Синтезатор частот

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот. Достигаемый технический результат - снижение уровня шумов в выходном сигнале. Устройство содержит источник сигнала эталонной частоты, частотно-фазовый детектор, блок управления, делитель с переменным коэффициентом деления, два фильтра нижних частот, генератор, управляемый напряжением, усилитель постоянного тока, делитель напряжения, схему сопряжения, двухрежимный автогенератор. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах, предназначено для формирования радиосигналов, модуляции и преобразования частот.

Для приема и передачи сигналов используются генераторы синусоидальных колебаний, основные требования к которым состоят в стабильности частоты и в чистоте спектра выходного сигнала, в подавлении в его составе паразитных колебаний различного типа.

Синтезаторы частот, основанные на фазовой автоподстройке частоты (ФАПЧ), широко известны в технической литературе [1], [2], [3], [4] и др. Синтезаторы позволяют получить синусоидальные колебания с заданным шагом по частоте, при этом стабильность частоты определяется прецизионным кварцевым генератором. Однако синтезаторы частот, основанные на фазовой автоподстройке частоты, имеют в составе выходного напряжения значительную величину побочных составляющих и шумов различного типа.

Функциональные схемы синтезаторов двух типов приведены на рис.5.15 стр.142 в книге [1].

В первом синтезаторе на первый вход частотно-фазового детектора (ЧФД) подключается опорный генератор (более точно после делителя на 4), а на второй вход ЧФД - выходное напряжение с генератора управляемого напряжением (ГУН). Выход ЧФД через фильтр нижних частот (ФНЧ) управляет частотой ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте опорного генератора, умноженной на коэффициент деления делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Второй синтезатор отличается только тем, что опорное колебание в нем формируется из гармонических колебаний опорного генератора, которое подается на первый вход ЧФД, а на второй вход ЧФД подается гармоническое напряжение с ГУН. Выход ЧФД через ФНЧ управляет частотой ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте гармонического колебания, сформированного из колебаний опорного генератора. Оба указанных синтезатора частот представляют собой астатическую систему авторегулирования. Известно, что в кольце такой системы присутствует интегратор. Реализуется интегратор, как ФНЧ с коэффициентом передачи (1+f/f_cp), где f_cp - частота среза ФНЧ. ФНЧ выделяет постоянную составляющую ошибки и фильтрует (подавляет) выходное напряжение с частотами опорного генератора, с частотой ГУН, прошедшей деление в ДПКД, а также различные паразитные наводки и шумы. Принципиально нельзя повысить фильтрацию, применяя ФНЧ более высокого порядка, например с коэффициентом передачи (1+f/f_cp)². По этой причине фильтрация помех и различных наводок, возникающих ДПКД и ЧФД, происходит по закону (1+f/f_cp) и, следовательно, ограничена.

В книге [4] их уровень определен в районе 100 дБ в полосе частот 10 Гц или 75 дБ в полосе частот 3 кГц. Там же, на стр.87 приведены зависимости "шумов", вызванных цепью фазовой автоподстройки, рис.2.37, из которого видно, что при отстройке на 10 кГц от синтезированной частоты ослабление "шумов" составляет (90-110) дБ в полосе 1 Гц, а в полосе 3 кГц (55-75) дБ. В [3] только уровень подавления помех дробности оценен в (80-120) дБ. Аналогичные цифры приводятся во многих других источниках.

Такое подавление помех и наводок в выходном напряжении синтезатора для современных условий загрузки радиочастотного диапазона является недостаточным.

В литературе [4] показано, что шумы автогенераторов (ГУН частный случай автогенератора) значительно меньше. Согласно данным стр.85 они составляют (155÷161) дБ. В литературе [6] и [7] проанализирована природа шумов автогенераторов и их зависимость от различных факторов, ослабление шума в составе выходного напряжения автогенератора. Как видно из этих данных, полученное подавление "шумов" в автогенераторах на (20-30) дБ больше, чем в синтезаторах. Однако автогенераторы не имеют требуемой стабильности выходной частоты, сравнимой со стабильностью синтезаторов. Исключение составляют кварцевые автогенераторы, но они практически не перестраиваются по частоте. Таким образом, автогенераторы не являются альтернативой синтезаторам частот.

