Быстродействующий синтезатор частот с высокой чистотой спектра

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для формирования сетки стабильных частот с равномерным шагом в приемных устройствах с повышенной помехозащищенностью, а также в приемопередающих устройствах с высокой чистотой спектра выходного сигнала и быстрой перестройкой рабочих частот.
Методика снижения уровня ПСС в спектре выходного сигнала синтезатора частот (СЧ) состоит в том, что для ухода от интермодуляционных паразитных спектральных составляющих (ПСС) (биений выходной частоты с n-гармоникой частоты опорного генератора) необходимо изменять частоту опорного сигнала путем коммутации опорных генераторов (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., Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. М.: Радио и связь, 1989. 232 с.). При этом необходимым требованием является некратность двух (или более) опорных частот друг другу. Такой вариант исключает увеличение шумов выходного сигнала, но имеет ряд недостатков, среди которых: увеличенное энергопотребление, высокая стоимость и громоздкость.
В описании к интегральной схеме фирмы HittieHMC833 для ухода от интермодуляционных ПСС предлагается использовать каскадное включение двух дробных синтезаторов частот. При таком включении выходной сигнал первого СЧ является опорным сигналом для второго СЧ, формирующего выходной сигнал. При этом первый СЧ может выдавать дискретное множество некратных частот, за счет изменения которых по определенному алгоритму (заранее расчетному или экспериментально установленному) можно избежать целочисленных ПСС в спектре выходного сигнала второго СЧ. Такая методика также имеет ряд недостатков: увеличение спектральной плотности мощности (СПМ) фазового шума (ФШ), увеличение времени установки частоты.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является синтезатор частот по патенту РФ 2458461, H03L 7/16, 7/06, принятый за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1.1 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
1.2 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);
1.3 - фильтр нижних частот (ФНЧ);
1.4 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
1.5 - дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
3.1, 3.2 - первый и второй генератор сигнала эталонной частоты;
6 - микроконтроллер;
7.1, 7.2 - первый и второй электронный двухпозиционный переключатель.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные первый электронный двухпозиционный переключатель 7.1, второй генератор сигнала эталонной частоты 3.2, второй электронный двухпозиционный переключатель 7.2, делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 1.1, частотно-фазовый детектор 1.2, фильтр нижних частот 1.3 и генератор, управляемый напряжением 1.4, один выход которого является выходом устройства, а другой выход через ДПКД 1.5 соединен со вторым входом ЧФД 1.2. Кроме того, второй выход первого электронного двухпозиционного переключателя 7.1 через первый генератор сигнала эталонной частоты 3.1 соединен со вторым входом второго электронного двухпозиционного переключателя 7.2. При этом выход микроконтроллера 6 соединен с шиной с соответствующими входами первого 7.1 и второго 7.2 электронных двухпозиционных переключателей, ДФКД 1.1 и ДПКД 1.5.
Устройство-прототип работает следующим образом.
При включении синтезатора частот на заданную частоту с выхода микроконтроллера 6 по управляющей шине поступают сигналы в двоичном коде на четыре входа: второй вход ДПКД 1.5, устанавливая в нем дробный коэффициент деления ДПКД, вход управляющего сигнала, устанавливая в нем коэффициент деления ДФКД, вход управляющего сигнала первого электронного двухпозиционного переключателя 7.1, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его первым выходом, вход управляющего сигнала второго электронного двухпозиционного переключателя 7.2, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его выходом. Сигнал со второго выхода ГУН 1.4 через ДПКД 1.5 и сигнал с выхода первого генератора 3.1, второй переключатель 7.2 и ДФКД 1.1 подаются на соответствующие входы частотно-фазового детектора 1.2, с выхода которого сигнал поступает на вход ГУН 1.4, что через определенный промежуток времени обеспечивает вхождение в синхронизм частоты ГУН 1.4 с частотой генератора 3.1 в кольце фазовой автоподстройки частоты, выполненном на основе генератора 1.4. На первом выходе ГУН 1.4 формируется синтезируемая частота, равная