Синтезатор частот

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиолокации, в измерительной технике, в технике связи. Синтезатор частот состоит из соединенных цифрового синтезатора прямого синтеза, опорного генератора, формирователя команд управления, фильтра, блока формирования сетки частот, блока преобразования частоты вверх и блока формирования сигналов гетеродина. Блок формирования сетки частот состоит из первого смесителя, первого полосового фильтра, первого делителя с переключаемым коэффициентом деления и первого фильтра нижних частот. Блок преобразования частоты вверх состоит из второго смесителя и второго полосового фильтра. Блок формирования сигналов гетеродина состоит из второго делителя с переключаемым коэффициентом деления, третьего смесителя и третьего полосового фильтра. Цифровой синтезатор прямого синтеза соединен через фильтр с входом промежуточной частоты первого смесителя. Выход первого смесителя соединен через первый полосовой фильтр с высокочастотным входом первого делителя. Выход первого делителя соединен через первый фильтр нижних частот с входом промежуточной частоты второго смесителя, вход гетеродина которого соединен с выходом опорного генератора. Выход второго смесителя соединен со вторым полосовым фильтром. Выход последнего является выходом блока преобразования частоты вверх. Вход гетеродина третьего смесителя и высокочастотный вход второго делителя соединены с выходом опорного генератора. Выход второго делителя соединен с входом промежуточной частоты третьего смесителя, выход которого через третий полосовой фильтр соединен с входом гетеродина первого смесителя. Входы управления цифрового синтезатора прямого синтеза, первого и второго делителей соединены с выходом формирователя команд управления. Техническим результатом заявляемого устройства является увеличение ширины диапазона перестройки частоты синтезатора при обеспечении высокой чистоты спектра выходного сигнала и высокой скорости перестройки частоты. 1 н.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиолокации, в измерительной технике, в технике связи.

Основными параметрами синтезаторов являются: диапазон перестройки выходной частоты, шаг перестройки частоты, скорость перестройки, уровень паразитных спектральных составляющих и спектральная плотность фазовых флуктуации.

Известны синтезаторы частот [Приложение. Стариков О. Метод ФАПЧ и принципы синтезирования высокочастотных сигналов // ChipNews. 2001], построенные на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которые в настоящее время являются наиболее распространенными. Базовая схема синтезатора на основе петли ФАПЧ представляет собой соединенные генератор опорной частоты, фазовый детектор, фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением (ГУН), и делитель в цепи обратной связи, соединяющей выход ГУН и фазовый детектор. Достоинством данных устройств является простота реализации: небольшое количество элементов и возможность выполнения по монолитно-интегральной технологии.

Одним из недостатков таких синтезаторов является повышенный уровень фазового шума, который определяется шумами цифрового фазового детектора внутри полосы пропускания петли ФАПЧ и фазовым шумом ГУНа вне полосы петли ФАПЧ. Другой недостаток - низкая скорость перестройки частоты из-за фильтрации сигнала ошибки.

Известен синтезатор (патент US 4791377), который состоит из четырех генераторов с ФАПЧ, формирователя команд управления, цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС), блоков преобразования и деления частоты и блока преобразования частоты. Каждый блок преобразования и деления частоты состоит из смесителя, полосового фильтра и делителя с фиксированным коэффициентом деления. Блок преобразования частоты состоит из смесителя и полосового фильтра. Достоинствами данного синтезатора являются широкая полоса перестройки частоты выходного сигнала и высокая скорость перестройки частоты.

Однако в данном устройстве невозможно обеспечить 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 некратные частоты. 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.

Наиболее близким к заявляемому устройству является синтезатор частот (патент US 5495202), который состоит из опорного генератора, 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 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. Достоинствами данного синтезатора является высокая чистота спектра выходного сигнала и высокая скорость перестройки частоты.

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.

