Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника без подачи модулирующего сигнала. Обеспечивается получение равномерной АЧМХ с расширением диапазона модулирующих частот и сторону нижних частот и улучшение спектральных характеристик внутри полосы синхронизации. Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией содержит опорный генератор 1, предварительный делитель частоты 2, импульсно-фазовый модулятор 3, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 4, первый частотно-фазовый детектор 5, первый фильтр нижних частот 6, первый управляемый генератор 7, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления 8, источник модулирующего сигнала 9, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 10, усилитель постоянного тока 11, инвертор 12, первый блок установки частоты 13, второй управляемый генератор 14, второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления 15, второй частотно-фазовый детектор 16, второй фильтр нижних частот 17, второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 18, второй блок установки час готы 19 и цифроаналоговый преобразователь 20. При этом выход второго управляемого генератора 14 является одновременно выходом устройства. 1 п.ф., 2 илл.
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика с частотной модуляцией и гетеродина приемника без подачи модулирующего сигнала.
Известен цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с частотной модуляцией (ЧМ), построенный на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи, в котором модулирующий сигнал поступает на второй (модулирующий) вход управляемого напряжением генератора (см. патент США №4110707, Н03С 3/10, 1978). В таком синтезаторе можно получить на выходе модулированный сигнал с практически неограниченной сверху полосой модулирующих частот. Недостаток его состоит в ограничении снизу полосы модуляции из-за действия обратной связи в системе ИФАПЧ. Модуляция по второму входу управляемого генератора (УГ) воспринимается кольцом ИФАПЧ как внешнее возмущение, которое по цепи обратной связи отрабатывается в сторону его уменьшения. Эта реакция происходит в полосе пропускания кольца ИФАПЧ, определяемой петлевым фильтром нижних частот (ФНЧ), то есть только на нижних частотах. Поэтому для расширения диапазона прохождения модулирующих частот в сторону низких частот необходимо сужать полосу пропускания кольца ИФАПЧ, что приводит к выбору ФНЧ более инерционного и соответственно к снижению быстродействия синтезатора.
Второй недостаток состоит также в невозможности обеспечить стабильность частотной девиации промодулированного сигнала в диапазоне модулирующих частот синтезатора из-за нелинейности характеристики управления УГ. Крутизна Sуг этой характеристики для различных частот синтезатора является весьма неопределенной величиной и в широкодиапазонных синтезаторах может изменяться в несколько раз. Соответственно изменяется и уровень девиации частоты.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухкольцевой ЦСЧ с частотной модуляцией по двухточечному способу (см. свидетельство на полезную модель №30043 от 26.08.2002 года), который принят за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2, 17 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
3, 15 - первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);
4 и 16 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
5 и 13 - первый и второй управляемые генераторы (УГ);
6 и 14 - первый и второй ДПКД;
7 - фазовый модулятор (ФМ), выполненный в виде импульсно-фазового модулятора (ИФМ);
8 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
9 - управляемый усилитель (УС);
10 - инвертор (ИНВ);
11 - интегратор (ИНТ);
12 и 18 - первый и второй блок управления частотой (БУЧ);
19 - цифроаналоговый преобразователь.
В этом ЦСЧ с ЧМ на основе двух последовательно включенных колец ИФАПЧ первое кольцо узкополосное, работает на одной на одной частоте. Двухточечная модуляция по УГ и ИФМ осуществляется в первом кольце, а широкодиапазонная перестройка частот и быстодействие при переключении частот - во втором кольце ИФАПЧ. Здесь для стабилизации уровня девиации частоты используется цепь управления с выхода второго БУЧ 18 (для второго ДПКД 14) второго кольца ИФАПЧ через ЦАП 19 на управляющий вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (УС 9) модулирующего сигнала, поступающего по двум каналам модуляции первого кольца ИФАПЧ.
Модулирующий сигнал от ИМС 8 через УС 9 поступает на модулирующий вход первого УГ 5 (первая точка введения модуляции) и одновременно через инвертор ИНВ 10 и интегратор ИНТ 11 на модулирующий вход импульсно-фазового модулятора ИФМ 7 (вторая точка введения модуляции), включенного между ДПКД 6 и ЧФД 7, так, чтобы компенсировать отклонение фазы импульсов 
м1 с выхода ДПКД 6, происходящее из-за модуляции частоты УГ5. Модулирующий сигнал для второго кольца содержится в его опорном сигнале, поступающем с выхода УГ 5 первого кольца.
