ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ
BROADBAND FREQUENCY SYNTHESISER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, в измерительной технике, в технике связи, а именно в устройствах, где требуется быстрая перестройка частоты в широких пределах и высокая чистота спектра выходного сигнала.
Известны синтезаторы частот [Приложение №1. Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. Радио и Связь, 1981 г., с.102-111] на основе опорного генератора, формирующего несколько значений фиксированных опорных частот, устройства коммутации сигналов опорных частот и последовательно включенных блоков. Каждый из блоков содержит смеситель, полосовой фильтр (ПФ) и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления. Перестройка частоты достигается независимой коммутацией частот опорных сигналов в каждом блоке.
Первым недостатком данных синтезаторов является узкая полоса перестройки выходной частоты, так как для получения низкого уровня дискретных составляющих необходимо обеспечивать такое соотношение между преобразуемыми частотами сигналов, поступающих на вход гетеродина и вход ПЧ смесителя, чтобы исключить попадание паразитных спектральных составляющих выходного сигнала смесителя в полосу пропускания ПФ. На практике данное соотношение должно быть не менее 10. Вторым недостатком является необходимость большого количества блоков для получения малого шага перестройки частоты, что делает конструкцию синтезатора достаточно сложной.
i
Известен синтезатор частот (авторское свидетельство SU №1695488), содержащий опорный генератор, блоки формирования сетки частот и формирователь управляющих сигналов. Каждый блок содержит смеситель, ПФ и делитель с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД). Коэффициент деления переключают с помощью формирователя управляющих сигналов. В каждом блоке на вход ДПКД поступает сигнал с выхода смесителя предыдущего блока, на вход гетеродина смесителя поступает сигнал опорной частоты, на вход промежуточной частоты (ПЧ) поступает сигнал с выхода ДПКД. Для первого блока сигнал опорной частоты поступает одновременно на ДПКД и вход гетеродина смесителя. Перестройка частоты достигается независимым переключением коэффициентов деления ДПКД в каждом блоке. Количество синтезируемых частот определяется количеством сочетаний значений коэффициентов деления ДПКД D и увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении количества блоков формирования сетки частот. В данном устройстве обеспечивается подавление комбинационных составляющих, возникающих при преобразовании частоты, во всех блоках кроме последнего за счет последующего деления частоты.
i,min
вых max
min
Недостатком данного устройства в случае низкого уровня паразитных составляющих и малого шага перестройки частоты является узкий диапазон перестройки частоты. Чем больше минимальное значение коэффициента деления ДПКД D, тем меньше будет уровень паразитных спектральных составляющих в выходном сигнале синтезатора, но, одновременно, тем меньше будет ширина полосы перестройки у выходной частоты, теоретически не более , где f - максимально возможное значение частоты выходного сигнала, D - минимальное значение коэффициента деления ДПКД в последнем блоке. С учетом необходимости обеспечения низкого уровня комбинационных составляющих, возникающих за счет нелинейности смесителя и попадающих в полосу полезного сигнала, соотношение между частотами сигналов, поступающих на вход гетеродина и вход ПЧ, должно быть не менее 10. В результате ширина полосы перестройки частоты выходного сигнала составит несколько процентов от частоты опорного сигнала.
Известен также синтезатор частот (патент US №5495202), который состоит из опорного генератора, цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС), блока преобразования и деления частоты и блока преобразования частоты вверх. Блок преобразования и деления частоты состоит из смесителя, полосового фильтра, делителя с фиксированным коэффициентом деления и фильтра нижних частот. Блок преобразования частоты вверх состоит из смесителя и полосового фильтра. За счет преобразования частоты сигнала ЦСПС в диапазон высоких частот и последующего деления частоты достигается уменьшение уровня паразитных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала до желаемого уровня при сохранении высокой скорости перестройки частоты. Блок преобразования частоты вверх обеспечивает перенос выходной частоты блока преобразования и деления частоты в требуемый диапазон частот.
Недостатком данного синтезатора является узкий диапазон перестройки частоты, так как получаемая полоса перестройки выходной частоты меньше диапазона перестройки частоты ЦСПС в D раз, где D - коэффициент деления делителя.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является синтезатор (патент US №4791377), который состоит из четырех формирователей сигналов опорных частот на основе генераторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), ЦСПС, формирователя команд управления, блоков преобразования и деления частоты и блока преобразования частоты вверх. Каждый блок преобразования и деления частоты состоит из смесителя, полосового фильтра и делителя с фиксированным коэффициентом деления. Блок преобразования частоты вверх состоит из смесителя и полосового фильтра. Данный синтезатор обеспечивает высокую скорость перестройки частоты. Другим достоинством является широкая полоса перестройки частоты выходного сигнала: отношение максимального значения частоты выходного сигнала к минимальному составляет 1,453.
Однако при сохранении широкого диапазона перестройки частоты данное устройство не позволяет получить высокий уровень подавления паразитных спектральных составляющих из-за малого значения коэффициента деления делителей частоты и структуры блоков преобразования и деления частоты, в которых на входы гетеродина и ПЧ смесителей поступают сигналы с некратными частотами. При этом значение частоты сигнала на входе ПЧ смесителей всего в 3 раза меньше значения частоты на входе гетеродина смесителей, что приводит к попаданию комбинационных составляющих низкого порядка, имеющих высокий уровень, в полосу пропускания полосового фильтра на выходе смесителя.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение ширины диапазона перестройки частоты синтезатора при обеспечении высокой чистоты спектра выходного сигнала и высокой скорости перестройки частоты.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в широкополосном синтезаторе частот, содержащем перестраиваемый по частоте источник сигнала, формирователь команд управления и блоки расширения диапазона перестройки частоты, причем вход первого блока соединен с выходом источника сигнала и каждый из блоков содержит смеситель, полосовой фильтр и делитель; в каждом блоке расширения диапазона перестройки частоты делитель выполнен с переключаемым коэффициентом деления и имеет высокочастотный вход и вход управления, при этом в каждом блоке высокочастотный вход делителя и вход гетеродина смесителя соединены со входом блока, вход управления делителя соединен с выходом формирователя команд управления, выход делителя соединен с входом промежуточной частоты смесителя, выход последнего соединен через полосовой фильтр с выходом блока, и блоки соединены так, что вход каждого последующего блока соединен непосредственно с выходом предыдущего.
Кроме того, заявляется широкополосный синтезатор частот, в котором к выходу последнего блока расширения диапазона перестройки частоты подключен дополнительно блок расширения диапазона перестройки частоты посредством выполненных с возможностью управления двух коммутаторов, первый из которых имеет один вход, соединенный с выходом последнего блока, и два выхода, первый из которых соединен с первым входом второго коммутатора, имеющего два входа и один выход, второй - с входом добавленного блока, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора.
