Способ формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при организации систем связи с увеличенным количеством каналов, а также в измерительной технике, где требуется перестройка частоты с малым шагом.

В основу изобретения поставлена задача получения микроволновых колебаний с малым шагом сетки частот, низким уровнем фазовых шумов и малым временем перестройки частоты. Для этого частоту опорного генератора, задающую частоту сравнения в фазовом детекторе синтезатора косвенного типа, выбирают в полосе ультракоротких волн. При этом частоту высокостабильного опорного генератора предварительно сдвигают на некоторую небольшую величину, задающую малый шаг сетки частот. Для чего сигнал опорного генератора подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора, модулируемого низкочастотными квадратурными сигналами одинаковой частоты и амплитуды, но со сдвигом фаз 90°. Тогда частота сравнения отлична от частоты опорного генератора на значение частоты этих низкочастотных сигналов. Трансформированный по частоте сигнал с выхода квадратурного модулятора подают на первый вход частотно-фазового детектора. Частоту микроволнового генератора управляемого напряжением делят делителем с переменным коэффициентом, и подают на второй вход частотно-фазового детектора. С помощью фильтра нижних частот подавляют продукты сравнения переменного тока, а сигнал постоянного тока подают на вход микроволнового генератора управляемого напряжением.

Такой способ позволяет формировать микроволновые колебания с шагом в единицы килогерц, при этом не повышая времени перестройки синтезатора, не повышая уровня фазовых шумов и сохраняя стабильность частоты синтезатора, определяемую стабильностью частоты опорного генератора, которая, например, достигает 10^-7-10^-8.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при организации систем связи с увеличенным количеством каналов, а также в измерительной технике, где требуется перестройка частоты с малым шагом.

Известны способы формирования высокочастотных сигналов, описанные, например, в кн. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование, Перевод с англ. - М.: Связь, 1979. - 384 с. Особо известен метод некогерентного синтеза частот, согласно которому для синтеза частот требуется большого количества кварцевых резонаторов. Для изменения частоты генератора необходимо подключить к нему другой резонатор. Это означает, что шаг перестройки генератора при этом определяется номинальными значениями частот кварцевых резонаторов и их количеством. При таком подходе к синтезу частот сам синтезатор оказывается слишком громоздким и дорогим. Определенные проблемы при этом возникают при переключении резонаторов. Наличие дополнительных умножителей частоты усложняет схему и не лучшим образом сказывается на качественных показателях синтезируемого микроволнового сигнала.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ формирования микроволновых гармонических сигналов на основе метода косвенного синтеза частот с петлей цифровой фазовой автоподстройкой частоты, описанного там же. По этому способу петля состоит и генератора управляемого напряжением, делителя частоты с переменным коэффициентом, фазового детектора и фильтра нижних частот. Частота генератора управляемого напряжением f_mw делится и сравнивается в фазовом детекторе со стабильной опорной частотой f_ro. Напряжение ошибки, вырабатываемое фазовым детектором и отфильтрованное фильтром нижних частот, используется для стабилизации частоты генератора управляемого напряжением. Изменение выходной частоты производится изменением коэффициента деления N. Тогда выходная частота микроволнового генератора определяется следующей известной формулой: f_mw=Nf_ro.

Однако такой способ формирования микроволновых сигналов обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что шаг сетки выходных частот микроволнового генератора определяется частотой сравнения (частотой опорного генератора) в фазовом детекторе. В свою очередь уменьшение частоты опорного генератора приводит к увеличению фазовых шумов микроволнового сигнала в N раз, а также приводит к увеличению времени перестройки синтезатора в целом, поскольку для подавления продуктов сравнения требуется фильтр нижних частот с большей постоянной времени. Оба это фактора ограничивают применение синтезатора косвенного типа при формировании частоты микроволнового сигнала с малым шагом. Вместе с тем создание подобных синтезаторов является достаточно актуальной задачей и может найти применение во многих областях.

