Гибридный многокольцевой синтезатор частот
HYBRID MULTI-RING FREQUENCY SYNTHESIZER

Область техники
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в измерительной технике, радиолокации и связи.
Предшествующий уровень техники
Известен многокольцевой синтезатор (Dan H. Wolaver. Phase-Locked Loop Circuit Design. Prentice Hall, 1991), в котором уменьшение побочных составляющих и получение малого шага перестройки частоты достигается использованием трех петель фазовой автоподстройки частоты со смесителем, одна из которых обеспечивает точную установку частоты, второе кольцо фазовой автоподстройки частоты - грубую установку частоты, а третье кольцо фазовой автоподстройки частоты - суммирование частот для получения частоты выходного колебания синтезатора.
Недостатком данного решения является высокий уровень фазовых шумов в кольце фазовой автоподстройки частоты для грубой установки частоты, фактически определяющий уровень фазовых шумов выходного колебания всего синтезатора.
Известен цифровой вычислительный синтезатор и гибридный синтезатор объединяющий цифровой вычислительный синтезатор и кольцо фазовой автоподстройки (патент US 6483388 A1 24.01.2002). Гибридный синтезатор использует смеситель для преобразования опорной частоты, генерируемой опорным источником, и сигналом, генерируемым цифровым вычислительным синтезатором, выход смесителя подключен к входу кольца фазовой автоподстройки частоты в которой происходит умножение частоты выходного сигнала смесителя до частоты выходного сигнала синтезатора.
Первым недостатком данного синтезатора является невозможность получения малого уровня фазовых шумов и дискретных составляющих, определяемых частотой сравнения фазового детектора и коэффициентом деления частоты в кольце фазовой автоподстройки частоты. Вторым недостатком данного синтезатора является узкий диапазон изменения частоты на выходе смесителя, ограниченный сверху половиной частоты тактирования цифрового вычислительного синтезатора.
Известен синтезатор частот (патент RU 2523188 С1 20.07.2014), включающий опорный генератор, выход которого соединен с умножителем частоты, преобразователь частоты, делитель частоты, выход которого соединен с входом частотно-фазового детектора, выход которого соединен с входом фильтра сигнала ошибки, выход которого соединен с входом управляемого генератора, обеспечивающий повышение частотного разрешения и спектральной чистоты выходного сигнала за счет соединения выхода умножителя частоты с входом дополнительного умножителя частоты, выход которого соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с опорным входом частотно-фазового детектора.
Недостатком данного решения является необходимость получения высокого коэффициента умножения умножителя частоты для получения малых фазовых шумов выходного колебания синтезатора частот и невозможность получения дробного коэффициента умножения умножителя частоты.
Известен гибридный синтезатор частот (патент RU 172814 U1 25.07.2017) с улучшенными спектральными характеристиками, содержащий генератор колебаний опорной частоты с двумя выходами, частотно-фазовый детектор с двумя входами и выходом, подключенным через кольцевой фильтр нижних частот к генератору, управляемому напряжением, выход которого является выходом всего устройства и через направленный ответвитель соединен с одним из входов смесителя, один из выходов генератора опорной частоты подключен через умножитель частоты к цифровому вычислительному синтезатору, выход которого через полосовой фильтр подключен ко второму входу смесителя, выход которого соединен через делитель частоты с одним из входов частотно-фазового детектора, также содержащий дополнительный цифровой вычислительный синтезатор, имеющий тактовый вход, который подключен ко второму выходу генератора опорной частоты, и выход, соединенный со вторым входом частотно-фазового детектора, позволяющий расширить диапазон перестройки частоты выходного сигнала устройства и уменьшить уровень побочных составляющих спектра выходного сигнала устройства (фиг. 1).
Недостатком данного решения является высокий уровень фазовых шумов выходного колебания, определяемым собственными шумами цифрового вычислительного синтезатора и отношением частоты выходного колебания цифрового вычислительного синтезатора и частоты выходного колебания умножителя частоты. Это связано с тем, что фазовые шумы выходного колебания цифрового вычислительного синтезатора возрастают при повышении выходной частоты цифрового вычислительного синтезатора, в том числе работающего на образах основной частоты во второй, третьей и более высоких зонах Найквиста [1].
Вторым недостатком данного решения является наличие дискретных спектральных составляющих в спектре выходного колебания цифрового вычислительного синтезатора, фильтрация которых затруднена при перестройке частоты выходного колебания цифрового вычислительного синтезатора в широкой полосе частот.