Кроме того, заявляется широкополосный синтезатор частот, в состав которого дополнительно введен делитель с переключаемым коэффициентом деления, высокочастотный вход которого соединен с выходом второго коммутатора, вход управления - с выходом формирователя команд управления.
Кроме того, заявляется широкополосный синтезатор частот, в котором перестраиваемый по частоте источник сигнала состоит из формирователя сигналов опорных частот, узла формирования сигналов гетеродина, содержащего смеситель, делитель с переключаемым коэффициентом деления, фильтр нижних частот и полосовой фильтр, узла формирования сетки частот, содержащего цифровой синтезатор прямого синтеза, фильтр, смеситель, полосовой фильтр, делитель с переключаемым коэффициентом деления и фильтр нижних частот, и узла преобразования частоты вверх, содержащего смеситель и полосовой фильтр, при этом в узле формирования сигналов гетеродина, вход которого соединен с формирователем сигналов опорных частот, делитель и вход гетеродина смесителя соединены со входом узла формирования сигналов гетеродина, выход делителя через фильтр нижних частот соединен с входом промежуточной частоты смесителя, выход последнего соединен с полосовым фильтром, выход которого является выходом узла формирования сигналов гетеродина, соединенным с узлом формирования сетки частот, в котором вход цифрового синтезатора прямого синтеза соединен с формирователем сигналов опорных частот, выход - через фильтр с входом промежуточной частоты смесителя, вход гетеродина которого соединен с выходом узла формирования сигналов гетеродина, выход смесителя соединен через полосовой фильтр с делителем, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом узла формирования сетки частот, соединенным с узлом преобразования частоты вверх, в котором вход промежуточной частоты смесителя соединен с выходом узла формирования сетки частот, вход гетеродина смесителя соединен с формирователем сигналов опорных частот, выход смесителя соединен через полосовой фильтр с выходом узла преобразования частоты вверх, который является выходом перестраиваемого по частоте источника сигнала.
Техническим результатом заявляемого изобретения является решение поставленной задачи за счет использования предлагаемого соединения блоков расширения диапазона перестройки частоты на основе делителя с переключаемым коэффициентом деления. Последовательное соединение блоков заявляемой структуры позволяет получить широкую полосу перестройки частоты на выходе синтезатора - порядка 35% (отношение максимального значения частоты выходного сигнала к минимальному - 1,35). Заявляемый синтезатор обеспечивает шаг перестройки частоты меньше точности установки частоты и непрерывную полосу перестройки частоты, что позволяет получить любую частоту выходного сигнала с требуемой точностью. Заявляемая конструкция блоков, в которой на вход гетеродина и вход ПЧ смесителя поступают сигналы с кратными частотами, позволяет подавить все паразитные компоненты в выходном сигнале смесителя до требуемого уровня с помощью полосового фильтра, обеспечивая высокую чистоту спектра выходного сигнала. Кроме того, заявляемая конструкция блоков не снижает скорости переключения частоты, т.е. скорость перестройки частоты выходного сигнала остается равной скорости перестройки частоты источника сигнала из-за использования в конструкции блоков только широкополосных фильтров.
Кроме того, использование на выходе каскада блоков дополнительного блока расширения диапазона перестройки частоты, подключенного через два коммутатора, позволяет дополнительно расширить диапазон перестройки частоты выходного сигнала и получить на выходе суммарную ширину полосы синтезируемых частот, равную октаве.
Использование соединенного с выходом второго коммутатора дополнительного делителя с переключаемым коэффициентом деления обеспечивает дополнительное расширение диапазона перестройки частоты выходного сигнала и позволяет получить на выходе заявляемого устройства любое значение частоты в пределах нескольких октав.
Использование перестраиваемого по частоте источника с шагом меньше требуемой точности установки выходной частоты синтезатора позволяет решить проблему неравномерности шага сетки частот, возникающую при преобразовании частот в каскадах БРДП, и обеспечить возможность получения любой частоты из диапазона перестройки. Предлагаемая схема перестраиваемого по частоте источника позволяет получить диапазон перестройки частоты источника в 5-10 раз больше, чем в устройстве по патенту US №5495202, при том же уровне подавления паразитных спектральных составляющих ЦСПС и сохранении высокой скорости перестройки частоты.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-5, на которых изображено:
на Фиг.1 - базовая схема широкополосного синтезатора частот;
на Фиг.2 - схема широкополосного синтезатора частот с дополнительным блоком
расширения диапазона перестройки частоты (БРДП), подключенным с
помощью двух коммутаторов, и дополнительным делителем с
переключаемым коэффициентом деления (ДПКД);
на Фиг.3 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП;
на Фиг.4 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала при использовании дополнительного БРДП;
на Фиг.5 - схема источника сигнала;
На Фиг.1, 2 и 5 позициями 1-26 обозначены:
1 - источник сигнала;
2.i - i-й блок расширения диапазона перестройки частоты (БРДП), где i=1,2,3,…,N;
3 - формирователь команд управления (ФКУ);
4.i - делитель с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД)i-го БРДП;
5.i - фильтр нижних частот (ФНЧ) i-го БРДП;
6.i - смеситель i-го БРДП;
7.i - полосовой фильтр (ПФ) i-го БРДП;
8 - первый коммутатор;
9 - второй коммутатор;
10 - ДПКД;
11 - формирователь сигналов опорных частот (ФСОЧ);
12 - узел формирования сигналов гетеродина (УФСГ);
13 - узел формирования сетки частот (УФСЧ);
14 - узел преобразования частоты вверх (УПЧВ);
15 - ДПКД в УФСГ;
16 - ФНЧ в УФСГ;
17 - смеситель в УФСГ;
18 - ПФ в УФСГ;
19 - цифровой синтезатор прямого синтеза (ЦСПС);
20 - фильтр в УФСЧ;
21 - смеситель в УФСЧ;
22 - ПФ в УФСЧ;
23 - ДПКД в УФСЧ;
24 - ФНЧ в УФСЧ;
25 - смеситель в УПЧВ;
26 - ПФ в УПЧВ.
Широкополосный синтезатор частот содержит источник сигнала 1, перестраиваемый по частоте, N блоков расширения диапазона перестройки частоты (БРДП) 2 и формирователь команд управления (ФКУ) 3. Каждый БРДП 2.i состоит из делителя с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД) 4.i, фильтра нижних частот (ФНЧ) 5.i, смесителя 6.i и полосового фильтра (ПФ) 7.i. Вход БРДП 2.i соединен через разветвление с ВЧ входом ДПКД 4.i и входом гетеродина смесителя 6.i. Выход ДПКД 4.i через ФНЧ 5.i соединен с входом ПЧ смесителя 6.i, выход которого соединен с ПФ 7.i. Выход ПФ 7.i является выходом БРДП 2.i. Входы управления всех ДПКД 4.i соединены с выходом ФКУ 3.
