Экспериментальные исследования синтезатора частот с коммутацией элементов кольца фазовой автоподстройки

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Леньшин А.В.,

доктор технических наук, доцент, Военно-учебный центр «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Тихомиров Н.М.,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, концерн «Созвездие»

Тихомиров В.Н.,

концерн «Созвездие»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ С КОММУТАЦИЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЬЦА ФАЗОВОЙ

АВТОПОДСТРОЙКИ

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF A SYNTHESIZER OF FREQUENCIES WITH SWITCHING OF ELEMENTS OF A RING OF PHASE SELF-TUNING

Приводятся результаты разработки и экспериментальных исследований синтезатора частот с переменной структурой и коммутацией элементов кольца импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), выполненного на современной электронной компонентной базе высокой степени интеграции.

The results of development and experimental frequency synthesizer with variable structure and switching elements of the ring pulse phase-locked loop (PLL), formed on the basis of modern electronic component high degree of integration.

Введение. Основными вопросами при проектировании синтезаторов частот (СЧ), во многом определяющими эффективность систем передачи и обработки

7

информации, являются снижение уровня фазовых шумов при сохранении широкого диапазона перестройки рабочих частот и обеспечение требуемого быстродействия. Выбор структурной схемы СЧ определяется необходимой степенью подавления побочных составляющих и фазовых шумов, а также временем перестройки частоты [1]. Для улучшения быстродействия в СЧ можно использовать кольцо ИФАПЧ с коммутацией структуры и параметров, то есть с переменной инерционностью [2, 3].

Возможность получения в СЧ с коммутацией элементов кольца ИФАПЧ достаточно высокой динамической точности достигается за счет обеспечения рационального изменения общего коэффициента усиления на всех этапах регулирования, когда осуществляется двойное управление — релейное при больших рассогласованиях и адаптивное при малых. Регулирование с переменной инерционностью позволяет с высокой степенью приблизить закон регулирования в кольце ИФАПЧ синтезатора к оптимальному. Обеспечение адекватных динамических и спектральных характеристик во всем диапазоне синтезируемых колебаний достигается стабилизацией устойчивости системы ИФАПЧ при изменении ее инерционности, что позволяет оптимизировать кольцо по заданному параметру качества.

Теоретический анализ. Вариант структурной схемы СЧ с коммутируемым фильтром, обеспечивающим уменьшение времени переходных процессов при сохранении заданного запаса устойчивости использованием коммутации элементов кольца ИФАПЧ, представлен на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема СЧ с коммутируемым ФНЧ

СЧ содержит: БОСЧ, БОСФ — блоки определения синхронизма по частоте и фазе; ЧФД — частотно-фазовый детектор; БКЗН — блок коммутируемой зарядовой накачки (ЗН); ДПКД (ДДПКД), ДФКД — делители частоты с переменным (дробно-переменным) и фиксированным коэффициентом деления; КФНЧ — коммутируемый фильтр нижних частот; ОГ — опорный кварцевый генератор; ГУН — управляемый напряжением генератор [3].

В СЧ с коммутацией структуры и параметров характер переходных процессов (1111) при смене выходных частот существенно улучшается, сокращается его длительность за счет изменения в определенные моменты времени структуры ФНЧ и величин токов заряда и разряда в блоке коммутируемой зарядовой накачки в течение 1111 [4]. В результате этого достигается стабилизация передаточной характеристики кольца ИФАПЧ, что позволяет оптимизировать систему по заданному качеству динамических и спектральных характеристик во всем диапазоне синтезируемых колебаний.

Схема коммутируемого ФНЧ, используемого в приведенной архитектуре СЧ, показана на рис. 2 (К1 и К2 — ключи коммутаторов; МК — микроконтроллер).

Рис. 2. Схема коммутируемого ФНЧ

Продолжительность времени 1111 рассматриваемого СЧ по частоте и по фазе

¿У2<р можно определить с помощью следующих выражений

^У2/

2 /

N2ат

ГУН - 2Я£2 + 1п

/

^Б22 ^АЪ2/

-а2Б2

1 _ 2 А/гун

У2^ N^1

- 2яа+1п

А<Ре

N22Б2 КХСАФ

-а222

где А/^н _ - — диапазон перестройки частоты ГУН; — коэффициент деления ДД11КД после переключения структуры и параметров системы ИФА1Ч;

22 _

МзН^ГУН

— базовая частота на интервале времени t > ^ после

, (С+С) N2

момента переключения ¿к структуры и параметров системы ИФА1Ч; К ^) и К2(^) — переключаемые МК усилители тока заряда и разряда БКЗН с выхода ЧФД; £гун — крутизна характеристики управления ГУН; Ъ2/ и а — некоторые параметры, подлежащие определению; Ь2 _2жЪ2/ / (а2(оъ), юБ — базовая частота частотной характеристики разомкнутой системы ИФАЛЧ [5]; А/, А^в — точность установки частоты и фазы соответственно.