Следовательно, известные синтезаторы частот работают неэффективно в части подавления "шумов" в выходном напряжении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству можно считать синтезатор частот с цифровой петлей ФАПЧ, приведенный на рис.1.15 стр.33 в [2], принятый за прототип, с небольшими уточнениями: источник сигнала эталонной частоты обозначен как блок, а не стрелочка, уточнено название фазовый детектор на частотно-фазовый детектор, а схема управления - на блок управления.

Функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

1 - источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ);

2 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);

3 - блок управления (БУ);

4 - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

5 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ) 1, частотно-фазовый детектор (ЧФД) 2 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, выход которого соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением (ГУН) 6, второй выход которого является выходом устройства, а первый выход ГУН 6 через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 4 соединен со вторым входом ЧФД 2, управляющий вход ДПКД 4 соединен с выходом блока управления (БУ) 3, вход которого является управляющим входом устройства.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Выходное напряжение ИСЭЧ 1 подается на первый вход ЧФД 2, на второй вход которого через ДПКД 4 подается выходное напряжение ГУН 6. Будем понимать под ДПКД не только цифровой блок деления частоты, а любой блок, обеспечивающий приведение, преобразование частоты ГУН к частоте сравнения, к эталонной частоте. Сигнал ошибки с выхода ЧФД 2 через ФНЧ 5 подается на управляющий вход ГУН 6, частота которого меняется до тех пор, пока поделенная в заданное число раз в ДПКД 4 она не будет равной частоте ИСЭЧ 1. В этом случае выходное напряжение на выходе ЧФД 2 перестанет меняться, а выходная частота ГУН 6 будет оставаться равной частоте ИСЭЧ 1, умноженной на коэффициент деления ДПКД 4. Причем с выхода БУ 3 на управляющий вход ДПКД 4 подается сигнал, устанавливающий необходимый коэффициент деления, т.е. выходную частоту устройства. Следовательно, на выходе устройства (к которому подключается внешняя нагрузка) будет поддерживаться колебание с заданной частотой. Таким образом, работает кольцо ФАП.

Учитывая вышесказанное, недостатком устройства-прототипа является слабая фильтрация "шума" в составе выходного напряжения.

Для устранения указанного недостатка в синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты, частотно-фазовый детектор и первый фильтр нижних частот, последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением и делитель с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, блок управления, вход которого является управляющим входом устройства, а выход блока управления соединен с управляющим входом делителя с переменным коэффициентом деления, причем выход первого фильтра нижних частот соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением, согласно изобретению введены делитель напряжения, двухрежимный автогенератор, последовательно соединенные усилитель постоянного тока, схема сопряжения и второй фильтр нижних частот, при этом второй выход генератора, управляемого напряжением, через делитель напряжения соединен с высокочастотным входом двухрежимного автогенератора, выход второго фильтра нижних частот соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход первого фильтра нижних частот соединен со входом усилителя постоянного тока.

Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения:

1 - источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ);

2 - частотно-фазовый детектор (ЧФД);

3 - блок управления (БУ);

4 - делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

5 и 10 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);

6 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);

7 - усилитель постоянного тока (УПТ);

8 - делитель напряжения (ДН);

9 - схема сопряжения (ССп);

11 - двухрежимный автогенератор (ДА).

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты (ИСЭЧ) 1, частотно-фазовый детектор (ЧФД) 2, первый фильтр нижних частот (ФНЧ) 5, усилитель постоянного тока (УПТ) 7, схему сопряжения (ССп) 9 и второй ФНЧ 10, выход которого соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора (ДА) 11; последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением (ГУН) 6 и делитель напряжения 8, выход которого соединен с высокочастотным (ВЧ) входом ДА 11, выход которого является выходом устройства. Кроме того, выход первого ФНЧ 5 соединен с управляющим входом ГУН 6, первый выход которого через делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 4 соединен со вторым входом ЧФД 2. Управляющим входом устройства является вход блока управления (БУ) 3, выход которого соединен с управляющим входом ДПКД 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Как и выше, будем понимать под ДПКД не только цифровой блок деления частоты, а любой блок, обеспечивающий приведение, преобразование частоты ГУН к частоте сравнения, к эталонной частоте.