К выходу последнего блока БРДП 2.N предусмотрено подключение дополнительного БРДП 2.N+1 с помощью первого 8 и второго 9 коммутаторов (Фиг.2). Первый коммутатор 8 имеет один вход и два выхода. Второй коммутатор 9 имеет два входа и один выход. Вход первого коммутатора 8 соединен с выходом БРДП 2.N. Первый выход первого коммутатора 8 соединен с первым входом второго коммутатора 9. Второй выход первого коммутатора 8 соединен со входом БРДП 2.N+1. Выход БРДП 2.N+1 соединен со вторым входом второго коммутатора 9. Первый 8 и второй 9 коммутаторы выполнены с возможностью управления посредством ФКУ 3.
Широкополосный синтезатор может дополнительно содержать ДПКД 10, ВЧ вход которого соединен с выходом второго коммутатора 9 (Фиг.2). Вход управления ДПКД 10 соединен с выходом ФКУ 3.
Источник сигнала 1 может быть выполнен в соответствии со схемой, изображенной на Фиг.5. Она состоит из соединенных формирователя сигналов опорных частот (ФСОЧ) 11, узла формирования сигналов гетеродина (УФСГ) 12, узла формирования сетки частот (УФСЧ) 13 и узла преобразования частоты вверх (УПЧВ) 14. УФСГ 12 состоит из ДПКД 15, ФНЧ 16, смесителя 17 и ПФ 18. Вход УФСГ 12, соединенный с одним из выходов ФСОЧ 11, соединен через разветвление с ВЧ входом ДПКД 15 и входом гетеродина смесителя 17. Выход ДПКД 15 через ФНЧ 16 соединен с входом ПЧ смесителя 17, выход которого соединен с ПФ 18. Выход ПФ 18 является выходом УФСГ 12. УФСЧ 13 состоит из цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС) 19, фильтра 20, смесителя 21, ПФ 22, ДПКД 23 и ФНЧ 24. Опорный вход ЦСПС 19 соединен с одним из выходов ФСОЧ 11. Выход ЦСПС 19 соединен через фильтр 20 с входом ПЧ смесителя 21, вход гетеродина которого соединен с выходом УФСГ 12. Выход смесителя 21 соединен через ПФ 22 с ВЧ входом ДПКД 23. Выход ДПКД 23 соединен с ФНЧ 24, выход которого является выходом УФСЧ 12. Узел преобразования частоты вверх (УПЧВ) 14 состоит из смесителя 25 и ПФ 26. Вход ПЧ смесителя 25 соединен с выходом УФСЧ 13. Вход гетеродина смесителя 25 соединен с одним из выходов ФСОЧ 11. Выход смесителя 25 соединен с ПФ 26, выход которого является выходом УПЧВ 14. Выход последнего является выходом источника сигнала 1. Входы управления ДПКД 15, ДПКД 23 и ЦСПС 19 соединены с выходом ФКУ 3.
Устройство работает следующим образом.
вх
1
1min
1max
вх
1
С помощью источника сигнала 1, перестраиваемого по частоте в узком диапазоне (порядка 1%), формируют сигнал с частотой f. Данный сигнал поступает на вход первого БРДП 2.1, в котором, разветвляясь, поступает на ВЧ вход ДПКД 4.1 и вход гетеродина смесителя 6.1. Коэффициент деления D ДПКД 4.1 задают посредством ФКУ 3 в диапазоне от D до D. С выхода ДПКД 4.1 через ФНЧ 5.1 сигнал с частотой f/D поступает на вход ПЧ смесителя 6.1. На выходе смесителя 6.1 полезный сигнал имеет частоту:
вх
1
, где f - частота сигнала, формируемого источником сигнала 1, D - значение коэффициента деления ДПКД 4.1.
вх
вx
1
вх
вx
1
Подавление паразитных спектральных компонент сигнала осуществляют с помощью ПФ 7.1, который может быть настроен на суммарную (f+f/D) или разностную (f-f/D) компоненту частоты сигнала с выхода смесителя 6.1. Далее для определенности будем учитывать, что фильтры настраивают на суммарную компоненту сигнала на выходе смесителей. Данный выбор не влияет на работу заявляемого устройства.
вых min
вых mах
1
вх min
1
вх max
1min
1min
вх
Диаграмма перестройки выходной частоты БРДП 2.1 для различных коэффициентов деления ДПКД 4.1 и осуществления перестройки входной частоты изображена на Фиг.3. На выходе БРДП 2.1 обеспечивается формирование любой частоты в диапазоне от f до f. Для этого необходимо, чтобы при коэффициенте деления D и минимально необходимой частоте источника сигнала 1 f значение частоты выходного сигнала было меньше или равно значению выходной частоты при увеличенном на единицу коэффициенте деления, т.е. при D+1, и максимальной частоте источника сигнала 1 f. Для стыковки участков перестройки при D и D+1 требуется наибольший диапазон перестройки частоты источника сигнала 1 f. Математически условие непрерывной перестройки частоты определяется выражением:
1вых
1min
вх min
1вых
1min
вх max
f(D, f)≤f(D+1, f).
Выбирая знак равенства в выражении для непрерывной перестройки частоты, можно получить минимально и максимально необходимые значения перестройки входной частоты БРДП 2.1 при обеспечении непрерывной перестройки по частоте выходного сигнала БРДП 2.1. Отношение максимального к минимальному значению входной частоты БРДП 2.1 определяется с помощью формулы:
i min
вх max
вх min
Данная формула справедлива для всех БРДП 2.i. В этом случае в качестве значения коэффициента деления используют коэффициент D, соответствующий выбранному блоку, f и f соответствуют минимальному и максимальному значениям частоты выходного сигнала предыдущего блока БРДП 2i-1.
Отношение максимального значения диапазона перестройки частоты на выходе БРДП 2.1 к минимальному рассчитывается по формуле:
Чем больше максимальное значение коэффициента деления, тем больше полоса перестройки на выходе БРДП 2.1, но тем выше требования к избирательности ПФ 7.1 на выходе смесителя 6.1. Максимальное значение коэффициента деления выбирается из условия реализуемости ПФ 7.1.
расш
Эффективность расширения диапазона перестройки частоты с помощью одного БРДП2.1 оценивается с помощью коэффициента расширения K, выраженного как отношение ширины полосы перестройки на выходе к ширине полосы перестройки на входе:
1 вых max(min)
1 вых max(min)
где f - максимальное (минимальное) значение частоты выходного сигнала БРДП2.1, f - (минимальное) значение частоты входного сигнала БРДП 2.1.
расш
1min
1max
Величину коэффициента расширения K можно выразить через минимальный D и максимальный D коэффициент деления ДПКД 4.1:
.
max
min
Если принять, что отношение максимального к минимальному коэффициенту деления ДПКД 4.1 D/D равно 2, то выражение для коэффициента расширения примет вид:
.
