ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве малошумящего быстродействующего гетеродина широкодиапазонного приемника.
Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ), построенный на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи (см. В.Манассевич "Синтезаторы частот" Теория и проектирование. М.: Связь, 1979, стр.33).
Достоинством такого ЦСЧ с применением современных микросхем является возможность формирования на выходе его большого числа дискретных частот со стабильностью, равной стабильности одного опорного кварцевого генератора (ОКГ) при малых габаритах и малой потребляемой мощности постоянного тока.
Недостаток этого однокольцевого ЦСЧ состоит в том, что невозможно получить одновременно высокую чистоту спектра выходного высокочастотного (ВЧ) сигнала при перестройке в широком диапазоне частот с малым шагом сетки частот и высокое быстродействие при переключении с одной частоты на другую.
Известно, что система ИФАПЧ ЦСЧ представляет собой фильтр нижних частот по отношению к шумам колебания опорной частоты и фильтр верхних частот по отношению к шумам ГУН. Поэтому параметры кольца ИФАПЧ выбираются такими, чтобы получить оптимальные характеристики фазовых шумов при минимальной стоимости системы и минимальных габаритах. Однако, если необходимо подавить шумы колебания опорной частоты до требуемых значений, надо использовать узкополосную петлю ИФАПЧ. В этом
случае не будут выполняться требования по быстродействию и не компенсируются собственные шумы ГУН, для чего нужна широкополосная петля ИФАПЧ. С другой стороны, если спроектировать кольцо ИФАПЧ со сравнительно широкой полосой частот, что и требуется для быстродействующего синтезатора, тогда шумы опорного генератора после повышения частоты путем умножения пропорционально коэффициенту N до выходной частоты будут определять основные шумы на выходе синтезатора.
Это основное противоречие однокольцевого ЦСЧ, которое не позволяет выполнить высокие современные требования к быстродействующему высокочастотному и малошумящему синтезатору частот.
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 и второй КЛ 18, выход которого соединен с выходом первого ключа КЛ 17 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 КЛ 22, выход которого соединен с модулирующим входом второго УГ 11, а также микроконтроллер МК 23.
При этом выход первого УГ 5 соединен с сигнальными входами второго ДФКД 7 и третьего ДФКД 14, вход второго УА 21 соединен с выходом ИМС 10, первая выходная шина МК 23 соединена с управляющими входами первого ДПКД 6, второго ДПКД 12, третьего ДПКД 19, второго ЧФД 8, третьего ЧФД 15, второго ДФКД 7, 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.
В этом частотно-модулированном (ЧМ) ЦСЧ на основе двух последовательно включенных колец ИФАПЧ первое кольцо узкополосное, работает на одной фиксированной частоте и выполнено на основе первого УГ 5, выходной сигнал которого является опорным для второго кольца и поступает во второе кольцо на сигнальные входы второго ДФКД 7 и третьего ДФКД 14. Второе кольцо ИФАПЧ на основе второго УГ 11 двухканальное - оно может работать или по каналу быстрого переключения частот по заданной программе
cp
cp
ш
cp
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 (из-за использования дробного ДПКД). А во втором канале на основе третьего (целочисленного) ДПКД 19 с помощью третьего ДФКД 14 формируется от первого УГ 5 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 соответствующих ключей: первого КЛ 17 или второго КЛ 18, которые переключаются по управляющим сигналам, поступающим по второй управляющей шине от МК 23.
Достоинство этого двухкольцевого ЦСЧ состоит в следующем.
вых
окг
1
В двухкольцевом ЦСЧ с последовательным включением колец происходит значительное уменьшение уровня шумов ОКГ в выходном сигнале по сравнению с однокольцевым ЦСЧ. Известно, что в однокольцевом ЦСЧ происходит умножение уровня шумов ОКГ пропорционально коэффициенту деления N в ДПКД. Поясним это на примере. Пусть выходная частота ЦСЧ f=720 МГц и f=10 МГц. Тогда коэффициент умножения опорной частоты в однокольцевом ЦСЧ K=720/10=72. Во столько же, т.е. в 72 раза умножаются и шумы ОКГ. В двухкольцевом ЦСЧ с последовательным включением колец
общ
1
2
1
2
вых1
1
2
общ
общий коэффициент умножения частоты ОКГ перераспределяется между кольцами К=KК, где K и К - соответственно коэффициенты умножения первого и второго колец. Если, например, выходная частота первого кольца f=120 МГц, то K=120/10=12, a K=720/120=6, т.е. К=12###U14686=72. Значит, во втором кольце умножение частоты опорного сигнала (источником которого является первое кольцо) происходит всего в 6 раз вместо 72, если бы был однокольцевой ЦСЧ. В то же время поскольку первое кольцо работает на одной частоте и является узкополосным, то в нем происходит относительное снижение уровня шумов ОКГ (как бы общий "сброс" уровня шумов ОКГ) с учетом того, что выходная частота первого кольца в 12 раз выше частоты ОКГ.