Недостаток его состоит в том, что точность компенсации фазы импульсов м1 определяется правильным подбором уровня и фазы сигнала обратной (противофазной) модуляции в ИФМ 7 с помощью инвертора ИНВ 10 и интегратора ИНТ 11, который имеет свои ограничения в работе. В этом ЦСЧ трудно получить плоскую (ровную) результирующую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) системы интегратор-ИФМ в широком диапазоне модулирующих частот, так как АЧХ интегратора - линейно падающая, а ИФМ - линейно-возрастающая. Ровную (не зависящую от частоты) результирующую АЧХ системы интегратор-ИФМ можно получить только в сравнительно узком частотном диапазоне. При модуляции в широкой полосе частот, чтобы получить равномерную АЧМХ необходимо иметь большой динамический диапазон модулирующего сигнала и интегратора, что также может привести к искажениям модулированного сигнала.
Второй недостаток состоит в том, что я настоящее время невозможно введение модуляции в ИФМ, включенного между ДПКД и ЧФД, поскольку в выпускаемых микросхемах ИФАПЧ-синтезаторов нет доступа к цепи связи между ДПКД и ЧФД (все находится внутри «кристалла» микросхемы ЦСЧ).
Целью предлагаемого технического решения является получение равномерной АЧМХ с расширением диапазона модулирующих частот в сторону нижних частот и улучшение спектральных характеристик внутри полосы синхронизации.
Поставленная цель достигается тем, что в цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор и первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, второй управляемый генератор и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен с вторым входом второго частотно-фазового детектора, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, а также опорный генератор, первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, второй блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом выход первого управляемого генератора соединен со входом второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, в него введены последовательно соединенные предварительный делитель частоты и импульсно-фазовый модулятор, выход которого соединен со входом первого делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, последовательно соединенные усилитель постоянного тока и инвертор, выход которого соединен с модулирующим входом импульсно-фазового модулятора, при этом вход усилителя постоянного тока соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход предварительного делителя частоты соединен с выходом опорного генератора, а выход второго управляемого генератора одновременно является выходом устройства.
Существенным отличием предложенного технического решения является то, что с помощью введенных новых элементов, объединенных соответствующими связями с остальными узлами схемы, происходит выравнивание АЧМХ с расширением ее в сторону низких модулирующих частот, уменьшение полосы шумов опорного сигнала, поступающего на вход первого делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и упрощение устройства за счет исключения интегратора.
На фиг.2 представлена блок-схема двухкольцевого ЦСЧ с частотной модуляцией.
ЦСЧ с ЧМ содержит последовательно соединенные ОГ 1, предварительный делитель частоты ПД 2, импульсно-фазовый модулятор ИФМ 3, первый ДФКД 4, первый ЧФД 5, первый ФНЧ 6, первый УГ 7, первый ДПКД 8, выход которого соединен с другим входом первого ЧФД 5, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала ИМС 9 и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления УС 10, последовательно соединенные УПТ 11 и ИНВ 12, выход которого соединен с модлирующим входом ИФМ 3, а также первый блок установки частоты БУЧ 13, выход которого соединен с установочным входом первом ДПКД 8, последовательно соединенные второй УГ 14, второй
ДПКД 15, второй ЧФД 16, второй ФНЧ 17, выход которого соединен с управляющим входом второго УГ 14. При этом выход первого УГ 7 соединен также через второй ДФКД 18 со вторым входом второго ЧФД 16, а выход второго БУЧ 19 соединен с установочным входом второго ДПКД 15 и через цифроаналоговый преобразователь ЦАП 20 с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления УС 10.
