Гибридный синтезатор частот с повышенной чистотой спектра

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопередающих и радиоприемных устройствах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре.
Известен гибридный однопетлевой синтезатор частот [1], который выполнен на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), содержащей последовательно соединенные частотно-фазовый детектор (ЧФД), фильтр нижних частот (ФНЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), сигнал которого подается на выход схемы и на один из входов смесителя (СМ), на другой вход которого подается сигнал с выхода цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС), выходной сигнал смесителя после требуемого деления по частоте поступает на частотно-фазовый детектор, где сравнивается с опорной частотой. Кроме того известен патент US №6198353 B1, H03L 7/18, 06.03.2001.
Недостатками аналогов является то, что низкий уровень фазового шума на выходе устройств обеспечивается лишь для частот, определяемых максимальной выходной частой ЦВС. Для повышения выходной частоты устройств необходимо увеличить коэффициент деления в цепи обратной связи петли ФАПЧ до получения граничной частоты сравнения ЧФД, что приводит к увеличению фазовых шумов на выходе синтезаторов пропорционально коэффициенту деления.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство по патенту 172814; H03L 7/18, принятое за прототип.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства-прототипа, где введены следующие обозначения:
1 - генератор опорной частоты (ОГ);
5, 13 - первый и второй цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС);
6 - частотно фазовый детектор (ЧФД);
7 - петлевой фильтр нижних частот;
8 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
9 - смеситель;
10 - программируемый делитель частоты;
11 - направленный ответвитель;
12 - умножитель частоты;
14 - полосовой фильтр.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор опорной частоты (ОГ) 1, первый ЦВС 5, ЧФД 6, петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ) 7, ГУН 8 и ответвитель 11, выход которого является выходом устройства, а его второй выход соединен с одним из входов смесителя 9, выход которого через программируемый делитель частоты 10 соединен со вторым входом ЧФД 6. Кроме того, второй выход ОГ 1 через последовательно соединенные умножитель частоты 12, второй ЦВС 13 и полосовой фильтр 14 соединен с другим входом смесителя 9.
Работает устройство-прототип следующим образом.
Перестройка частоты выходного сигнала гибридного синтезатора частот на другую частоту осуществляется за счет того, что частоты выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов 5 и 13 изменяются так, чтобы исключить значения частоты сравнения частотно-фазового детектора 6, близкие к частотам гармоник и субгармоник образов основной частоты первого ЦВС 5, попавшие в полосу пропускания полосового фильтра 14. Сигнал ошибки из-за имеющейся разности частот на входах ЧФД 6 фильтруется петлевым фильтром нижних частот 7 и перестраивает ГУН 8 на нужную частоту.
Недостатком устройства-прототипа является наличие паразитных составляющих спектра на выходе устройства, т.к. в состав цифровых вычислительных синтезаторов входят цифро-аналоговые преобразователи, которые вносят дополнительную погрешность выходного сигнала из-за преобразования ступенчатого цифрового сигнала в синусоидальный аналоговый.
Задача предлагаемого гибридного синтезатора частот состоит в минимизации паразитных составляющих спектра на выходе устройства.
Для решения поставленной задачи в гибридный синтезатор частот с повышенной чистотой спектра, содержащий генератор опорной частоты (ОГ), последовательно соединенные цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), частотно-фазовый детектор (ЧФД), петлевой фильтр нижних частот (ПФНЧ), генератор, управляемый напряжением (ГУН), а также смеситель, и делитель частоты, согласно полезной модели, введены первый и второй синтезаторы частот (СЧ), выходы которых соединены с соответствующими входами ключа, выход которого подключен к входу ЦВС, причем выход первого СЧ соединен с соответствующим входом смесителя, выход которого подключен к другому входу ЧФД, при этом выход ОГ соединен с входами первого и второго СЧ, кроме того, один выход ГУН является выходом устройства, а другой выход через делитель частоты соединен с соответствующим входом смесителя.