Для уменьшения собственных шумов СЧ разработчики, применяя систему ИФАПЧ в качестве фильтрующего устройства, отказываются от использования делителей в тракте приведения частоты (ТПЧ) сигнала управляемого напряжением генератора к частоте сравнения ЧФД. В качестве ТПЧ используют смесители числом до двух и более [6], на которые из датчика опорных частот (ДОЧ) подаются дискретно-перестраиваемые по частоте сигналы. С применением таких ТПЧ достигается малый уровень шумов в полосе пропускания ИФАПЧ, но возникает задача быстрого введения кольца в синхронизм при перестройке в широком диапазоне рабочих частот СЧ.

Для решения этой задачи можно использовать два коммутируемых ТПЧ — тракт с делением частоты ТПЧд и аналоговый тракт ТПЧа [7]. Схема СЧ с коммутируемыми ЧФД, ТПЧ и ФНЧ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема СЧ с коммутируемыми ЧФД, ТПЧ и ФНЧ

На рис. 3 обозначено: Фу(() — фаза УГ; /уг(7) — частота УГ; N — целое значение дробного коэффициента деления ТПЧд; ¥(АФ) = F(Ф0 ({) - Фн({)) — нелинейная функция, характеризующая функционирование ЧФД1 и ЧФД2; /ё1(7), /ё 2(7) — токи ЗН ЧФД1 и ЧФД2 для ФНЧ1 и ФНЧ2 соответственно; У — усилитель; И — интегратор; П — повторитель сигнала; Т — таймерное устройство (Т), задающее интервал времени коммутации ^ и управляющее ДОЧ, ЧФД1, ЧФД2, ключами коммутаторов К1, К2, КЗ и запускаемое от фронта сигнала и(7) . Напряжение и(7) в начале ПП представляет собой единичную функцию и(7) = им • 1(7) с уровнем им, определяющим диапазон перестройки системы ИФАПЧ.

В соответствии с рис. 3 линейное векторное дифференциальное уравнение, описывающее систему ИФАПЧ, имеет вид

[у(7) = СХ(7) + Би(7),

где Х(7) — вектор состояния системы; А — матрица системы; В — вектор управления; и = и (7); У(7) — вектор выхода (для схемы на рис. 1 ^(0 = [ /уг (0;Ф (^)]); С — матрица выхода; Б — матрица компенсации [7].

При решении (3) удобно использовать модальную каноническую модель динамической системы, в которой переходная матрица имеет диагональную форму. Для формирования такой канонической ББ-модели [8] используем функцию в МЛТЬЛВ

[Р, Ад ]=ив

где А — диагональная матрица, содержащая на главной диагонали собственные числа матрицы А; Р — матрица правых собственных векторов А. Используем матрицу Р для преобразования вектора состояний X к вектору X. Новый вектор состояния Хс связан с исходным вектором соотношением Хс = Р_1Х и система уравнений (3) преобразуется к виду

'ХС=АД ХС+ВД и,

[У = СдХс+ои>

где А = Р_1АР; Р1 — обратная матрица к Р, В = Р "В, С = СР. На интервалах 7 < ^ и 7 > ^ мы имеем две матрицы А, соответственно имеем две матрицы преобразований Р и Р2, пары матриц ВД1, Вда и СД1 , Сда .

Время 1111 при перестройке выходного сигнала по частоте ^ и по фазе 7 можно определить с помощью выражений

1 ,

= *к +-1п

7рф=7к +-1п

а2 М

АТ.

СД2М/АXC2M ) _

СД 2М АХС 2М

где аш — действительное максимальное собственное значение матрицы АД2; СД2М/, СД2Мр, АХС2М — элементы соответствующей строки СД2 и элементы векторов АХС2) = Р2"1АХ2) — соответствующие аш [7].

С использованием математической модели СЧ с переключением структуры и параметров системы ИФАПЧ, разработанной в подсистеме Simulink/MATLAB, проведено математическое моделирование динамических процессов в системе ИФАПЧ и анализ влияния изменения параметров ДДПКД, ЧФД и ФНЧ на длительность 1111. Моделирование показало, что в СЧ с коммутацией структуры и параметров характер 11 при смене выходных частот существенно улучшается, сокращается его длительность за счет изменения в определенные моменты времени структуры ФНЧ и величин тока заряда и разряда в БКЗН в течение 1111 [5, 7, 9].

