии с указанным условием ее определения, и получения количества М опорных генераторов, равного количеству этапов определения искомой оптимальной тактовой частоты
А частотную фильтрацию дискретных аналоговых сигналов производят на основе многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации посредством полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с амплитудно-частотными характеристиками  и в количестве N, выбранными в результате N-этапного вычисления результирующих амплитудно-частотных характеристик системы (спектрограмм) после фильтрации  в соответствии с условием требуемого ослабления побочных спектральных составляющих за пределами синтезируемого диапазона частот с помощью формулы
где  - амплитудно-частотная характеристика системы до фильтрации.
Для осуществления заявляемого способа в известном цифровом вычислительном синтезаторе многоуровневых сигналов, представляющем собой последовательно соединенные фазовый накопитель многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду, преобразователь цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы (ЦАП) и фильтр выходных частот синтезатора и включающем источник тактовой частоты, своим выходом параллельно соединенный с входом синхронизации фазового накопителя, входом преобразователя фазы в амплитуду и входом цифроаналогового преобразователя, в качестве источника тактовой частоты в синтезатор введено М опорных генераторов тактовой частоты, выходы которых параллельно соединены с входом первого высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом указанного источника тактовой частоты.
А в качестве фильтра выходных частот синтезатора на выходе последнего введена схема многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации, содержащая второй высокочастотный многоканальный переключатель, на входе соединенный с выходом цифроаналогового преобразователя и на выходе - параллельно с входами N полосовых фильтров на ПАВ, в количестве N≥2, выходы которых параллельно соединены с входами третьего высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом синтезатора.
При этом к каждому из трех упомянутых переключателей подключен блок управления их синхронным переключением.
псс
C
На фиг.1 изображена схема предлагаемого цифрового вычислительного синтезатора многоуровневых сигналов; на фиг.2 - график зависимости f от f в диапазоне синтезируемых частот (номограмма), полученный путем предварительной конечномерной оптимизационной оценки ожидаемых ПСС в диапазоне синтезируемых частот; на фиг.3 - ожидаемая спектрограмма сигналов с наличием ПСС, полученная на основе предыдущего графика; на фиг.4 - спектрограмма сигналов, иллюстрирующая соблюдение условий равноудаленности и возможности фильтрации; на фиг.5 - улучшенная спектрограмма сигналов на выходе предлагаемого синтезатора.
ЦВС содержит последовательно соединенные фазовый накопитель 1 многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду 2, ЦАП 3 и фильтр выходных частот синтезатора 4. При этом в синтезатор введено М опорных генераторов тактовой частоты 5, выходы которых параллельно соединены с входом первого высокочастотного многоканального переключателя 6. Кроме того, в синтезатор введена схема многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации, содержащая второй высокочастотный многоканальный переключатель 7, на входе соединенный с выходом ЦАП 3 и на выходе - параллельно с входами N полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах 8, в количестве N≥2. Выходы фильтров 8 параллельно соединены с входами третьего высокочастотного многоканального переключателя 9, выход которого является выходом синтезатора. При этом к переключателям 6, 7 и 9 подключен блок управления 10 для их синхронного переключения.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Фазовый накопитель 1 с каждым тактом сигнала синхронизации, сформированного одним из М высокостабильных кварцевых генераторов 5, коммутируемых высокочастотным многоканальным переключателем 6, накапливает приращения фазы, которые с помощью преобразователя фазы в амплитуду 2 преобразуются в цифровые отчеты амплитуды, а на выходе ЦАП 3 превращаются в дискретный сигнал заданной частоты. Далее дискретный сигнал подвергается многоканальной узкополосной фильтрации с помощью двух высокочастотных многоканальных переключателей 7, 9 и N высокочастотных фильтров 8 на ПАВ.