ЦСЧ с ЧМ работает следующим образом. В режиме синхронизма модулирующий сигнал Uм(t) подается от ИМС 9 через УС 10 на модулирующий вход первого УГ 7. Первое кольцо узкополосное, работает на одной частоте, поэтому здесь всегда можно выбрать оптимальный режим широкополосной частотной модуляции с минимальными искажениями. В предложенном синтезаторе первое кольцо используется как узкополосный фильтр, где на частотах в пределах узкой полосы синхронизации шумы устройства определяются шумами кварцевого генератора, а вне - шумами УГ, которые для одночастотного генератора можно сделать меньше относительно шумов кварцевого генератора, приведенного к частоте УГ.
Второе кольцо ИФАПЧ (выходное) на основе УГ 14, ДПКД 15, ЧФД 16 и ФНЧ 17 является широкодиапазонным, быстродейсвующим и может работать на ультравысоких частотах. Поскольку модулирующий сигнал для второго кольца ИФАПЧ содержится в его опорном сигнале с выхода УГ 7 первого кольца, то при изменении выходных частот синтезатора, определяемых изменением коэффициента деления N2 второго ДПКД 15, также изменялся бы и уровень девиации частоты модулированного сигнала от ИМС 9, т.е. частота опорного сигнала умножалась бы пропорционально N2).
Для стабилизации уровня девиации частоты второго УГ 14 модулирующий сигнал от источника ИМС 9 поступает через усилитель УС 10, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально изменению N2 с помощью напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода ЦАП 20. Поскольку изменение коэффициента деления N2 второго ДПКД 15 и обратно пропорциональное N2 изменение коэффициента усиления УС 10 происходят одновременно по сигналу от второго БУЧ 19, то девиация частоты стабилизируется и быстродействие синтезатора созранястся таким же высоким, как и без модуляции.
Кроме того, известно, что в ЦСЧ с многократным умножением частоты опорного кварцевого генератора происходит существенное увеличение паразитной частотной модуляции (ПЧМ) пропорционально коэффициенту умножения, так как вместе с умножением частоты опорного кварцевого умножаются и шумовые составляющие, в том числе и различные помехи в опорном канале.
В предложенном ЦСЧ с ЧМ это не происходит, так как здесь действует отрицательная обратная связь с выхода первое ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 на модулирующий вход ИФМ 3 таким образом, что все помехи в опорном сигнале и шумовые составляющие отрабатываются в сторону уменьшения. С выхода ИФМ 3 на вход первого ДФКД 4 поступает импульсный опорный сигнал, значительно очищенный от различных помеховых составляющих. Одновременно в результате действия этой схемы автокомпенсации при введении ЧМ выравнивается АЧМХ и
расширяется в сторону низких частот без потери имеющегося быстродействия. Предварительный делитель частоты ПД2 после ОКГ1 необходим для формирования импульсного опорного сигнала, необходимого для нормальной работы ИФМ 3.
Поэтому в предложенном синтезаторе происходит необходимое формирование полезного модулирующего сигнала и одновременное подавление ПЧМ.
Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. В качестве УПТ и инвертора используются малошумящие прецизионные операционные усилители типа OP-27GS. Предварительный делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления ПД 2 может быть выполнен на той же микросхеме, на которой выполнен основной ДФКД 4.
Таким образом, в предложенном ЦСЧ с ЧМ происходит стабилизация заданного уровня девиации частоты при широком диапазоне изменения рабочих частот и равномерной модуляционной характеристики с оновременным повышением чистоты спектра выходного сигнала и сохранением высокого быстродействия.
Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор и первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, второй управляемый генератор и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен с вторым входом второго частотно-фазового детектора, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, а также опорный генератор, первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, второй блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом выход первого управляемого генератора соединен со входом второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, отличающийся тем, что, с целью получения равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики с расширением диапазона модулирующих частот в сторону нижних частот и улучшения спектральных характеристик внутри полосы синхронизации, в него введены последовательно соединенные предварительный делитель частоты и импульсно-фазовый модулятор, выход которого соединен со входом первого делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, последовательно соединенные усилитель постоянного тока и инвертор, выход которого соединен с модулирующим входом импульсно-фазового модулятора, при этом вход усилителя постоянного тока соединен с выходом первого фильтра нижних частот, вход предварительного делителя частоты соединен с выходом опорного генератора, а выход второго управляемого генератора одновременно является выходом устройства.