Недостаток известного устройства состоит в следующем.
Для получения требуемого в настоящее время предельно высокого быстродействия в ЦСЧ на основе системы ИФАПЧ необходимо иметь не только высокую частоту сравнения на входе ЧФД, которую можно обеспечить только в современных микросхемах с дробным ДПКД (например, микросхемы LMX2364 фирмы National Semiconductor, ADF4252 фирмы Analog Devices и другие), но и широкую полосу пропускания кольца ИФАПЧ. Только одновременное обеспечение широкой полосы петли ИФАПЧ и высокой частоты сравнения дает возможность получить требуемое в настоящее время предельно высокое быстродействие.
Но при широкой полосе пропускания кольца ИФАПЧ с дробным ДПКД (ДДПКД) невозможно обеспечить высокую чистоту спектра выходного сигнала, т.к. в ЦСЧ с ДДПКД есть так называемая "помеха дробности" с достаточно низкой частотой даже в современных микросхемах с △Σ компенсатором этих помех. В сущности, для подавления "помех дробности" до требуемых значений необходим почти такой же инерционный петлевой фильтр, как и при использовании обычного целочисленного ДПКД. Это, в свою очередь, значительно уменьшает быстродействие при переключении частот.
Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее 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 и второй фильтр нижних частот; последовательно соединенные второй управляемый генератор и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, при этом выход первого управляемого генератора соединен со входом второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, а также микроконтроллер, управляющая шина которого соединена с управляющими входами второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, второго частотно-фазового детектора, первого и второго делителей частоты с переменным коэффициентом деления, в него введены последовательно соединенные фильтр верхних частот, инвертирующий усилитель и интегратор, а также буферный усилитель, вход которого соединен с выходом второго управляемого генератора; выход второго фильтра нижних частот соединен со входом второго управляемого генератора и входом фильтра верхних частот; последовательно соединенные квадратурный модулятор и выходной усилитель, выход которого является выходом устройства, причем квадратурный модулятор состоит: из фазовращателя на 90°, синфазный выход которого через первый вход первого балансного модулятора соединен с первым входом сумматора, а квадратурный выход фазовращателя на 90° через первый вход второго балансного модулятора соединен со вторым входом сумматора, выход которого через внутренний усилитель квадратурного модулятора соединен со входом выходного усилителя устройства. При этом на второй вход первого балансного модулятора поступает единичное опорное напряжение, а второй вход второго балансного модулятора соединен с выходом интегратора, вход фазовращателя
на 90°, являющийся входом квадратурного модулятор, соединен с выходом буферного усилителя.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2, 7 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
3, 8 - первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);
4, 9 - первый и второй фильтр нижних частот (ФНЧ);
5, 11 - первый и второй управляемый генератор (УГ);
6, 12 - первый и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
23 - микроконтроллер (МК);
24 - фильтр верхних частот (ФВЧ);
25 - инвертирующий усилитель (ИНВ УС);
26 - интегратор (ИНТ);
27 - буферный усилитель (БУ);
28 - квадратурный модулятор (КМ);
29 - выходной усилитель устройства (ВЫХ УС);
30 - фазовращатель на 90° (ФВ);
31 - первый балансный модулятор (БМ1);
32 - второй балансный модулятор (БМ2);
33 - сумматор (СУМ);
34 - внутренний усилитель квадратурного устройства (УС КМ);
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор ОГ 1, первый ДФКД 2, первый ЧФД 3, первый 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 и второй ФНЧ 9; последовательно соединенные второй УГ 11 и второй ДПКД 12, выход которого соединен со вторым входом второго ЧФД 8, при этом выход первого