Задачей заявляемой полезной модели является увеличение диапазона перестройки частоты синтезатора при обеспечении высокой чистоты спектра выходного сигнала и высокой скорости перестройки выходной частоты.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что синтезаторе частот, содержащем опорный генератор, формирователь команд управления, блок формирования сетки частот, состоящий из первого смесителя, первого полосового фильтра, первого делителя и первого фильтра нижних частот, блок преобразования частоты вверх, состоящий из второго полосового фильтра и второго смесителя, фильтр и цифровой синтезатор прямого синтеза, вход управления которого соединен с выходом формирователя команд управления, выход цифрового синтезатора прямого синтеза соединен через фильтр с входом промежуточной частоты первого смесителя в блоке формирования сетки частот, выход первого смесителя соединен через первый полосовой фильтр с высокочастотным входом первого делителя, выход которого соединен через первый фильтр нижних частот с входом промежуточной частоты второго смесителя в блоке преобразования частоты вверх; вход гетеродина второго смесителя соединен с выходом опорного генератора; выход второго смесителя соединен со вторым полосовым фильтром, выход которого является выходом синтезатора, первый делитель выполнен с возможностью переключения коэффициента деления и имеет вход управления, соединенный с выходом формирователя команд управления; дополнительно введен блок формирования сигналов гетеродина, состоящий из третьего смесителя, третьего полосового фильтра и второго делителя с переключаемым коэффициентом деления, имеющего высокочастотный вход и вход управления, при этом высокочастотный вход второго делителя и вход гетеродина третьего смесителя соединены с выходом опорного генератора; вход управления второго делителя соединен с выходом формирователя команд управления; выход второго делителя соединен с входом промежуточной частоты третьего смесителя, выход которого через третий полосовой фильтр соединен с входом гетеродина первого смесителя.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является решение поставленной задачи за счет введения в известную схему блока формирования сигналов гетеродина заявляемой конструкции и использования в качестве делителя в блоке формирования сетки частот делителя с переключаемым коэффициентом. В результате диапазон перестройки частоты заявляемого синтезатора получается в 5-10 раз больше, чем в устройстве по патенту US 5495202, при том же уровне подавления паразитных спектральных составляющих ЦСПС и высокой скорости перестройки частоты.

Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1-2, на которых изображено:

на Фиг.1 - структурная схема синтезатора частот;

на Фиг.2 - диаграмма перестройки частоты.

На Фиг.1 позициями 1-16 обозначены:

1 - цифровой синтезатор прямого синтеза (ЦСПС);

2 - опорный генератор;

3 - формирователь команд управления (ФКУ);

4 - фильтр;

5 - блок формирования сетки частот (БФСЧ);

6 - блок преобразования частоты вверх (БПЧВ);

7 - блок формирования сигналов гетеродина (БФСГ);

8 - первый смеситель;

9 - первый полосовой фильтр (ПФ);

10 - первый делитель с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД);

11 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ);

12 - второй смеситель;

13 - второй ПФ;

14 - второй ДПКД;

15 - третий смеситель;

16 - третий ПФ.

Синтезатор частот состоит из соединенных цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС) 1, опорного генератора 2, формирователя команд управления (ФКУ) 3, фильтра 4, блока формирования сетки частот (БФСЧ) 5, блока преобразования частоты вверх (БПЧВ) 6 и блока формирования сигналов гетеродина (БФСГ) 7. Блок формирования сетки частот (БФСЧ) 5 состоит из первого смесителя 8, первого полосового фильтра (ПФ) 9, первого делителя с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД) 10 и первого фильтра нижних частот (ФНЧ) 11. Блок преобразования частоты вверх (БПЧВ) 6 состоит из второго смесителя 12 и второго ПФ 13. Блок формирования сигналов гетеродина (БФСГ) 7 состоит из второго ДПКД 14, третьего смесителя 15 и третьего ПФ 16. ЦСПС 1 соединен через фильтр 4 с входом промежуточной частоты (ПЧ) первого смесителя 8 в БФСЧ 5. Выход первого смесителя 8 соединен через первый ПФ 9 с высокочастотным входом (ВЧ) первого ДПКД 10. Выход первого ДПКД 10 соединен через первый ФНЧ 11 с входом ПЧ второго смесителя 12, вход гетеродина которого соединен с выходом опорного генератора 2. Выход второго смесителя 12 соединен со вторым ПФ 13. Выход последнего является выходом БПЧВ 6. Вход гетеродина третьего смесителя 15 и ВЧ вход второго ДПКД 14 соединены с выходом опорного генератора 2. Выход второго ДПКД 14 соединен с входом ПЧ третьего смесителя 15, выход которого через третий ПФ 16 соединен с входом гетеродина первого смесителя 8. Входы управления ЦСПС 1, первого ДПКД 10 и второго ДПКД 14 соединены с выходом ФКУ 3.

Устройство работает следующим образом.