В основу изобретения поставлена задача получения микроволновых колебаний с малым шагом сетки частот, низким уровнем фазовых шумов и малым временем перестройки частоты. Поставленная цель достигается тем, что по способу, предполагающему использование метода косвенного синтеза частот с петлей цифровой фазовой автоподстройкой частоты и включающему генерирование опорных колебаний высокой частоты с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью частоты, генерирование микроволновых колебаний, деление частоты микроволновых колебаний, сравнение поделенной частоты и фазы микроволновых колебаний с частотой и фазой опорных колебаний, подавление продуктов сравнения частот с выделением постоянной составляющей сигнала и управление этим сигналом частотой микроволнового генератора, отличающегося тем, что частоту высокочастотного опорного генератора f_ro с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью не сравнивают непосредственно с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, а предварительно ее трансформируют, производят сдвиг частоты опорного генератора на некоторую небольшую величину F_IQ в одну ли другую сторону или, что тоже самое, формируют сигнал с одной боковой полосой, верхней или нижней, для чего дополнительно формируют два низкочастотных квадратурных сигнала с одинаковой амплитудой и частотой F_IQ и разностью фаз между ними равной 90°, при этом сигнал опорного генератора подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора и одновременно на схему формирования квадратурных гармонических сигналов заданной низкой частотой F_IQ, причем сформированные низкочастотные квадратурные сигналы с частой F_IQ подают на одноименные низкочастотные входы квадратурного модулятора, и только после этого частоту сигнала на выходе квадратурного модулятора сравнивают с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, в результате чего на выходе микроволнового генератора получают частоту, равную

при этом задают сколь угодно малый шаг сетки частот низкочастотных квадратурных сигналов ΔF_IQ и получают при этом увеличенный в N раз, но малый шаг сетки частот микроволнового генератора NΔF_IQ, при этом не получают увеличение времени перестройки частоты микроволнового генератора малого шага, поскольку по-прежнему подавляют продукты сравнения высокочастотных сигналов, при этом, учитывая относительную малость значения N, не получают существенного увеличения уровня фазовых шумов микроволнового генератора, при этом, дополнительно, изменяют величину N и получают тем самым крупный шаг изменения сетки частот микроволнового генератора.

Сравнение предлагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в получении микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот без существенного повышения уровня фазовых шумов и увеличения времени перестройки микроволнового генератора, поскольку постоянная времени фильтра нижних частот, подавляющего продукты сравнения, остается малой. Перестройка частоты микроволнового генератора малым шагом не требует изменения коэффициента деления частоты N. Для осуществления перестройки микроволнового генератора с малым шагом необходимо изменить частоту квадратурных низкочастотных сигналов, что в данный момент легко реализуется с помощью высокопроизводительных микроконтроллеров.

Указанный способ формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот можно реализовать с помощью устройства, схема которого показана на рисунке.

Устройство для формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот содержит высокостабильный опорный генератор 1, схему формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2, квадратурный модулятор 3, частотно-фазовый детектор 4, фильтр нижних частот 5, делитель частоты с переменным коэффициентом деления 6, микроволнового генератора управляемый напряжением 7. При этом выход высокостабильного опорного генератора 1 соединен с тактовым входом схемы формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2 и одновременно с радиочастотным входом квадратурного модулятора 3, при этом выходы квадратурных низкочастотных сигналов схемы формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2 соединены с одноименными входами квадратурного модулятора 3, выход которого соединен с первым входом частотно-фазового детектора 4, при этом второй вход частотно-фазового детектора 4 соединен с выходом делителя частоты с переменным коэффициентом деления 6, вход которого соединен с выходом микроволнового генератора управляемого напряжением 7, при этом выход частотно-фазового детектора 4 соединен с входом фильтр нижних частот 5, выход которого соединен с входом управления микроволнового генератора управляемого напряжением 7.

Работает устройство следующим образом.

Опорный высокостабильный генератор 1 формирует высокочастотный высокостабильный сигнал с малым уровнем фазовых шумов.

Сигнал с выхода опорного высокостабильного генератора 1, подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора 3 и на тактовый вход схемы формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2.

Схема формирования низкочастотных квадратурных сигналов 2 формирует на своих выходах квадратурные (синус и косинус) низкочастотные гармонические сигналы I и Q, которые подают на одноименные входы квадратурного модулятора. С помощью внешней цепи управления свободно изменяют значение частоты низкочастотных квадратурных сигналов F_IQ с произвольным шагом ΔF_IQ.

При этом квадратурный модулятор 3 формирует гармонический сигнал с частотой

сдвинутой от частоты опорного высокостабильного генератора 1 на некоторую величину F_IQ с произвольным шагом ΔF_IQ.

Сигнал с выхода квадратурного модулятора 3, подают на первый вход частотно-фазового детектора 4, на второй вход которого подают сигнал с выхода делителя с переменный коэффициентом деления 6.