Сущность изобретения
Техническая проблема заявленного изобретения заключается в решении указанных недостатков наиболее близкого аналога.
Технический результат заключается в снижении уровня фазовых шумов и побочных спектральных составляющих выходного колебания синтезатора.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в гибридном многокольцевом синтезаторе частот, содержащем генератор колебаний опорной частоты, частотно-фазовый детектор, кольцевой фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением, направленный ответвитель, делитель частоты, смеситель, умножитель частоты, цифровой вычислительный синтезатор и полосовой фильтр, дополнительно введены второй смеситель, второй полосовой фильтр, третий полосовой фильтр, второй делитель частоты, второе кольцо фазовой автоподстройки частоты и третий делитель частоты, при этом второй выход генератора опорной частоты подключен ко входу умножителя частоты, первый выход генератора опорной частоты подключен ко входу второго кольца фазовой автоподстройки частоты, делитель частоты имеет два выхода, где первый выход умножителя частоты подключен к первому входу второго смесителя, второй выход умножитель частоты подключен к входу цифрового вычислительного синтезатора, выход через полосовой фильтр подключен к второму входу второго смесителя, выход второго смесителя через второй полосовой фильтр подключен к второму входу первого смесителя, выход которого через первый делитель частоты подключен к второму входу частотно-фазового детектора, выход второго кольца фазовой автоподстройки частоты через третий делитель частоты подключен к первому входу частотно-фазового детектора, выход частотно-фазового детектора через последовательно включенные кольцевой фильтр нижних частот и генератор, управляемый напряжением, подключен к входу направленного ответвителя, второй выход направленного ответвителя через последовательно включенные второй делитель частоты и третий полосовой фильтр подключен к первому входу первого смесителя, первый выход направленного ответвителя является выходом предлагаемого гибридного многокольцевого синтезатора.
Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где
На фиг.1 - предшествующий уровень техники
На фиг.2 - приведена структурная схема предлагаемого гибридного многокольцевого синтезатора, где:
1 - генератор колебаний опорной частоты (ГКОЧ), 3 - частотно-фазовый детектор (ЧФД), 4 - кольцевой фильтр нижних частот (ФНЧ), 5 - генератор, управляемый напряжением (ГУН), 6 - направленный ответвитель (НО), 7 - первый делитель частоты (ДЧ1), 8 - первый смеситель (СМ1), 9 - умножитель частоты (УЧ), 10 - цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС), 11 - первый полосовой фильтр (ПФ1), 12 - второй смеситель (СМ2), 13 - второй полосовой фильтр (ПФ2), 14 - третий полосовой фильтр (ПФ3), 15 - второй делитель частоты (ДЧ2) 16 - второе кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ2), 17 - третий делитель частоты (ДЧ3).
ЦВС
На фиг.3 - фазовые шумы цифрового вычислительного синтезатора на частоте f
На фиг.4 - спектр колебания на первом входе СМ1 поз.8 на фиг.2
На фиг.5 - спектр колебания на первом входе смесителя предшествующего уровня техники
Предлагаемый гибридный многокольцевой синтезатор содержит ГКОЧ 1, имеющий два выхода, первый выход ГКОЧ соединен с входом ФАПЧ2 16, второй выход ГКОЧ 1 соединен с входом УЧ 9, выход ФАПЧ2 16 соединен с первым входом ДЧ3 17, выход ДЧ3 17 соединен с первым входом ЧФД 3, выход ЧФД 3 через последовательно подключенные ФНЧ 4, ГУН 5, соединен с НО 6, первый выход НО 6 является выходом гибридного многокольцевого синтезатора, второй выход НО 6 через ДЧ2 15 и ПФ3 14 подключен к первому входу СМ1 8, выход СМ1 8 через ДЧ1 7 подключен ко второму входу ЧФД 3, При этом первый выход УЧ 9 подключен к первому входу СМ2 12, второй выход УЧ9 подключен к входу ЦВС 10, выход ЦВС 10 подключен через ПФ1 11 ко второму входу СМ2 12, а выход СМ2 12 подключен через ПФ2 13 ко второму входу СМ1 8.
Частота выходных колебаний гибридного многокольцевого синтезатора, снимаемых с выхода ответвителя 6, определяется по формуле
сч
ог
дч2
дч3
1
см1
дч3
ФАПЧ1
F = f· N· N· [K· f/ N ± K R)], (1)
см1
1
ЦВС
f = K (1±1/K).