1min
раш
1min
расш
1min
расш
1min
1min
При коэффициенте деления D, равном 2, коэффициент расширения K будет равен 3,5, при D, равном 16, K составит 10,0625. Однако, несмотря на то, что с увеличением D коэффициент расширения K тоже растет, абсолютное значение полосы перестройки будет невелико, так как для больших значений коэффициента деления D требуется узкая полоса перестройки частоты входного сигнала. Например, для D, равного 16, ширина полосы перестройки частоты входного сигнала должна удовлетворять выражению:
.
Соответственно, ширина полосы перестройки частоты выходного сигнала будет равна:
1вых max
1вых min
вх min
f-f≈0,035·f.
Использование последовательного соединения нескольких БРДП 2.i, имеющих идентичную конструкцию и отличающихся задаваемыми коэффициентами деления и полосами пропускания фильтров, позволяет получить широкую полосу перестройки.
1min
2min
2min
В этом случае с выхода БРДП 2.1 полезный сигнал с частотой  поступает на вход следующего БРДП 2.2. Минимальный коэффициент деления ДПКД 4.2 в БРДП 2.2 выбирают исходя из диапазона перестройки выходной частоты БРДП 2.1, используя выражение (*) с учетом замены D на D. При правильном D рассчитанное по формуле (*) значение  должно быть меньше или равно . С учетом преобразования частоты в БРДП 2.2 значение частоты выходного сигнала рассчитывается по формуле:
2
, где D - коэффициент деления второго ДПКД 4.2. Для N последовательно соединенных БРДП 2.i выходная частота может быть рассчитана по формуле:
N
, где D - коэффициент деления ДПКД 4.N в БРДП 2.N.
imax
imin
Оценим максимально возможный диапазон перестройки выходной частоты сигнала на выходе N БРДП 2.i. Минимальное значение коэффициента деления ДПКД 4.i не может быть меньше 2. Максимальное значение выбирают равным 4, чтобы отношение D/D не превышало значения 2. Максимально возможное отношение выходной частоты сигнала к входной в N-м БРДП 2.N в соответствии с формулой составит: , т.е не более 35% от минимального значения выходной частоты. При этом на выходе предпоследней ячейки БРДП 2.N-1 обеспечивают отношение максимального значения частоты к минимальному, равное 9/8.
Полезной особенностью схемы БРДП 2.i является возможность подавить все паразитные спектральные составляющие выходного сигнала, возникающие из-за нелинейных свойств смесителя, до любого необходимого уровня за счет того, что в преобразовании частоты участвуют сигналы с кратными частотами. Объясним это. Традиционным при преобразовании частоты является использование некратных частот на входах гетеродина и ПЧ смесителя. Значение частоты на входе ПЧ смесителя можно представить в виде , где f - частота на входе гетеродина смесителя, K - целое число, δf - отстройка значения реальной частоты от ближайшего кратного значения. В общем случае на выходе смесителя образуются спектральные составляющие, частоты которых соответствуют формуле:
, где m и n - целые числа.
Амплитуда образующихся на выходе смесителя спектральных составляющих тем выше, чем меньше сумма n и m, являющихся порядком нелинейности и приводящих к образованию соответствующих компонент в спектре выходного сигнала. Частота одной из наиболее близких к частоте полезного сигнала комбинационных составляющих выходного сигнала смесителя может быть представлена формулой:
.
Частота полезного сигнала будет иметь вид:
.
При малых δf паразитная компонента спектра будет расположена в непосредственной близости к полезному сигналу и не может быть отфильтрована ПФ, а при малых К будет иметь большую амплитуду, т.к. является продуктом нелинейности низкого порядка. Аналогичная проблема возникает с паразитной составляющей вида , которая соответствует К+1 гармонике сигнала, поступающего на вход ПЧ смесителя. Для преодоления данной проблемы значение отношения частот сигналов, участвующих в преобразовании, должно быть величиной больше 10(K≥10), что приводит к ограничению диапазона перестройки выходной частоты в синтезаторах прямого синтеза, построенных по известным схемам (Приложение №2. А.Ченакин. Частотный синтез: текущие решения и новые тенденции. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, январь 2008, стр.92-97).
Схема преобразования частоты в заявляемом устройстве лишена описанного выше недостатка, так как при кратности частот на входе гетеродина и входе ПЧ смесителя 6.i все возможные комбинационные составляющие его выходного сигнала могут быть описаны формулой:
СМвых m,n
вх
i
f=f|m±n/D|.
1max
1min
max
min
1max
1min
Из формулы видно, что наименьшая отстройка ближайшей паразитной спектральной составляющей от полезной составляет . ПФ 7.i с соответствующими полосами пропускания и заграждения позволяет подавить все паразитные спектральные компоненты до требуемого уровня. Выбор полосы пропускания и полосы заграждения ПФ 7.i зависит от отношения коэффициентов деления ДПКД 4.i D/D. Если данное отношение меньше 1,5, на выходе смесителя 6.i достаточно одного ПФ 7.i. Если значения отношения D/D находятся в интервале от 1,5 до 2, то для подавления паразитных спектральных компонент на выходе смесителя необходимо использовать два переключаемых полосовых фильтра. При этом верхняя граница полосы пропускания более низкочастотного фильтра должна совпадать с нижней границей полосы пропускания более высокочастотного фильтра. При еще больших значениях D/D количество необходимых фильтров возрастает.
Заявляемая схема широкополосного синтезатора обладает еще одним достоинством - высокой скоростью перестройки частоты независимо от шага перестройки. При преобразовании частоты сигнала в БРДП 2.1 время перестройки частоты увеличивается незначительно, и его увеличение связано с прохождением ПФ 7.1, полоса которого в несколько раз шире полосы перестройки источника сигнала 1. Время переходного процесса при изменении частоты на входе определяется длительностью импульсной характеристики фильтра, так как сигнал на выходе полосового фильтра является сверткой входного сигнала с импульсной характеристикой полосового фильтра. Для фильтров длительность импульсной характеристики обратно пропорциональна ширине полосы пропускания. Поэтому длительность импульсной характеристики ПФ 7.1 будет в несколько раз меньше длительности импульсной характеристики фильтров, используемых в источнике сигнала 1 и являющихся более узкополосными. Длительность импульсной характеристики фильтров в остальных БРДП 2.i еще меньше, поэтому основной вклад в величину времени перестройки частоты будет вносить наиболее узкополосный фильтр в каскаде БРДП 2. В конечном счете, скорость перестройки выходной частоты синтезатора будет определяться скоростью перестройки сигнала на выходе источника сигнала 1.
Подключение БРДП 2.N+1 к выходу N-го БРДП 2.N через первый 8 и второй 9 коммутаторы, как изображено на Фиг.2, позволяет дополнительно расширить диапазон перестройки частоты выходного сигнала синтезатора.