Делитель с переменным коэффициентом деления 6 осуществляет деление на N частоты сигнала микроволнового генератора управляемого напряжением 7. Изменяя N можно задавать крупный шаг сетки частот.

В результате частотно-фазовый детектор 4 формирует на своем выходе сигнал, содержащий продукты сравнения, из которых необходимо выделить только постоянную составляющую.

Фильтр нижних частот 5 производит подавление всех продуктов сравнения кроме напряжения постоянного тока, и подает управляющий сигнал на вход управления микроволнового генератора управляемого напряжением 7.

Таким образом, осуществляют фазовую автоподстройку частоты микроволнового генератора управляемого напряжением 7 до частоты

с малым шагом сетки частот NΔF_IQ.

Уровень фазовых шумов на выходе микроволнового генератора в N раз больше, чем уровень фазовых шумов сигнала, подаваемого на вход схемы сравнения - частотно-фазового детектора. С учетом того, что частота сравнения высока, а, следовательно, N невелик, уровень шумов микроволнового генератора низок. Если, например, в качестве опорного генератора использовать высокочастотный прецизионный малошумящий кварцевый генератор ГК136 с уровнем фазовых шумов - 155 дБ/Гц при отстройке на 1 кГц производства компании "Морион", то при N=100 уровень фазовых шумов выходного сигнала будет составлять порядка - 135 дБ/Гц. Уровень побочных составляющих будет, в основном, определяться качественными показателями квадратурного модулятора и схемы формирования квадратурных сигналов.

Поскольку частота сравнения высока, то постоянная времени фильтра нижних частот может быть малой. Соответственно малым будет время перестройки синтезатора на малом шаге сетки частот.

Стабильность частоты всего синтезатора зависит только от стабильности частоты опорного высокостабильного генератора, поскольку и радиочастотный входной сигнал квадратурного модулятора, и низкочастотные квадратурные сигналы схемы формирования происходят от одного сигнала - сигнала опорного генератора, стабильность частоты которого составляет, например, для указанного выше случая 10^-7...10^-8.

Способ формирования микроволновых сигналов с малым шагом сетки частот, предполагающий использование метода косвенного синтеза частот с петлей цифровой фазовой автоподстройкой частоты и включающему генерирование опорных колебаний высокой частоты с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью частоты, генерирование микроволновых колебаний, деление частоты микроволновых колебаний, сравнение поделенной частоты и фазы микроволновых колебаний с частотой и фазой опорных колебаний, подавление продуктов сравнения частот с выделением постоянной составляющей сигнала и управление этим сигналом частотой микроволнового генератора, отличающийся тем, что, с целью получения микроволновых колебаний с малым шагом сетки частот, низким уровнем фазовых шумов и малым временем перестройки частоты, частоту высокочастотного опорного генератора f_ro с малым уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью не сравнивают непосредственно с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, а предварительно ее трансформируют, производят сдвиг частоты опорного генератора на некоторую небольшую величину F_IQ в одну ли другую сторону или, что тоже самое, формируют сигнал с одной боковой полосой, верхней или нижней, для чего дополнительно формируют два низкочастотных квадратурных сигнала с одинаковой амплитудой и частотой F_IQ и разностью фаз между ними равной 90°, при этом сигнал опорного генератора подают на радиочастотный вход квадратурного модулятора и одновременно на схему формирования квадратурных гармонических сигналов заданной низкой частотой F_IQ, причем сформированные низкочастотные квадратурные сигналы с частой F_IQ подают на одноименные низкочастотные входы квадратурного модулятора, и только после этого частоту сигнала на выходе квадратурного модулятора сравнивают с поделенной на N частотой микроволнового генератора f_mw, в результате чего на выходе микроволнового генератора получают частоту, равную

при этом задают сколь угодно малый шаг сетки частот низкочастотных квадратурных сигналов ΔF_IQ и получают при этом увеличенный в N раз, но малый шаг сетки частот микроволнового генератора NΔF_IQ, при этом не получают увеличение времени перестройки частоты микроволнового генератора малого шага, поскольку по-прежнему подавляют продукты сравнения высокочастотных сигналов, при этом, учитывая относительную малость значения Ν, не получают существенного увеличения уровня фазовых шумов микроволнового генератора, при этом, дополнительно, изменяют величину N и получают тем самым крупный шаг изменения сетки частот микроволнового генератора.