ог
дч2
дч3
1
ЦВС
ФАПЧ1
Здесь f - частота выходного колебания ГКОЧ 1, N - коэффициент деления ДЧ1 7, N - коэффициент деления ДЧ2 15, K - коэффициент умножения УЧ 9, K - отношение выходной частоты УЧ 9 к выходной частоте ЦВС 10, K - коэффициент умножения частоты ФАПЧ2 16, R - коэффициент деления частоты ДЧ3 17.
Максимальное и минимальное значения выходной частоты гибридного многокольцевого синтезатора можно рассчитать по формулам:
сч.макс
чфд2.макс
1
ЦВС
дч3
дч2
дч3
F = (F + K (1±1/K) / N) N N.
сч.мин
опорн.мин
1
ЦВС
дч3
дч2
дч3
F = (f + K· (1±1/K) / N) N N. (2)
чфд2.макс
опорн.мин
ЦВС
сч.макс
сч.мин
ЦВС
1
Здесь F - максимальная допустимая частота работы ЧФД 3, f - минимальная частота работы ЧФД 3, определяемая параметрами ФНЧ 4. Наличие слагаемых (±1/K) в формулах (2) позволяет получить непрерывный ряд значений F и F, если задавать значения K>K/0,45.
ог
1
ЦВС
Т
ог
дч2
ЦВС1
Т
ЦВС
см1
1
ЦВС
ЦВС
ЦВС2
см1
дч2
Снижение уровня фазовых шумов выходного колебания гибридного многокольцевого синтезатора достигается за счет работы ЦВС 10 в первой зоне Найквиста. Действительно, рассмотрим конкретный вариант гибридного многокольцевого синтезатора, в котором в качестве ЦВС 10 используется микросхема 1508ПЛ8Т и установлены следующие значения параметров: f=120 МГц, K=7, K =21. В этом случае тактовая частота ЦВС 10 составит f = f· N = 840 МГц, выходная частота ЦВС 10 будет равна f = f/ K = 40 МГц. Примем f = K· (1-1/K) = 800 МГц. Фазовые шумы ЦВС 10 на частоте f показаны на фиг. 3, кривая 1. Если ЦВС 10 будет работать во второй зоне Найквиста, при выходной частоте f = f = 840 МГц, его фазовые шумы возрастут, как это показано на фиг. 3, кривая 2. Поскольку мощность фазовых шумов, вносимых ЦВС 10, в полосе пропускания ФНЧ 4 пересчитывается к выходу синтезатора пропорционально квадрату значения N, использование предлагаемого устройства, имеющего более низкий уровень фазовых шумов ЦВС 10, действительно позволяет снизить уровень фазовых шумов на выходе гибридного многокольцевого синтезатора.
Работа ЦВС 10 в первой зоне Найквиста позволяет снизить уровень побочных спектральных составляющих в спектре выходного колебания. На фиг. 4 показан спектр колебания на выходе СМ2 12 (фиг. 2) при формировании выходного колебания ЦВС с частотой 168,5 МГц в первой зоне Найквиста, с тактовой (входной) частотой 840 МГц. Уровень побочных спектральных составляющих составляет минус 76,862 дБ и минус 79,089 дБ относительно уровня выходного колебания. На фиг.5 показан спектр колебания на первом входе смесителя 8 (фиг.1) при формировании выходного колебания ЦВС 10 во второй зоне Найквиста с частотой 671,5 МГц. Уровень побочных спектральных составляющих составляет минус 69,645 дБ и минус 75,92 дБ относительно уровня выходного колебания. Таким образом, уровень побочных спектральных составляющих оказывается сниженным на 3 - 6 дБ.
2
2
Дополнительное снижение уровня фазовых шумов и регулярных составляющих в выходном колебании гибридного многокольцевого синтезатора достигается за счет фильтрующих свойств второго кольца фазовой автоподстройки частоты, и устранения проникновения комбинационных составляющих, возникающих в СМ1 8 и проникающих через НО 6 на выход гибридного многокольцевого синтезатора, за счет использования ПФ3 14. настроенного на частоту выходного колебания ДЧ2 15, которая в k раз (где k - коэффициент деления ДЧ2 15), меньше чем частота выходного колебания гибридного многокольцевого синтезатора.