На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:
1 - генератор опорной частоты (ОГ);
2, 3 - первый и второй синтезатор частот;
4 - ключ;
5 - цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС);
6 - частотно фазовый детектор (ЧФД);
7 - петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ);
8 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
9 - смеситель;
10 - делитель частоты
Предлагаемый синтезатор частот содержит ОГ 1, выходы которого соединены с входами первого 2 и второго 3 синтезаторов частот соответственно, выходы которых подключены к соответствующим входам ключа 4, выход которого через последовательно соединенные ЦВС 5, ЧФД 6 и петлевой ФНЧ 7 соединен с входом ГУН 8, выход которого является выходом устройства. При этом второй выход ГУН 8 через последовательно соединенные делитель частоты 10 и смеситель 9 соединен со вторым входом ЧФД 6. Кроме того, выход первого синтезатора частот 2 подключен к другому входу смесителя 9.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор ОГ 1 вырабатывает сигнал высокостабильной опорной частоты, которая подается на опорные входы первого 2 и второго 3 синтезаторов частот.
Выходные сигналы первого 2 и второго 3 СЧ подаются на соответствующие входы ключа 4, который переключает вход тактовой частоты ЦВС 5 либо к выходу первого СЧ 2, либо к выходу второго СЧ 3. ЦВС 5 формирует сигнал с мелким шагом сетки частот, который подается на один из входов ЧФД 6, с выхода которого через петлевой фильтр нижних частот 7, в котором происходит фильтрация сигнала от побочных составляющих спектра, подается на генератор, управляемый напряжением 8. С другого выхода ГУН 8 сигнал подается на вход делителя частоты 10, который делит частоту сигнала на два. Выходной сигнал делителя частоты 10 поступает на первый вход смесителя 9, на второй вход которого подается сигнал с выхода первого СЧ 2. С выхода смесителя 9 на второй вход ЧФД 6 поступает сигнал разностной частоты. В ЧФД 6 происходит сравнение сигналов поступивших с первого и второго входов, и на выходе ЧФД 6 вырабатывается сигнал ошибки, который после фильтрации подстраивает выходную частоту ГУН 8.
Наличие двух синтезаторов частот позволяет при попадании побочных составляющих спектра в полосу пропускания петлевого фильтра нижних частот 7 переключать тактовую частоту таким образом, что побочные составляющие спектра выходят за пределы полосы пропускания петлевого фильтра - это обеспечивает более чистый спектр выходного сигнала устройства.
Таким образом, исключение из состава устройства одного ЦВС, содержащего цифро-аналоговый преобразователь, который вносит дополнительную погрешность выходного сигнала из-за преобразования ступенчатого цифрового сигнала в синусоидальный, и введение двух синтезаторов частот позволяют минимизировать паразитные составляющие спектра сигнала на выходе предлагаемого устройства, без значительного сужения спектра сигнала на выходе устройства.
В качестве ОГ возможно применение генератора Морион ГК-208. Синтезаторы частот могут быть выполнены, например на микросхеме ADF5335 фирмы Analog Devices. ЦВС - на микросхеме AD9914 фирмы Analog Devices. ЧФД может быть реализован, например на микросхеме НМС439 фирмы Analog Devices. В качестве ключа может быть использован, например ключ РЕ42422 фирмы Peregrine Semiconductor, смеситель - HMC7357LP5GE фирмы Analog Devices. Петлевой фильтр нижних частот может быть построен по стандартной схеме данного вида фильтров, например с использованием операционного усилителя ОР211 фирмы Texas Instruments. Программируемый делитель частоты может быть выполнен на микросхеме НМС402 фирмы Analog Devices. В качестве ГУН используется генератор MAOC-009260-PKG003 фирмы М/А-СОМ.
Источники информации.
1. Патент США, Direct digital synthesis (DDS) phase locked loop (PPL) frequency synthesizer and associated methods / Nicholas Paul Shields; Harris Corporation. - №7250823; заявлено 25.05.2005; опубл. 31.06.2007, c. 8.
2. Патент РФ, Гибридный синтезатор частот с улучшенными спектральными характеристиками / Ромашов Владимир Викторович; Ромашова Любовь Владимировна; Храмов Константин Константинович; Якименко Кирилл Александрович. - №172814; HO3L 7/18 заявлено 24.04.2017; опубл. 25.07.2017, с. 4, 5, 6.