При одном положении переключателей коммутаторов 8 и 9 на выход второго коммутатора 9 поступает сигнал с выхода БРДП 2.N без преобразования. При другом положении на выход второго коммутатора 9 поступает сигнал, полосу перестройки которого дополнительно расширяют с помощью дополнительного БРДП 2.N+1. Данная схема дает возможность использовать в совокупности диапазон перестройки частоты выходного сигнала последнего БРДП 2.N и диапазон, получаемый на выходе БРДП 2.N+1. Полученные полосы частот, дополняя друг друга, образуют суммарно диапазон перестройки больший, чем максимально возможный диапазон перестройки выходного сигнала блока БРДП 2.N.
На Фиг.4 наглядно проиллюстрирован механизм непрерывной перестройки частоты сигнала на выходе второго коммутатора 9. По оси абсцисс отложена частота сигнала на выходе N-го БРДП 2.N, нормированная на ее минимальное значение, по оси ординат - частота сигнала на выходе второго коммутатора 9, также нормированная на минимальное значение частоты выходного сигнала N-го БРДП 2.N. Диаграмма построена для значений коэффициентов деления 2 и 4 ДПКД 4.N+1 (коэффициент деления 3 не используют). Линия «транзит» соответствует положению переключателей коммутаторов 8 и 9, при которых сигнал идет в обход БРДП 2.N+1, т.е. перестройке частоты сигнала в схеме N последовательно соединенных БРДП 2.i, обеспечивая диапазон перестройки выходной частоты в диапазоне от 1 до 4/3.
вых
вх
Для получения перестройки частоты на выходе синтезатора от 4/3 до 3/2 схему из N БРДП 2.i настраивают так, чтобы на ее выходе получить диапазон перестройки от 16/15 до 6/5, а коэффициент деления ДПКД 4.N+1 устанавливают с помощью ФКУ 3 равным 4, обеспечивая преобразование частоты в соответствии с выражением: , где f - частота сигнала с выхода БРДП 2.N+1, f - частота входного сигнала БРДП 2.N+1.
Для получения диапазона перестройки выходной частоты от 3/2 до 2 схему из N БРДП 2.i настраивают таким образом, чтобы на ее выходе получить диапазон перестройки частоты от 1 до 4/3. Коэффициент деления ДПКД 4.N+1 устанавливают с помощью ФКУ 3 равным 2, обеспечивая преобразование частоты в соответствии с выражением: .
В совокупности три участка перестройки частоты на Фиг.4 образуют непрерывную полосу перестройки выходной частоты с шириной, равной октаве.
p
p
mах
Для построения синтезатора частот с диапазоном перестройки частоты больше октавы в соответствии с Фиг.3 к выходу второго коммутатора 9 подключают ДПКД 10 с переключаемым с помощью ФКУ 3 коэффициентом деления, равным 2 при p=0,1,2…p. Коэффициент деления ДПКД 10, равный единице при p=0, соответствует прямому прохождению сигнала с выхода второго коммутатора 9 без преобразования. При задании коэффициента деления, равным 2, нормированное значение нижней граничной частоты диапазона перестройки будет равно , а верхнее будет равно 1 и будет совпадать с минимальным значением при коэффициенте деления равном 1, обеспечивая непрерывность диапазона перестройки выходной частоты в полосе от  до 2. Аналогично будет обеспечена стыковка участков перестройки выходной частоты при больших значениях коэффициента деления, равных 2. В результате общий диапазон возможных значений выходной частоты составит от  до 2.
Последовательное соединение БРДП 2.i обеспечивает преобразование частоты источника сигнала 1, эквивалентное умножению частоты в дробное число раз. При переключении коэффициента деления шаг перестройки частоты на выходе синтезатора становится неравномерным.
i
Для обеспечения эквидистантного шага перестройки выходной частоты перестройку входной частоты необходимо осуществлять с неравномерным щагом, зависящим от коэффициентов деления D ДПКД 4.i. Таким образом, для практической реализации необходимо использовать входной сигнал, перестраиваемый до частоте с шагом, меньшим, чем требуемая точность задания частоты в  раз.
Данное требование может быть удовлетворено при выполнении источника сигнала 1, например, в соответствии со схемой на Фиг.5.
Формирователь сигналов опорных частот (ФСОЧ) 11 обеспечивает формирование трех когерентных сигналов фиксированной частоты.
ОП2
ОП2
ОП2
min
min
Один из сигналов ФСОЧ 11 с частотой f поступает на вход УФСГ 12, схема которого аналогична схеме БРДП 2.L Так как частота f фиксирована, то на выходе УФСГ 12 количество формируемых частот будет соответствовать количеству коэффициентов деления D1 ДПКД 15. Значения частот на выходе УФСГ 12 определяются формулой f(1+1/D1). Шаг перестройки частоты будет наибольшим для значений D1=D1 и D1=D1+1 и может быть рассчитан по формуле .
С выхода УФСГ 12 сигнал поступает на вход гетеродина смесителя 21 узла формирования сетки частот (УФСЧ) 13, на вход ПЧ которого через фильтр 20 поступает сигнал, формируемый ЦСПС 19 в соответствии с формулой:
,
ОП3
где S - разрядность накапливающего сумматора ЦСПС 19; R - значение кода, управляющего частотой ЦСПС 19, поступающего на вход управления ЦСПС 19 с выхода ФКУ 3, f - тактовая частота ЦСПС 19, поступающая на опорный вход ЦСПС 19 с выхода ФСОЧ 11. Сигналы с выхода смесителя 21 будут иметь частоту:
СМ2
ОП2
ЦСРС
f=f(1+1/D1)±f.
ОП2
ЦСПС
С помощью ПФ 22 выделяют один из сигналов с выхода смесителя 21, подавляя все нежелательные комбинационные составляющие. В дальнейшем будем считать, что этим сигналом является сигнал с частотой f(1+1/D1)±f.
ЦСПС
Если ширина полосы перестройки ЦСПС 19 равна Δf, то на выходе смесителя 21 будет возможно сформировать сигнал с любым значением частоты в полосе:
.
ЦСПС
УФСГ
При обеспечении условия Δf≥Δf перестройка частоты на выходе смесителя 21 будет непрерывной.
Ширина полосы частот данного сигнала будет шире, чем полоса перестройки ЦСПС 19, за счет возможности изменения коэффициента деления D1 ДПКД 15 в УФСГ 12. Из-за особенностей работы ЦСПС 19 в его выходном сигнале содержатся паразитные составляющие вблизи частоты полезного сигнала (Приложение №3. Макаренко В. Компоненты для построения беспроводных устройств связи, часть 7. Синтезаторы частоты прямого цифрового синтеза. ЭКиС, №1, январь 2010 г., рис.5), которые также будут содержаться и в сигнале на выходе ПФ 22. Их уровень понижают с помощью деления частоты. Объясним это.