Результаты экспериментальных измерений. Представляет практический интерес экспериментально исследовать характер переходных процессов при переключении выходных частот СЧ (по схеме на рис. 1) и измерить уровни спектральной плотности мощности фазовых шумов (СПМ ФШ) для выяснения вопроса о применимости архитектуры синтезатора и оценке времени установления выходной частоты. В таблицу сведены данные по требуемым и измеренным параметрам действующего конструктивного макета СЧ с коммутируемым ФНЧ в цепи управления ГУН. Измерение спектральной плотности мощности фазовых шумов (рис. 4) и длительности переходных процессов (рис. 5) макета СЧ на основе отечественной микросхемы 1288ПЛ1У проводилось на анализаторе источников сигналов E5052B компании «Agilent Technologies».

Требуемые и измеренные параметры макета СЧ

Параметры СЧ Единица измерения Заданная величина Измеренная величина

Диапазон рабочих частот МГц 800.. .1400 800.1400

Шаг сетки частот кГц 25 25

СПМ ФШ при отстройке от несущей на 10 кГц 60 кГц 1 МГц дБн/Гц -115 -119

дБн/Гц -115 -118

дБн/Гц -125 -129

Относительный уровень гармоник выходного сигнала, не более дБ -40 -43

Время установления новой частоты при скачке с точностью ± 1 кГц, не более мкс 30 20

Уровень выходного сигнала на нагрузке 50 Ом мВ 300.400 347

Уровень опорного сигнала 100 МГц на нагрузке 50 Ом мВ 250.350 304

Потребляемая мощность В/мА 12/150 12/143

ГЧогее 10 .00dB^ Ref -гO.OOdBc^Hг •20.00 р

Сатег 154299434 <ЗНг

.9586 dBm

-30.00 40.00 -50.00 -60.00 -70.00 -80.00 -90.00 -100.0 -110.0 -120.0 -130.0 -140.0 -150.0 -160.0 -170.0 -180.0

1 1 1 .0 во к А ^119.1346 '118.«916 <*1с/ с!Вс/ >4

3 -4.29.8^68 — Н=

—

"Л А- л —--

4

— — -

Рис. 4. Результаты измерения спектральной плотности мощности фазовых шумов макета СЧ

Рис. 5. Измерение длительности переходных процессов

Выводы. В работе показано, что в предлагаемой схеме адаптивного синтезатора частот время переходного процесса при смене выходных частот существенно уменьшается за счет изменения в определенные моменты времени структуры ФНЧ и токов БКЗН в течение переходного процесса. В результате использования кольца ИФАПЧ с коммутацией структуры и параметров (с переменной инерционностью) достигается адаптивная стабилизация передаточной характеристики кольца ИФАПЧ, что позволяет оптимизировать систему по заданному качеству динамических и спектральных характеристик во всем диапазоне частот синтезируемых колебаний, значительно ускоряя процесс перестройки частоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тихомиров Н. М., Романов С. К., Леньшин А. В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. — М. : Радио и связь, 2004. — 210 с.

2. Романов С. К., Тихомиров Н. М., Леньшин А. В. Системы импульсно-фазовой автоподстройки в устройствах синтеза и стабилизации частот : монография. — М. : Радио и связь, 2010. — 328 с.

3. Патент 2419201 РФ, H03L 7/16. Адаптивный синтезатор частот с коммутацией элементов кольца фазовой автоподстройки / Н. М. Тихомиров, А. В. Леньшин. — №2010106933/09; заявл. 24.02.2010; опубл. 20.05.2011; Бюл. № 14.

4. Леньшин А. В., Тихомиров Н. М., Романов С. К., Тихомиров М. Н. Адаптивная компенсация помех дробности в синтезаторах с фазовой автоподстройкой частоты // Радиотехника. — 2012. — № 5. — С. 74—78.

5. Леньшин А. В., Тихомиров Н. М., Попов А. А. Переходные процессы в синтезаторах частот с кольцом ИФАПЧ с переменной инерционностью // Вестник Воронежского института МВД России. — 2011. — № 1. — С. 120—125.

6. Патент 7701299 US. Low phase noise PLL synthesizer / O. Chenakin (US). №12/205632; заявл. 05.09.2008; опубл. 20.04.2010.

7. Тихомиров Н. М., Леньшин А. В., Тихомиров В. Н. Быстродействие синтезатора с переключаемыми каналами управления и трактами приведения частоты // Радиотехника. — 2014. — № 11. — С. 58—66.

8. Медведев В. С., Потемкин В. Г. Control System Toolbox. — М. : Диалог МИФИ, 1999. — 287 с.