Управляющая команда на включение поступает на вход БУ 3, выходной сигнал которого является командой на установление задаваемого (например, равного N) коэффициента деления ДПКД 4. Сигнал с первого выхода ГУН 6 через ДПКД 4 подается на второй вход ЧФД 2, на первый вход которого подается сигнал от ИСЭЧ 1.

При этом выходное напряжение ЧФД 2 через первый ФНЧ 5 подается на управляющий вход ГУН 6. Отметим, что блоки: первый ФНЧ 5, ГУН 6, ДПКД 4, ЧФД 2 с ИСЭЧ 1 образуют кольцо ФАПЧ (ФАП), см., например, рис.1.15 на стр.3 [2]. И через определенный отрезок времени Т_з, равный времени срабатывания кольца ФАПЧ, на выходах ГУН 6 обеспечивается получение частоты, точно равной эталонной частоте, умноженной на N - коэффициент деления ДПКД 4. Таким образом, работает кольцо ФАПЧ, в которое входит ГУН 6.

В то же время выходное напряжение с первого ФНЧ 5 через цепочку, состоящую из последовательно соединенных УПТ 7, ССп 9 и второго ФНЧ 10, подается на управляющий вход ДА 11. Причем коэффициенты передачи блоков 7, 9 и 10 выбраны таким образом, что частота автоколебаний (собственных колебаний) ДА 11 близка к частоте колебаний ГУН 6. Под воздействием этого управляющего напряжения частота автоколебаний ДА 11 устанавливается близкой к частоте колебаний ГУН 6, со второго выхода которого через ДН 8 ВЧ гармонический сигнал подается на ВЧ вход ДА 11.

Под воздействием этого ВЧ напряжения (внешнего) ДА 11 переходит в режим захвата, при котором частота колебаний ДА 11 становится равной частоте колебаний ГУН 6.

Такое построение позволяет иметь на выходе устройства (к которому подключается нагрузка) напряжение с частотой, равной синтезированной в ГУН 6, который охвачен кольцом ФАПЧ, а шумы - соответствующие шумам ДА 11, который работает в режиме автоколебаний.

Описание двухрежимных автогенераторов дано в источниках [5], [6], [7] и [8]. В частности, в [6] подробно рассмотрены принцип захвата и полоса захвата, а также приведены функциональная (рис.1) и принципиальная (рис.2) схемы двухрежимного автогенератора.

Для понимания работы предлагаемого устройства рассмотрим подробнее свойства двухрежимного автогенератора в режиме захвата частоты. В учебнике [8] на стр.355 приводится соотношение (9.66), связывающее полосу захвата автогенератора с отстройкой внешнего возбуждения, добротностью контура и отношением величины амплитуды автоколебаний к амплитуде внешнего воздействия:

где ω_с - частота внешнего напряжения захвата;

ω₀ - частота автоколебаний генератора;

Е - напряжение автоколебаний;

E_ос - напряжение внешнего возбуждения;

Q - добротность контура автогенератора.

Для наших целей эта формула может быть преобразована к более удобному виду:

где Ω - обобщенная расстройка

ω₀/2Q - полоса пропускания контура автогенератора.

Величина Ω показывает, во сколько раз отстройка по частоте меньше, чем полоса пропускания контура автогенератора.

Из (1) следует, что напряжение внешнего возбуждения Е_ос, необходимое для захвата частоты автогенератора, может быть меньше, чем напряжение автоколебаний Е во столько раз, во сколько раз отстройка по частоте |ω_с-ω₀| меньше полосы пропускания контура автогенератора. Так как отстройка генераторов ГУН 6 и ДА 11 мала, то для обеспечения режима захвата нужно напряжение Еос значительно меньше, чем Е. Для уменьшения амплитуды ВЧ напряжения используется ДН 8.

В [5] и [6] более точные выражения для общего случая без большого количества приближений, вводимых автором [8], получены другим способом и проверены экспериментально. В частности, показано, что внутри полосы захвата в режиме захвата постоянная времени воздействия Е_ос равна постоянной времени колебательного контура автогенератора, умноженной на отношение:

Таким образом, полоса контура автогенератора (ДА 11) для напряжения возбуждения Е уменьшается в раз.