УГ5 соединен со входом второго ДФКД7, а также микроконтроллер МК23, управляющая шина которого соединена с управляющими входами второго ДФКД7, второго ЧФД8, первого ДПКД6 и второго ДПКД12; последовательно соединенные ФВЧ 24, инвертирующий усилитель ИНВ УС 25 и интегратор ИНТ 26; а также буферный усилитель БУ27, вход которого соединен с выходом второго УГ11 и входом второго ДПКД12; последовательно соединенные квадратурный модулятор КМ28 и выходной усилитель устройства ВЫХ. УС 29, выход которого является выходом устройства, причем КМ8 состоит: из ФВ30, синфазный выход которого через первый вход первого БМ31 соединен с - первым входом СУМ33, а квадратурный выход ФВ30 через первый вход второго БМ32 соединен со вторым входом СУМ33, выход которого через внутренний усилитель ВН УС 34 квадратурного модулятора соединен со входом выходного усилителя устройства ВЫХ УС 29. При этом на второй вход первого БМ31 поступает так называемое единичное опорное напряжение "+1" (обычно равное половине напряжения питания всего КМ28), а второй вход второго БМ32 соединен с выходом ИНТ26 и вход ФВ30, который является входом КМ28, соединен с выходом БУ27.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В ЦСЧ функционируют два последовательно соединенных кольца ИФАПЧ и схема автокомпенсации побочных составляющих выходного сигнала.
Первое кольцо ИФАПЧ узкополосное, работает на одной фиксированной частоте и выполнено на основе последовательно соединенных первого УГ5, первого ДПКД6, первого ЧФД3 и первого ФНЧ 4, выход которого соединен с управляющим входом УТ5. На опорный вход первого ЧФДЗ поступает от ОГ1 через первый ДФКД2 опорный импульсный сигнал с достаточно высокой частотой сравнения, что при узкой полосе пропускания кольца позволяет осуществить значительное подавление помех, кратных частоте сравнения в управляющем сигнале, поступающем с выхода первого ФНЧ 4 на управляющий вход УГ5, и получить на его выходе спектрально чистый сигнал, который является опорным для второго кольца ИФАПЧ.
Второе кольцо ИФАПЧ на основе последовательно соединенных второго УГ11, второго ДПКД12, второго ЧФД8, второго ФНЧ9, выход которого соединен с управляющим входом УГ11 является быстродействующим, может работать в диапазоне очень высоких частот. На опорный вход второго ЧФД8 поступает с выхода первого УГ5 через второй ДФКД7 достаточно чистый сигнал со сравнительно высокой частотой сравнения (при работе с дробным ДПКД). Тем самым происходит уменьшение коэффициента умножения во втором кольце и соответствующее снижение уровня шумов на выходе синтезатора.
В синтезаторе второй УГ11 промодулирован по частоте управляющим напряжением с выхода второго ФНЧ9, в котором есть составляющие от "помехи дробности", т.е. имеется паразитная частотная модуляция (ПЧМ), а значит паразитная фаза сигнала меняется по закону интеграла от этой частоты. Для значительного ослабления возникшей ПЧМ сигнала УГ11 управляющее напряжение с выхода ФНЧ9 поступает через ФВЧ24 (т.е. разделительный конденсатор, не пропускающий постоянную составляющую управляющего напряжения), инвертирующий усилитель ИНВ УС25 (для формирования противофазного компенсирующего сигнала) и интегратор 26 на второй вход второго БМ32, а на первый вход второго БМ32 поступает высокочастотный (ВЧ) сигнал с квадратурного выхода фазовращателя ФВ30, сдвинутый на 90° относительно сигнала с выхода УГ11. На вход ФВ30 через БУ27 поступает ВЧ сигнал с выхода УГ11. При этом на выходе второго БМ32 формируется квадратурный балансно-модулированный сигнал с паразитной фазовой модуляцией (ФМ), который поступает на второй вход сумматора СУМ33. На первый вход первого БМ3 1 поступает синфазный сигнал с синфазного выхода ФВ30, а на второй вход первого БМ31 подается так называемое единичное опорное напряжение, равное половине напряжения питания. При этом на выходе первого БМ31 формируется синфазный балансно-модулированный сигнал с паразитной фазовой модуляцией (ФМ), который поступает на первый вход сумматора СУМ33.