Повышение спектральной чистоты выходного сигнала в предлагаемом изобретении достигается за счет многочастотной синхронизации ЦВС линейкой из M-го количества оптимально выбранных тактовых генераторов 5 с частотами  и многоканальной фильтрации дискретного сигнала с помощью N-го количества переключаемых фильтров 8 на ПАВ. Использование множества тактовых генераторов вместо одного позволяет избежать попадания ПСС, возникающих в ЦАП 3, в рабочий диапазон синтезируемых частот, а применение переключаемых фильтров 8 на ПАВ обеспечивает необходимое подавление ПСС за пределами рабочего диапазона до требуемого уровня, что в совокупности полностью решает техническую задачу.
Улучшение шумовых характеристик достигается за счет многоканальной высокоизбирательной фильтрации с помощью фильтров 8 на ПАВ, вырезающих строго определенный диапазон частот, что уменьшает мощность шума на выходе синтезатора, пропорционального ширине диапазона.
Для того чтобы обеспечить оптимальный режим работы предлагаемого ЦВС, повышающий стабильность улучшения характеристик синтезируемых сигналов, в следующем примере осуществления предлагаемого способа предварительно осуществлена конечномерная оптимизационная оценка ожидаемых ПСС в диапазоне синтезируемых частот с помощью формулы (1).
псс
С
На фиг.2 представлена номограмма ПСС в виде графика зависимости f от f для заданного в примере диапазона синтезируемых частот (125…132,5 МГц). Затем на основе этого графика получена ожидаемая спектрограмма сигналов с наличием ПСС - до оптимизации (см. фиг.3). С помощью спектрограммы на фиг.4 проверено выполнение условий равноудаленности и возможности фильтрации на основе использования выражений (2) и (3). На фиг.5 получена ожидаемая спектрограмма сигналов после фильтрации на основе использования формулы (4) - на выходе предлагаемого синтезатора.
Формулы (1-4), с помощью которых был спроектирован и воплощен образец синтезатора, обладающий улучшенными спектральными характеристиками, выведены в результате эмпирического поиска на основе большой по объему выборки экспериментальных данных.
Выходная спектрограмма (см. фиг.5) показывает высокую степень подавления ПСС до 10-го порядка включительно вне рабочей полосы частот (более 80 дБ) и полное отсутствие ПСС внутри рабочего диапазона, что является результатом предлагаемой конечномерной параметрической оптимизации.
Следует отметить, что помимо высокой чистоты спектра получены вполне приемлемые шумовые характеристики сигнала.
Предлагаемый алгоритм реализован на ЭВМ с применением средств компьютерной математики Mathcad-13.0 и линейного программирования на языках высокого уровня. За счет программной реализации способа по выбору оптимальных параметров и структуры синтезатора частот повышается технологичность реализации проекта, эффективность которого подтверждается заметным сокращением времени на разработку (в сотни раз) при достижении высоких качественных показателей и высокой повторяемостью стабильных параметров, что особенно важно для серийного производства.
В качестве аппаратурной основы производственной реализации могут быть использованы высокостабильные кварцевые генераторы и фильтры на ПАВ фирмы EPCOS.
В настоящее время создан опытный образец синтезатора, который был представлен на XIII-м Международном Промышленно-Экономическом Форуме "Россия Единая" в г.Н.Новгороде 13 сентября 2008 г. и на 1-м Международном Инновационном Форуме в г.Санкт-Петербурге с 8 по 10 октября 2008 г.
Получены положительные отзывы потенциальных заказчиков - фирм-производителей радиоэлектронной отрасли промышленности. Ведется переписка с ОАО "Правдинское Конструкторское Бюро" на предмет внедрения нашего синтезатора частот в состав радиолокационных станций. Способ улучшения параметров синтезатора создает конструктивные предпосылки для значительного производственного потенциала.
Таким образом, инициированная прототипом проблема повышения эффективности улучшения характеристик синтезируемых сигналов, явилась причиной усовершенствования синтеза частот в результате разработки заявителем предлагаемой группы изобретений.