частоте сигнала первого генератора эталонной частоты 3.1, умноженной в заданное число раз. В режиме работы синтезатора с выхода микроконтроллера 6 по управляющей шине поступают сигналы в двоичном коде на второй вход ДПКД 1.5, устанавливая в нем дробный коэффициент деления ДПКД, на вход управляющего сигнала ДФКД 1.1, устанавливая в нем коэффициент деления ДФКД, на вход управляющего сигнала первого переключателя 7.1, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его вторым выходом, вход управляющего сигнала второго переключателя 7.2, соединяя в нем второй вход управляемого сигнала с его выходом. Через определенный промежуток времени обеспечивается вхождение в синхронизм в кольце фазовой автоподстройки частоты, выполненном на основе ГУН 1.4, на первом выходе которого формируется частота, равная частоте сигнала второго генератора 3.2, умноженной в заданное число раз. При этом происходит исключение частотных участков, в которых имеется высокий уровень побочных спектральных составляющих. Цифровая часть синтезатора частот, которая включает в себя дробный делитель частоты 1.5 с переменным коэффициентом деления, делитель частоты 1.1 с фиксированным коэффициентом деления и частотно-фазовый детектор 1.2, может быть выполнена на одной из микросхем цифрового синтезатора частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты, например, изготавливаемой фирмой Hittite микросхеме НМС 700/701/702 или 704. Первый 7.1 и второй 7.2 переключатели могут быть выполнены на микросхемах IRF7317 фирмы National э Rectifier и НМС349 фирмы Hittite соответственно.
Недостатком устройства-прототипа является то, что для обеспечения высоких спектральных характеристик выходного сигнала СЧ используются генераторы с малым уровнем шумов. Эти генераторы имеют очень высокую стоимость. Также использование данных генераторов значительно увеличивает энергопотребление СЧ и неизбежно приводит к увеличению габаритных размеров системы в целом. Помимо этого, из-за уменьшения СПМ ФШ в устройстве-прототипе используется фильтр с узкой полосой пропускания, что неизбежно приводит к увеличению времени установки частоты синтезатора частот.
Задача - повышение быстродействия синтезатора частот и уменьшение спектральной плотности мощности фазового шума.
В отличие от описанных в публикациях технических решений, в предлагаемом синтезаторе частот используется только один опорный генератор. В качестве второго опорного сигнала используется сигнал фиксированного синтезатора частот (ФСЧ).
Для решения поставленной задачи в быстродействующий синтезатор частот с высокой чистотой спектра, содержащий опорный генератор, последовательно соединенные первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), первый частотно-фазовый детектор (ЧФД), первый фильтр нижних частот (ФНЧ), первый генератор, управляемый напряжением (ГУН) и первый дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД, при этом выход первого ГУН является первым выходом синтезатора частот, а также микроконтроллер, согласно полезной модели, введены последовательно соединенные разветвитель и первый ключ, один выход которого соединен с входом второго ДФКД, выход которого через второй ЧФД соединен с входом второго ключа, выходы которого соответственно через второй и третий ФНЧ подключены к соответствующим входам третьего ключа, выход которого соединен с входом второго ГУН, выход которого является вторым выходом синтезатора частот и через второй дробный ДПКД соединен с другим входом второго ЧФД, при этом выходы микроконтроллера шиной соединены с управляющими входами первого, второго и третьего ключей соответственно; другой выход разветвителя соединен с входом первого ДФКД; выход первого ГУН через делитель частоты подключен к соответствующему входу первого ключа.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - фиксированный синтезатор частот (ФСЧ);
2 - перестраиваемый синтезатор частот (ПСЧ);
1.1, 2.1 - первый и второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
1.2, 2.2 - первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);
1.3, 2.3, 2.6 - первый, второй и третий фильтр нижних частот (ФНЧ);
1.4, 2.4 - первый и второй генератор, управляемый напряжением (ГУН);
1.5, 2.5 - первый и второй дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
3 - опорный генератор (ОГ) (генератор сигнала эталонной частоты);
4 - разветвитель (Р);
5 - делитель частоты (ДЧ);
6 - микроконтроллер;
1
2
3
Кл, Кл, Кл - первый, второй, третий ключи.