В результате квадратурного сложения сигналов, поступающих на первый и второй входы СУМ33 соответственно с выходов БМ31 и БМ32, на выходе сумматора СУМ33 формируется ВЧ сигнал со значительно ослабленной паразитной ФМ, т.е. имеет место существенное подавление побочных составляющих выходного сигнала ЦСЧ. С выхода СУМ33 этот ВЧ сигнал со значительно подавленной ПЧМ поступает на вход внутреннего усилителя ВН УС34 в квадратурном модуляторе КМ28. Усиленный ВЧ сигнал с выхода ВН УС34, являющегося одновременно выходом КМ28, поступает на вход выходного усилителя предлагаемого устройства ВЫХ УС29, где усиливается до заданного уровня и поступает на выход устройства.
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 управляющей шине от МК 23 сигналы управления в последовательном двоичном коде 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 с выхода ЧФД8 мал и полоса пропускания кольца уменьшается до значения, необходимого для обеспечения требуемого подавления побочных составляющих в спектре выходного сигнала ЦСЧ.
Характерным отличием предлагаемого устройства является то, что в ранее известных ЦСЧ уменьшение уровня «помехи дробности» и других побочных составляющих так или иначе было связано с увеличением инерционности петлевого ФНЧ и соответствующим снижением быстродействия синтезатора. В предлагаемом двухкольцевом ЦСЧ вместе с другими вводимыми блоками и в связи с ними используется безинерционный квадратурный модулятор,
обязательно выполненный в виде соответствующей микросхемы (например, микросхема НРМХ-2005 фирмы Agilent Technologies, микросхема U2790B фирмы Atmel и другие). На фиг.2 использование квадратурного модулятора в виде микросхемы выражается тем, что блок КМ28 выделен пунктирной рамкой. В микросхемах квадратурного модулятора с высокой точностью поддерживается на выходе фазовращателя ФВ сдвиг на 90° между синфазной и квадратурной составляющей входного ВЧ сигнала в широком диапазоне частот и в них нет реактивных элементов, т.е. в данном случае микросхемы КМ являются безинерционными. В предлагаемом устройстве можно даже увеличить быстродействие путем уменьшения инерционности петлевого ФНЧ и это не приведет к увеличению уровня побочных составляющих. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили этот вывод.
Возможность осуществления предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Цифровая часть синтезаторов выполняется на микросхемах ЦСЧ с ИФАПЧ разных фирм. При этом в одной микросхеме могут быть один или два независимых ЦСЧ с целочисленным ДПКД (Integer-N) или с дробным (Fractional-N). Например, микросхемы LMX2364, LMX 2470 фирмы National Semiconductor представляют собой двойной синтезатор с двумя раздельными контурами регулирования: один с дробным ДПКД (ДДПКД), другой - с обычным. Аналогично этому микросхема ADF4252 фирмы Analog Devices и другие. Схема инвертирующего усилителя построена на основе последовательно соединенных малошумящего операционного усилителя на микросхеме OP27GS фирмы Analog Devices и операционного усилителя AD822AR фирмы Analog Devices. Интегратор также выполнен на операционном усилителе AD822AR фирмы Analog Devices. Буферный усилитель и выходной усилитель выполнены по схеме усилителя с общим эмиттером на транзисторах типа BFR520 фирмы Philips. Особенностью схемы этого усилителя является использование широкополосного согласующего трансформатора на его выходе, так называемого трансформатора на линиях,
т.е. трансформатора с электромагнитной связью между обмотками, образованными отрезками длинных линий, что позволяет работать в широком диапазоне высоких частот. В качестве квадратурного модулятора используется микросхема U2790B фирмы ATMEL.
Таким образом, в предложенном ЦСЧ на основе двух последовательно соединенных колец ИФАПЧ (так называемое тандемное включение) и схемы автокомпенсации дискретных побочных составляющих на основе квадратурного модулятора имеется возможность значительно повысить чистоту спектра выходного сигнала по шумовым и дискретным составляющим при сохранении или даже улучшении быстродействия при переключении с одной частоты на другую.