Паразитные составляющие слабого уровня могут быть представлены в виде компонент, образующихся за счет паразитных амплитудной и угловой модуляций. Паразитная амплитудная модуляция может быть подавлена за счет ограничения амплитуды сигнала на ВЧ входе ДПКД. При делении частоты сигнала флуктуация фазы за счет паразитной угловой модуляции сохраняется по абсолютной величине, однако период выходного сигнала возрастает в D раз (где D - коэффициент деления) что приводит к снижению индекса паразитной угловой модуляции, величина которого определяет уровень паразитных спектральных составляющих. При делении частоты выходного сигнала смесителя 21 с помощью ДПКД 23, коэффициент деления которого равен D2, уровень паразитных составляющих, попадающих в полосу пропускания ПФ 22, снизится на 20lgD2, однако ширина полосы перестройки также уменьшится в D2 раз.
min
min
Для расширения диапазона перестройки частоты выходного сигнала используют делитель с переключаемым коэффициентом деления, обеспечивая перестройку частоты на ВЧ входе ДПКД 23 для каждого значения коэффициента деления. Диаграмма перестройки частоты выходного сигнала ДПКД 23 будет аналогичной диаграмме, приведенной на Фиг.3. Для обеспечения перекрытия участков перестройки на выходе ДПКД 23 при значениях коэффициентов деления D2 и D2+1 необходим наибольший диапазон перестройки. Требуемая ширина полосы перестройки, при которой возможна непрерывная перестройка по частоте, определяется из условия:
,
СМ2 min (max)
где f - минимально (максимально) возможное значение частоты с выхода
min
ПФ 22; D2 - наименьший коэффициент деления ДПКД 23.
В этом случае ширина полосы перестройки на выходе ДПКД 23 будет равна:
.
Полный диапазон перестройки частоты с учетом возможности переключения коэффициента деления D2 ДПКД 23 может быть вычислен по формуле:
,
ДПКД min(max)
min(max)
где f - минимально (максимально) возможное значение частоты на выходе ДПКД 23; D2 - наименьший (наибольший) коэффициент деления ДПКД 23;
СМ2 min
f - значение частоты выходного сигнала смесителя 21.
ДПКД
ОП1
вых
ОП1
ДПКД
Для компенсации понижения частоты при делении с помощью ДПКД 23 и обеспечения требуемых границ перестройки выходной частоты сигнал с частотой f через ФНЧ 24 поступает на вход ПЧ смесителя 25 в УПЧВ 14. На вход гетеродина смесителя 25 поступает сигнал фиксированной частоты f от ФСОЧ 11. На выходе смесителя 25 формируется сигнал с частотой f=f±f. С помощью ПФ 26 на выходе смесителя 25 выделяют суммарную или разностную компоненту сигнала, которая является полезной частотой источника сигнала 1. Так как частота выходного сигнала ЦСПС 19 подвергается делению, то максимальная величина шага перестройки частоты на выходе источника сигнала 1 будет не более .
По сравнению с техническим решением, описанным в патенте US №5495202, предлагаемая схема источника сигнала 1 позволяет получить более широкую полосу перестройки частоты за счет расширения диапазона перестройки частоты ЦСПС 19 при ее преобразовании с различными значениями частоты гетеродина смесителя 25 и использования нескольких значений коэффициента деления в ДПКД 23. В результате диапазон перестройки частоты источника сигнала 1 получается в 5-10 раз больше, чем в устройстве по патенту US №5495202, при том же уровне подавления паразитных спектральных составляющих ЦСПС 19 и том же значении скорости перестройки частоты.
Пример.
Практическая реализация заявляемого устройства поясняется с помощью фиг.6-10, на которых изображены:
на Фиг.6 - структурная схема практической реализации синтезатора;
на Фиг.7 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП 2.1;
на Фиг.8 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП 2.2;
на Фиг.9 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП 2.3;
на Фиг.10 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП 2.4.
На Фиг.6 дополнительно отмечены:
27 - делитель с фиксированным коэффициентом деления 4;
28-30 - коммутаторы.
Схема широкополосного синтезатора частот, изображенная на Фиг.6, позволяет обеспечить следующие параметры выходного сигнала:
1) диапазон выходных частот от 0,75 ГТц до 12 ГГц;
2) шаг перестройки частоты менее 0,025 Гц;
3) относительный уровень паразитных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала не более -90 dB;
4) время перестройки частоты (для любых двух значений частот диапазона выходных частот) менее 200 нс;
нес
5) относительный уровень спектральной плотности частотных флуктуации на частоте 12 ГГц не более -135 дБ/Гц при отстройке 50 кГц от несущей;
6) нестабильность частоты выходного сигнала равна нестабильности частоты опорного генератора.
В качестве ФСОЧ 11 используют опорный генератор с одним значением выходной частоты. С его помощью формируют сигнал с частотой 4000 МГц с низким уровнем фазового шума.
С помощью УФСГ 12 формируют из сигнала опорного генератора 11 сигнал гетеродина для смесителя 21, который может иметь семь значений частоты в зависимости от коэффициента деления D1 ДПКД 15. Коэффициент деления D1 может принимать целочисленные значения от 11 до 17. Значения возможных частот выходного сигнала смесителя 17, МГц: 4363,64; 4333,33; 4307,69; 4285,71; 4266,67; 4250; 4235,29. Для подавления всех нежелательных спектральных составляющих ФНЧ 16 должен иметь частоту среза не менее 364 МГц и частоту начала полосы заграждения 470 МГц, полосовой фильтр ПФ 18 должен иметь полосу пропускания от 4285 МГц до 4364 МГц и подавлять сигналы с частотой ниже 4000 МГц и выше 4470 МГц. Принципиально ФНЧ 16 в схеме может отсутствовать. Однако в этом случае на выходе смесителя 17 будет повышенный уровень комбинационных составляющих от сигнала, поступающего на вход ПЧ, что усложняет реализацию ПФ 18. На выходе ПФ 18 все нежелательные составляющие должны быть подавлены до уровня -70 дБ. Данное значение величины подавления должно быть, не больше уровня паразитных составляющих на выходе ЦСПС 19, попадающих в полосу пропускания ПФ 20. Значение -70 дБ соответствует типичному уровню паразитных составляющих вблизи несущей частоты сигнала для микросхем ЦСПС. Возникновение этих паразитных составляющих связано с ограничением разрядности быстродействующего цифроаналогового преобразователя (ЦАП), входящего в ЦСПС. Значения частоты опорного сигнала ЦСПС 19 и полосу выходных частот, формируемых ЦСПС 19, выбирают так, чтобы в полосу пропускания ПФ 20 не попадали комбинационные составляющие ниже пятого порядка.
ЦСПС 19 формирует выходной сигнал в полосе частот от 357 МГц до 388 МГц. Так как значения выходной частоты составляют 0,357-0,388 от частоты дискретизации ЦАП в ЦСПС 19, то комбинационные составляющие образуются как выше, так и ниже полосы полезных частот. Поэтому на выходе ЦСПС 19 в данной схеме используют полосовой фильтр вместо фильтра нижних частот. Для подавления комбинационных составляющих ниже пятого порядка необходимо, чтобы ПФ 20 имел полосу пропускания, соответствующую полосе частот выходного сигнал и подавлял частоты ниже 285 МГц и выше 429 МГц.