Из этого следует, что "шум" в составе напряжения внешнего возбуждения будет фильтроваться контуром с полосой Q/ Ω. Например, при Q=60 и Q=1%, полоса Q/ Ω=6000. Подавление "шума" от внешнего возбуждения на 10 дБ произойдет при отстройке больше чем на 1/30 полосы пропускания контура автогенератора, возбуждения на 20 дБ произойдет при отстройке больше чем на 1/15 полосы пропускания контура автогенератора. При выходной частоте автогенератора 30 МГц это составит 8,3 кГц и 16,7 кГц соответственно.

Следовательно, при захвате ДА 11 внешним ВЧ сигналом от ГУН 6 (со значительно большей величиной "шума") частота на его выходе будет равна частоте ГУН 6, а "шумы" ДА 11 будут определяться собственными "шумами" ДА 11, которые значительно ниже, чем у ГУН 6, охваченного кольцом ФАПЧ, за исключением чрезвычайно узкой области частот, в которой шумы будут равны шумам ГУН 6.

При этом на выходе устройства вырабатывается напряжение, частота которого определяется стабильной частотой источника эталонной частоты, а "шум" определяется автогенератором, что обеспечивает значительное снижение "шума" в составе выходного напряжения.

В качестве усилителя постоянного тока можно использовать операционный усилитель.

Схемы делителей напряжения на трансформаторах или на резистивных делителях - известное техническое решение. Схема сопряжения может быть реализована, например, на операционном усилителе.

Реализация остальных блоков не вызывает затруднений, так как они широко известны в научно-технической литературе.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет генерировать стабильное напряжение в диапазоне частот с заданным шагом по частоте с низким уровнем шумов.

Источники информации

1. Бобков A.M. «Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке». - Санкт-Петербург 2001 г., стр.142.

2. Манассевич В. «Синтезаторы частот. Теория и проектирование». Перевод с английского В.А.Повзнера, под ред. А.С.Галина. - М., «Связь», 1979 г.

3. Романов С.К., Марков И.А. Определение помех дробности в синтезаторах частот с системами ФАПЧ, использующих дельта-сигма модуляторы в дробных делителях частоты. // «Теория и техника радиосвязи» Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», г.Воронеж, 2006 г., №1, стр.97-102.

4. «Системы фазовой синхронизации» // Акимов В.Н., Белюстина Л.Н., Белых В.Н. и др. Под ред. В.В. Шахгильдяна, Л.Н. Белюстиной - М.: «Радио и связь», 1982 г.

5. Бокк О.Ф. «Действие внешнего колебания на автогенератор на дифференциальном каскаде», стр.102-108 // «Теория и техника радиосвязи», Научно-технический сборник, ВНИИС, Воронеж, 2002 г., №2.

6. Бокк О.Ф. «Теория воздействия на автогенератор шума и внешних колебаний». // «Теория и техника радиосвязи», Научно-технический сборник, ОАО «Концерн «Созвездие», Воронеж, 2006 г., №1, стр.106-112.

7. Бокк О.Ф., Слипко С.В. «Шумы автогенератора на дифференциальном каскаде.» // «Теория и техника радиосвязи», Научно-технический сборник, 2003 г., №2.

8. Гоноровский И.С.«Радиотехнические цепи и сигналы». - М.: «Советское радио», 1977 г.

Синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные источник сигнала эталонной частоты, частотно-фазовый детектор и первый фильтр нижних частот, последовательно соединенные генератор, управляемый напряжением и делитель с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом частотно-фазового детектора, блок управления, вход которого является управляющим входом устройства, а выход блока управления соединен с управляющим входом делителя с переменным коэффициентом деления, причем выход первого фильтра нижних частот соединен с управляющим входом генератора, управляемого напряжением, отличающийся тем, что введены делитель напряжения, двухрежимный автогенератор, последовательно соединенные усилитель постоянного тока, схема сопряжения и второй фильтр нижних частот, при этом второй выход генератора, управляемого напряжением, через делитель напряжения соединен с высокочастотным входом двухрежимного автогенератора, выход второго фильтра нижних частот соединен с управляющим входом двухрежимного автогенератора, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход первого фильтра нижних частот соединен со входом усилителя постоянного тока.