9. Романов С. К., Тихомиров Н. М., Леньшин А. В., Тихомиров В. Н. Переходные процессы в синтезаторах с коммутацией элементов в системе фазовой автоподстройки частоты // Радиотехника. — 2013. — № 12. — С. 104—111.

REFERENCES

1. Tihomirov N. M., Romanov S. K., Lenshin A. V. Formirovanie CHM signalov v sintezatorah s avtopodstroykoy. — M. : Radio i svyaz, 2004. — 210 s.

2. Romanov S. K., Tihomirov N. M., Lenshin A. V. Sistemyi impulsno-fazovoy avtopodstroyki v ustroystvah sinteza i stabilizatsii chastot : monografiya. — M. : Radio i svyaz, 2010. — 328 s.

3. Patent 2419201 RF, N03L 7/16. Adaptivnyiy sintezator chastot s kommutatsiey elementov koltsa fazovoy avtopodstroyki / N. M. Tihomirov, A. V. Lenshin. — №2010106933/09; zayavl. 24.02.2010; opubl. 20.05.2011; Byul. № 14.

4. Lenshin A. V., Tihomirov N. M., Romanov S. K., Tihomirov M. N. Adaptivnaya kompensatsiya pomeh drobnosti v sintezatorah s fazovoy avtopodstroykoy chastotyi // Radiotehnika. — 2012. — № 5. — S. 74—78.

5. Lenshin A. V., Tihomirov N. M., Popov A. A. Perehodnyie protsessyi v sintezatorah chastot s koltsom IFAPCH s peremennoy inertsionnostyu // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2011. — № 1. — S. 120—125.

6. Patent 7701299 US. Low phase noise PLL synthesizer / O. Chenakin (US). №12/205632; zayavl. 05.09.2008; opubl. 20.04.2010.

7. Tihomirov N. M., Lenshin A. V., Tihomirov V. N. Byistrodeystvie sinteza-tora s pereklyuchaemyimi kanalami upravleniya i traktami privedeniya chastotyi // Radiotehnika. — 2014. — № 11. — S. 58—66.

8. Medvedev V. S., Potemkin V. G. Control System Toolbox. — M. : Dialog MIFI, 1999. — 287 s.

9. Romanov S. K., Tihomirov N. M., Lenshin A. V., Tihomirov V. N. Perehodnyie protsessyi v sintezatorah s kommutatsiey elementov v sisteme fazovoy avtopodstroyki chastotyi // Radiotehnika. — 2013. — № 12. — S. 104—111.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Леньшин Андрей Валентинович. Профессор кафедры. Доктор технических наук, доцент.

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).

E-mail: andrey-lenshin@yandex.ru

Россия, 394052, г. Воронеж, ул. Краснознаменная, 153. Тел. 8-920-229-09-95.

Тихомиров Николай Михайлович. Начальник научно-технического управления. Доктор технических наук, старший научный сотрудник.

АО «Концерн "Созвездие"».

E-mail: tikhomir@sozvezdie.ru

Россия, 394018, г. Воронеж, ул. Плехановская, 14. Тел. (473) 252-10-04.

Тихомиров Владимир Николаевич. Конструктор.

АО «Концерн "Созвездие"».

E-mail: vtikhomirov@mail.ru

Россия, 394018, г. Воронеж, ул. Плехановская, 14. Тел. (473) 252-10-04.

Lenshin Andrey Valentinovich. Professor of the chair. Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor.

Military Educational Scientific Center of the Air Force «The Air Force Academy named after prof. N.E. Zhukovsky and U.A. Gagarin» (Voronezh). E-mail: andrey-lenshin@yandex.ru

Work address: Russia, 394052, Voronezh, Krasnoznamennaya Str., 153. Tel. 8-920-229-09-95.

Tikhomirov Nikolay Mikhaylovich. The head of scientific and technical division. Doctor of Technical Sciences, High Research Employee. Koncern "Sozvezdie". E-mail: tikhomir@sozvezdie.ru

Work address: Russia, 394018, Voronezh, Plekhanovskaya Str., 14. Tel. (473) 252-10-04.

Tikhomirov Vladimir Nikolaevich. Designer. Koncern "Sozvezdie". E-mail: vtikhomirov@mail.ru

Work address: Russia, 394018, Voronezh, Plekhanovskaya Str., 14. Tel. (473) 252-10-04.

Ключевые слова: синтезатор частот; экспериментальное исследование; фазовая автоподстройка частоты; коммутация.

Key words: frequency synthesizer; experimental study; phase locked loop; switching.

УДК 621.396