С выхода ПФ 20 сигнал поступает на вход ПЧ смесителя 21, на вход гетеродина которого поступает сигнал с выхода УФСГ 12, имеющий семь различных значений частоты. В спектре выходного сигнала смесителя 21 с помощью ПФ 22 выделяют суммарную частоту. В результате формируется сигнал, частота которого перестраивается в диапазоне от 4602 МГц до 4752 МГц. Для подавления возникающих в смесителе 21 паразитных составляющих ПФ 22 должен подавлять частоты менее 4364 МГц и более 4970 МГц до уровня -70 дБ.
ПФ 18 и ПФ 22 с указанными выше параметрами могут быть выполнены по стандартной микрополосковой технологии. При этом может потребоваться каскадное включение двух ПФ. В качестве более низкочастотного ПФ 20 целесообразно использовать фильтр на сосредоточенных параметрах. Так как комбинационные составляющие на выходе ЦСПС 19 обычно имеют уровень менее -45 дБ по отношению к полезному сигналу, то требования по подавлению к ПФ 20 значительно ниже - достаточно обеспечить затухание в полосе заграждения около -30 дБ.
Сигнал с выхода ПФ 22 поступает на ВЧ вход ДПКД 23, минимальное значение коэффициента деления которого выбирают так, чтобы обеспечить непрерывность перестройки выходной частоты при изменении коэффициента деления и при перестройке частоты на его входе в пределах от 4692 МГц до 4752 МГц. Изменение коэффициента деления D2 от 31 до 38 обеспечивает непрерывную перестройку частоты сигнала на выходе от 121,21 МГц до 153,27 МГц. ФНЧ 24 с частотой среза 154 МГц и частотой заграждения 242 МГц обеспечивает подавление гармонических составляющих в выходном сигнале ДПКД 23. При делении частоты происходит уменьшение уровня паразитных составляющих не менее чем на 20lg(D2) в децибелах. При D2 равным 31 подавление минимально и составляет 29,8 дБ. Таким образом, если обеспечить относительный уровень паразитных составляющих на выходе ПФ 22 не более -70 дБ, то уровень паразитных составляющих будет не более -100 дБ. С помощью смесителя 25, на вход гетеродина которого поступает сигнал опорной частоты 4000 МГц, обеспечивается перенос полосы частот сигнала на выходе ДПКД 23 в диапазон требуемых входных частот БРДП 2.1.
Требуемые значения граничных частот полосы перестройки на входе БРДП 2.1 определяют следующим образом. Сначала находят значение верхней граничной частоты в соответствии с формулой:
,
вых,max
min
где f - значение частоты выходного сигнала синтезатора, Di - наименьшее значение коэффициента деления ДПКД 4.1-4.4, i=3, 4, 5, 6.
min
вх 2-1,max
вх 2-1, max
вх 2-1, min
вх 2-1, max
Затем, используя формулу (*) и подставляя в нее D1, определяют  и по известному значению f определяют f. С учетом значений коэффициента деления, используемых в схеме на Фиг.6: f=3846,8 МГц, f=3878,8 МГц, поэтому в смесителе 25 в качестве полезного сигнала используют разностную составляющую.
При реализации БРДП 2.1 используют значения коэффициентов деления ДПКД 7.1 от 10 до 16. Диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП 2.1 приведена на Фиг.7. Требования к ФНЧ 5.1 следующие: граничная частота полосы пропускания -388 МГц, граничная частота полосы подавления - 482 МГц. ФНЧ 5.1 может быть реализован на сосредоточенных элементах. ПФ 7.1 должен пропускать сигнал в полосе от 4096 МГц до 4266,7 МГц, подавлять частоты ниже 3847 МГц и выше 4337 МГц и обеспечивать подавление паразитных составляющих до уровня -100 дБ относительно уровня полезного сигнала. Для реализации этого требования необходимо использовать каскадное соединение двух одинаковых фильтров. ПФ7.1 может быть выполнен по стандартной микрополосковой технологии.
Для БРДП 2.2 из-за широких пределов изменения коэффициента деления ДПКД 4.2 добиться подавления всех паразитных составляющих с помощью одного ПФ 7.2, подключенного к выходу смесителя 6.2, не представляется возможным, поэтому в схеме используют переключаемые фильтры ПФ 7.2.1 и ПФ 7.2.2 и ФНЧ 5.2.1 и ФНЧ 5.2.2. Аналогичное схемотехническое решение применяют в БРДП 2.3 и БРДП 2.4. С целью обеспечения подавления паразитных составляющих до уровня от -90 до -100 дБ целесообразно также использовать каскадное соединение фильтров.
В БРДП 2.2 используют для ДПКД 4.2 коэффициенты деления от 4 до 7. Диаграмма перестройки выходной частоты БРДП 2.2 представлена на Фиг.8. ФНЧ 5.2.1 должен пропускать сигналы с частотой ниже 711,1 МГц и подавлять выше 1185,2 МГц. ФНЧ 5.2.2 должен пропускать сигналы с частотой ниже 1066,6 МГц и подавлять выше 1659,2 МГц. ПФ 7.2.1 должен подавлять сигналы с частотой менее 4266,7 МГц и более 5333,3 МГц. ПФ 7.2.2 должен подавлять сигналы с частотой менее 4266,7 МГц и более 5807,3 МГц. ПФ 7.2.1, ПФ 7.2.2 и ФНЧ 5.3.1, ФНЧ 5.3.2 переключают одновременно при изменении коэффициента деления ДПКД 4.2 с 6 до 5.
В БРДП 2.3 используют для ДПКД 4.3 значения коэффициентов деления, равные 2, 3 и 4. Диаграмма перестройки выходной частоты БРДП 2.3 представлена на Фиг.9. ФНЧ 5.3.1 должен пропускать сигналы с частотой ниже 1700 МГц и подавлять выше 2400 МГц. ФНЧ 5.3.2 должен пропускать сигналы с частотой ниже 2666,7 МГц и подавлять выше 3400 МГц. ПФ 7.3.1 должен подавлять сигналы с частотой менее 5333,3 МГц и более 6800 МГц. ПФ 7.3.2 должен подавлять сигналы с частотой менее 5333,3 МГц и более 8475,5 МГц. ПФ 7.3.1, ПФ 7.3.2 и ФНЧ 5.3.1, ФНЧ 5.3.2 при перестройке частоты переключают одновременно. При коэффициенте деления ДПКД 4.3, равным 4, для всех значений входной частоты блока используют ПФ 7.3.1 и ФНЧ 5.3.2. Данные фильтры используют также при коэффициенте деления 3 и входной частоте менее 5100 МГц. В остальных случаях используют ПФ 7.3.2 и ФНЧ 5.3.1. На выходе БРДП 2.3 обеспечивается перестройка частоты в полосе от 6 до 8 ГГц.