1
1
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор 3 и разветвитель 4, один из выходов которого соединен с входом фиксированного синтезатора частот 1, а другой - с соответствующим входом первого ключа Кл, выход которого соединен со входом перестраиваемого синтезатора частот 2. При этом ФСЧ 1 содержит последовательно соединенные первый ДФКД 1.1, первый ЧФД 1.2, первый ФНЧ 1.3 и первый ГУН 1.4, выход которого является выходом ФСЧ 1 и через первый ДПКД 1.5 соединен со вторым входом первого ЧФД 1.2, а также через делитель частоты 5 - с соответствующим входом первого ключа Кл. Кроме того, вход первого ДФКД 1.1 является входом ФСЧ 1.
2
3
1
2
3
ПСЧ 2 содержит последовательно соединенные вторые ДФКД 2.1, ЧФД 2.2 и Кл, выходы которого соединены соответственно через второй 2.3 и третий 2.6 фильтры нижних частот с соответствующими входами третьего Кл, выход которого через последовательно соединенные второй ГУН 2.4 и второй ДПКД 2.5 подключен к соответствующему входу второго ЧФД 2.2. Причем выход второго ГУН 2.4 является выходом ПСЧ 2; вход второго ДФКД 2.1 является входом ПСЧ 2. Причем выходы микроконтроллера 6 соединены шиной с управляющими входами ключей Кл, Кл и Кл.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При работе в обычном режиме опорный сигнал с выхода ОГ 3 поступает на разветвитель 4 и с одного выхода разветвителя 4 подается на вход первого ДФКД 1.1 фиксированного синтезатора частот 1. Далее с выхода ДФКД 1.1 поделенный опорный сигнал поступает на один из входов ЧФД 1.2, на другой вход которого через первый ДПКД 1.5 поступает сигнал с выхода первого ГУН 1.4. Сигнал рассогласования частот с выхода первого ЧФД 1.2 через первый ФНЧ 1.3 поступает на вход ГУН 1.4, частота выходного сигнала которого меняется до тех пор, пока поделенная в заданное число раз в первом ДПКД 1.5, она не будет равной частоте сигнала ОГ 3. В этом случае, выходное напряжение на выходе блока ЧФД 1.2 перестает меняться, а частота выходного сигнала ГУН 1.4 становится равной частоте ОГ 3, умноженной в заданное число раз, т.е. система фазовой автоподстройки ФСЧ 1 входит в состояние синхронизма.
1
2
3
2
3
1
Со второго выхода разветвителя 4 опорный сигнал через первый ключ Кл поступает на вход второго ДФКД 2.1, с выхода которого поделенный опорный сигнал поступает на один из входов ЧФД 2.2, на второй вход которого через блок ДПКД 2.5 поступает сигнал с выхода ГУН 2.4. Сигнал рассогласования частот с выхода ЧФД 2.2 через второй ключ Кл подается на вход ФНЧ 2.3 с широкой полосой пропускания для уменьшения времени установки частоты, с выхода которого сигнал управления через третий ключ Кл поступает на вход ГУН 2.4, частота выходного сигнала которого меняется до тех пор, пока, поделенная в заданное число раз в блоке ДПКД 2.5, она не будет равной частоте сигнала ОГ 3. В этом случае, выходное напряжение на выходе блока ЧФД 2.2 перестает меняться, а частота выходного сигнала блока ГУН 2.4 становится равной частоте ОГ 3, умноженной в заданное число раз, т.е. система фазовой автоподстройки ПСЧ 2 входит в состояние синхронизма. После этого по прошествии определенного промежутка времени микроконтроллер 6 производит переключение ключей К и К в другое положение, вследствие чего в системе ФАПЧ ПСЧ 2 задействуется третий ФНЧ 2.6 с узкой полосой пропускания для уменьшения СПМФШ. В процессе работы при переключении ПСЧ 2 на частоты, кратные частоте ОГ 3, в спектре выходного сигнала ПСЧ 2 возникают интермодуляционные ПСС. Для ухода от этих ПСС происходит переключение К, и в качестве сигнала ОГ 3 для ПСЧ 2 используется выходная поделенная частота ФСЧ.
Таким образом, технический результат предлагаемой полезной модели - повышение быстродействия синтезатора частот и уменьшение спектральной плотности мощности фазового шума.