Опорный генератор 2 обеспечивает формирование трех когерентных сигналов фиксированной частоты.

Один из сигналов опорного генератора 1 с частотой f_ОП2 поступает на вход БФСГ 7, в котором, разветвляясь, поступает на ВЧ вход второго ДПКД 14 и вход гетеродина третьего смесителя 15. Коэффициент деления D₁ второго ДПКД 14 задают посредством ФКУ 3 в диапазоне от D_1min до D_1max . Для этого с выхода ФКУ 3 на вход управления второго ДПКД 14 поступает сигнал управления. С выхода второго ДПКД 14 сигнал с частотой f_ОП2/D₁ поступает на вход ПЧ третьего смесителя 15. На выходе третьего смесителя 15 полезный сигнал имеет частоту:

.

Подавление нежелательных спектральных компонент сигнала осуществляют с помощью третьего ПФ 16, который может быть настроен на суммарную (f_ОП2+f_ОП2 /D₁) или разностную (f_ОП2-f_ОП2 /D₁) компоненту частоты сигнала с выхода третьего смесителя 15. Далее для определенности будем учитывать, что фильтры настраивают на суммарную компоненту сигнала на выходе смесителей. Данный выбор не влияет на работу заявляемого устройства. Так как частота f_ОП2 фиксирована, то на выходе БФСГ 7 количество формируемых частот будет соответствовать количеству коэффициентов деления D₁ второго ДПКД 14. Значения частот определяются формулой f_ОП2(1+1/D₁ ). Шаг перестройки частоты будет наибольшим для значений D ₁=D_1min и D₁=D_1min+1 и может быть рассчитан по формуле: .

С выхода БФСГ 7 сигнал поступает на вход гетеродина первого смесителя 8 блока формирования сетки частот (БФСЧ) 5. На вход ПЧ первого смесителя 8 через фильтр 4 поступает сигнал с выхода ЦСПС 1. На опорный вход ЦСПС 1 поступает сигнал с выхода опорного генератора 2 с частотой f_ОП3, на вход управления - с выхода ФКУ 3. С помощью ЦСПС 1 формируют сигнал с частотой в соответствии с формулой:

,

где S - разрядность накапливающего сумматора ЦСПС 1; R - значение кода, управляющего частотой ЦСПС 1, формируемое с помощью ФКУ 3, f_ОП3 - тактовая частота ЦСПС 1, формируемая опорным генератором 2. Сигналы с выхода первого смесителя 8 будут иметь частоту:

f_СМ1=f_ОП2 (1+1/D₁)±f_ЦCПC.

С помощью первого ПФ 9 выделяют один из сигналов с выхода первого смесителя 8,подавляя все нежелательные комбинационные составляющие.

Если ширина полосы перестройки ЦСПС 1 равна f_ЦСПС, то на выходе первого ПФ 9 будет возможно сформировать сигнал с любым значением частоты в полосе:

.

Ширина полосы частот сигнала с выхода первого ПФ 9 будет шире, чем полоса перестройки ЦСПС 1 за счет возможности изменения коэффициента деления D₁ второго ДПКД14 в БФСГ 7.

Так как в сигнале, формируемом ЦСПС 1, содержатся паразитные составляющие, обусловленные особенностями его работы, то они будут также содержаться и в выходном сигнале синтезатора. Их уровень понижают с помощью деления частоты. Для этого с выхода первого ПФ 9 сигнал поступает на ВЧ вход первого ДПКД 10. При делении частоты с помощью первого ДПКД 10 уровень паразитных компонент снизится на 20lgD₂, где D ₂ - значение коэффициента деления первого ДПКД 10. Однако уменьшится ширина полосы перестройки в D₂ раз. Для расширения диапазона перестройки частоты выходного сигнала используют делитель с переключаемым коэффициентом деления, обеспечивая перестройку частоты на ВЧ входе первого ДПКД 10, достаточную для перекрытия участков диапазона перестройки частоты сигнала на выходе первого ДПКД 10 при выбранных значениях коэффициента деления D₂ . Коэффициент деления D₂ изменяют с помощью ФКУ 3, подавая с его выхода сигнал управления на вход управления первого ДПКД 10. Диаграмма перестройки выходной частоты первого ДПКД 10 для различных коэффициентов деления D₂ изображена на Фиг.2. Для того, чтобы обеспечить возможность формирования любой частоты на выходе синтезатора в диапазоне от f_{вых min} до f_{вых mах}, необходимо, чтобы при коэффициенте деления D₂ и минимально необходимой частоте сигнала ЦСПС 1f_{вх min} значение частоты выходного сигнала было меньше или равно значению выходной частоты при увеличенном на единицу коэффициенте деления, т.е. при D₂+1, и максимальной частоте сигнала ЦСПС 1f_{вх max}. Для обеспечения перекрытия участков перестройки при значениях коэффициентов деления D _2min и D_2min+1 необходим наибольший диапазон перестройки. Требуемая ширина полосы перестройки, при которой возможна непрерывная перестройка по частоте, определяется из условия:

,

где f_{СМ 1 min (max)} - минимально (максимально) возможное значение выходной частоты первого смесителя 8; D_2min - наименьший коэффициент деления первого ДПКД 10.

В этом случае ширина полосы перестройки на выходе первого ДПКД 10 будет равна:

.

Полный диапазон перестройки частоты с учетом возможности переключения коэффициента деления D₂ первого ДПКД 10 может быть вычислен по формуле:

,

где f_{ДПКД min (max)} - минимально (максимально) возможное значение частоты на выходе первого ДПКД 10; D_2min(max) - наименьший (наибольший) коэффициент деления первого ДПКД 10.

Сигнал с выхода первого ДПКД 10 с частотой f_ДПКД через первый ФНЧ 11 поступает на вход ПЧ второго смесителя 12, на вход гетеродина которого поступает сигнал фиксированной частоты f_ОП1 от опорного генератора 2. На выходе второго смесителя 12 формируют сигнал с частотой f_СМ2=f_ОП1±/f_ДПКД . С помощью второго ПФ 13 на выходе второго смесителя 12 выделяют суммарную или разностную компоненту сигнала, которая является полезной частотой сигнала синтезатора. Преобразование частоты с помощью второго смесителя 12 необходимо для повышения частоты выходного сигнала, которое компенсирует понижение частоты при делении в первом ДПКД 10 и позволяет получить требуемые значения частотывыходного сигнала синтезатора.

По сравнению с техническим решением, описанным в патенте US 5495202, предлагаемая схема синтезатора позволяет получить более широкую полосу перестройку частоты за счет расширения диапазона перестройки частоты ЦСПС 1 при ее преобразовании с различными значениями частоты гетеродина третьего смесителя 15 и использования нескольких значений коэффициента деления во втором ДПКД 14. В результате диапазон перестройки частоты синтезатора получается в 5-10 раз больше, чем в устройстве по патенту US 5495202, при том же уровне подавления паразитных спектральных составляющих ЦСПС 1 и том же значении скорости перестройки частоты.

Синтезатор частот, содержащий опорный генератор, формирователь команд управления, блок формирования сетки частот, состоящий из первого смесителя, первого полосового фильтра, первого делителя и первого фильтра нижних частот, блок преобразования частоты вверх, состоящий из второго полосового фильтра и второго смесителя, фильтр и цифровой синтезатор прямого синтеза, вход управления которого соединен с выходом формирователя команд управления, выход цифрового синтезатора прямого синтеза соединен через фильтр с входом промежуточной частоты первого смесителя в блоке формирования сетки частот, выход первого смесителя соединен через первый полосовой фильтр с высокочастотным входом первого делителя, выход которого соединен через первый фильтр нижних частот с входом промежуточной частоты второго смесителя в блоке преобразования частоты вверх; вход гетеродина второго смесителя соединен с выходом опорного генератора; выход второго смесителя соединен со вторым полосовым фильтром, выход которого является выходом синтезатора, отличающийся тем, что первый делитель выполнен с возможностью переключения коэффициента деления и имеет вход управления, соединенный с выходом формирователя команд управления; дополнительно введен блок формирования сигналов гетеродина, состоящий из третьего смесителя, третьего полосового фильтра и второго делителя с переключаемым коэффициентом деления, имеющего высокочастотный вход и вход управления, при этом высокочастотный вход второго делителя и вход гетеродина третьего смесителя соединены с выходом опорного генератора; вход управления второго делителя соединен с выходом формирователя команд управления; выход второго делителя соединен с входом промежуточной частоты третьего смесителя, выход которого через третий полосовой фильтр соединен с входом гетеродина первого смесителя.