В БРДП 2.4 для ДПКД 4.4 используют значения коэффициентов деления 2 и 4. Диаграмма перестройки выходной частоты БРДП 2.4 представлена на Фиг.10. ФНЧ 5.4.1 должен пропускать сигналы с частотой менее 4000 МГц и подавлять более 6200 МГц. ФНЧ 5.4.2 должен пропускать сигналы с частотой менее 1860 МГц и подавлять более 3200 МГц. ПФ 7.4.1 должен подавлять сигналы с частотой менее 7440 МГц и более 9600 МГц. ПФ 7.4.2 должен подавлять сигналы с частотой менее 8000 МГц и более 12400 МГц. ФНЧ 5.4.1, ФНЧ 5.4.2 и ПФ 7.4.1, ПФ 7.4.2 переключают одновременно с изменением коэффициента деления ДПКД 4.4 с 4 до 2. При этом обеспечивается формирование выходных частот в диапазоне от 8 до 12 ГГц.
Перестройка в полосе от 6 до 8 ГГц обеспечивается за счет использования выходного сигнала БРДП 2.3 за счет переключения коммутаторов 8 и 9 в положение, соответствующее транзитному прохождению сигнала.
На выходе БРДП 2.4 обеспечивается перестройка частоты в пределах от 6 до 12 ГГц. Расширение диапазона перестройки частоты в низкочастотную область без снижения требований к параметрам синтезатора частот может быть получено за счет введения ДПКД 10, подключенного к выходу второго коммутатора 9. Для диапазона от 6 до 12 ГГц сигнал через коммутаторы 29 и 30 идет в обход ДПКД 10. Для получения перестройки в диапазоне от 3 до 6 ГГц, сигнал подают на ВЧ вход ДПКД 10, коэффициент которого устанавливают равным 2. Используя ДПКД 10 с коэффициентами 2, 4, 8, можно получить минимальное значение частоты на выходе синтезатора 750 МГц при максимальном значении частоты выходного сигнала 12 ГГц.
нес
нес
Для достижения заявленного уровня спектральной плотности мощности фазового шума необходим малошумящий опорный генератор. При сопоставлении абсолютных величин фазового шума опорного генератора 11 и ДПКД 23 шум опорного генератора 11 будет выше шума ДПКД 23 для отстройки от несущей менее 10 кГц. При отстройках более 10 кГц фазовый шум ДПКД 23 будет больше фазового шума опорного генератора 11. Поэтому шум на выходе источника сигнала 1 при отстройках от несущей менее 10 кГц будет соответствовать уровню фазового шума опорного генератора, а при отстройках более 100 кГц он будет порядка -153 дБ/Гц. Преобразование частоты сигнала, производимое в БРДП 2,1-2.4, эквивалентно умножению частоты на дробное число, равное , максимальное значение которого 3,09 для схемы на Фиг.6. При увеличении частоты в 3,09 раза уровень фазового шума увеличится на 20lg(3,09)=9,8 дБ. Однако, это справедливо для уровня шума вблизи несущей при отстройках менее 10 кГц. При отстройках более 100 кГц шум дополнительно увеличится ориентировочно на 6-7 дБ из-за добавки собственных шумов ДПКД 4.1-4.4 и 10. В результате уровень спектральной плотности фазовых шумов при отстройке от несущей более 100 кГц для синтезатора в соответствии с Фиг.6 составит около -135 дБ/Гц.
нес
нес
нес
нес
нес
нес
нес
При использовании в качестве опорного генератора 11 высокочастотного кварцевого генератора с частотой 100 МГц и умножением частоты в 40 раз можно получить уровень фазового шума для выходного сигнала при отстройках более 100 кГц около -135 дБ/Гц, что намного больше уровня шума, вносимого ДПКД. С учетом увеличения в 3,09 раз фазовый шум на выходе синтезатора будет составлять -135+ 9,8≈-125 дБ/Гц. Для обеспечения фазового шума не более -135 дБ/Гц необходимо использовать опорный генератор 11, построенный по более сложной схеме, в которой используют синхронизацию высокочастотного генератора, стабилизированного высокодобротным ПАВ-резонатором или диэлектрическим резонатором, по сигналу высокочастотного кварцевого генератора с частотой 100 МГц при помощи узкополосной петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Полосу петли ФАПЧ выбирают приблизительно равной частоте отстройки от несущей, на которой спектральная плотность фазовых шумов кварцевого генератора с учетом коэффициента умножения в 40 раз равна спектральной плотности фазового шума синхронизируемого высокочастотного генератора. Например, малошумящий генератор, стабилизированный высокодобротным ПАВ-резонатором, с выходной частотой 500 МГц имеет следующие значения спектральной плотности мощности спектральных флуктуации: при отстройке от несущей на 100 Гц порядка -105 дБ/Гц, при отстройке от несущей на 1 кГц порядка -135 дБ/Гц, при отстройке от несущей более 50 кГц менее -170 дБ/Гц. При умножении его частоты в 8 раз для отстроек более 50 кГц уровень спектральной плотности мощности частотных флуктуации будет менее -152 дБ/Гц, что совпадает с уровнем фазового шума цифровых делителей частоты. Оптимальная полоса пропускания петли ФАПЧ будет составлять приблизительно 1,5 кГц.
Для обеспечения заявленной скорости переключения выходной частоты необходимо использовать быстродействующий ФКУ 3. В случае, когда широкополосный синтезатор используется в качестве задающего генератора в системах связи или в радиолокационных станциях, обычно требуется относительно небольшое (от 10 до 10000) количество рабочих частот. При этом все значения коэффициентов деления ДПКД 4.1-4.4, 10, 15 и 23 и кодов управления ЦСПС 19 могут быть вычислены заранее и храниться в памяти ФКУ 3. При таком построении достаточно легко обеспечить скорость обновления значений частот, близкую к скорости переключения частоты (200 нс). При использовании заявляемого синтезатора в качестве генератора сигналов требуемые значения в общем случае необходимо вычислять для каждого значения частоты и обеспечить скорость обновления частоты порядка 200 нс весьма сложно из-за конечного быстродействия вычислительных устройств. Для упрощения вычислительных алгоритмов целесообразно заранее рассчитать граничные частоты полосы перестройки выходной частоты синтезатора для всех используемых сочетаний коэффициентов деления ДПКД 4.1-4.4, 10, 15 и 23 и записать их в память ФКУ 3. При этом для каждого конкретного значения частоты, заданного с точностью 0,025 Гц, значения всех коэффициентов деления ДПКД 4.1-4.4, 10, 15 и 23 определяются методом сравнения с вычисленными граничными частотами без выполнения вычислений, и вычисляется только значение кода частоты ЦСПС 19.