Быстродействующий синтезатор частот

Авторы патента:

H03L7 - Автоматическое управление частотой или фазой; синхронизация (настройка резонансных контуров вообще H03J; синхронизация в системах цифровой связи, см. соответствующие рубрики класса H04)

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для формирования сетки стабильных частот с равномерным шагом в приемных и передающих устройствах.

Достигаемый технический результат - реализация в одном синтезаторе частот с одним режимом работы преимуществ узкополосных систем ИФАПЧ (в части обеспечения требуемых малых фазовых шумов выходного сигнала) в сочетании с малым временем перестройки по частоте.

Устройство содержит два блока синтезатора частот (1, 4), два фильтра нижних частот (2, 5), два генератора, управляемых напряжением (3, 6), высокочастотный коммутатор (7), шину управления (8). 2 ил.

В модуляторах радиопередатчиков и гетеродинах радиоприемников связной аппаратуры используются синтезаторы частот (СЧ), основанные на системе импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Основные предъявляемые к таким устройствам требования включают в себя уменьшение уровня фазовых шумов и паразитных спектральных составляющих выходного сигнала СЧ, сокращение времени перестройки по частоте.

Синтезаторы частот с ИФАПЧ широко известны в технической литературе [1], [2], [3] и др. Такие СЧ позволяют получить гармонические колебания с заданным шагом по частоте, при этом стабильность частоты определяется прецизионным кварцевым опорным генератором. Однако синтезаторы частот, основанные на ИФАПЧ, имеют в составе своего выходного сигнала значительный уровень побочных спектральных составляющих и фазовых шумов.

Функциональная схема типового СЧ приведена на рис.5.15 стр.142 в книге [4].

В таком СЧ 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 выходного сигнала ГУН таким образом, что она принимает значение, точно равное частоте опорного генератора, умноженной на коэффициент деления N делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Такой синтезатор частот представляет собой астатическую систему авторегулирования. Известно, что в кольце такой системы присутствует интегратор. Реализуется интегратор, как ФНЧ с коэффициентом передачи K(f), который зависит от частоты f:

Где f_СР - частота среза ФНЧ.

ФНЧ выделяет постоянную составляющую разницы между частотой сигнала опорного генератора и частотой сигнала ГУН (поделенной в N раз) 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_СР)². По этой причине фильтрация помех и различных наводок, возникающих в ДПКД и ЧФД, происходит по закону (1+f/f_СР) и, следовательно, ограничена.

В книге [3] уровень помех в полосе пропускания ФНЧ системы ИФАПЧ определен в районе 100 дБн в полосе частот 10 Гц. 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 несущей частоты ослабление "шумов" составляет 90-110 дБн в полосе частот 1 Гц. В [2] 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.

Второй недостаток рассматриваемого СЧ состоит в следующем.

Известно, что система ИФАПЧ СЧ представляет собой фильтр нижних частот по отношению к шумам опорного сигнала (умноженным в коэффициент деления раз, суммированным с шумами детектора и т.д.) и фильтр верхних частот по отношению к шумам выходного сигнала ГУН. Иными словами, в полосе пропускания системы ИФАПЧ СЧ преобладают умноженные в коэффициент деления раз шумы опорного генератора, шумы детектора и т.д., а за пределами полосы пропускания ИФАПЧ СЧ преобладают шумы ГУН. Следовательно, в случае необходимости использования больших коэффициентов деления (в СЧ с высокой частотой выходного сигнала и сравнительно низкой частотой сравнения) целесообразно уменьшать полосу пропускания системы ИФАПЧ СЧ. Но для обеспечения необходимого быстродействия СЧ (определяемого инерционностью ФНЧ системы ИФАПЧ), необходимо использовать широкополосную систему ИФАПЧ СЧ.

Таким образом, в однокольцевом СЧ с ИФАПЧ практически невозможно одновременно получить высокое быстродействие и необходимые шумовые характеристики выходного сигнала. Так, для осуществления режима фиксированной частоты с улучшенными спектральными характеристиками (медленный режим) и для реализации программируемой перестройки радиочастоты, которая требует высокого быстродействия (быстрый режим), приходится создавать два синтезатора частот под оба режима, либо осуществлять коммутацию ФНЧ с широкой и узкой полосой пропускания для совмещения обоих режимов в одном устройстве.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству можно считать синтезатор частот с ИФАПЧ, описанный в патенте на полезную модель RU 100348, принятый за прототип.

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

1 - блок синтезатора частот (БСЧ);

2, 10 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ1 и ФНЧ2);

3 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);

8 - шина управления (ШУ);

9, 11 - первый и второй низкочастотные коммутаторы (НК1 и НК2).

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные БСЧ 1, на первый вход которого поступает сигнал от опорного генератора, и НК1 9, первый выход которого через ФНЧ1 2 соединен с первым входом НК2 11; второй выход НК1 9 через ФНЧ2 10 соединен со вторым входом НК2 11, выход которого через ГУН 3 соединен со вторым входом БСЧ 1. Управление БСЧ 1, НК1 9 и НК2 11 осуществляется по шине управления ШУ 8 от внешнего управляющего устройства (ВУУ).

Устройство-прототип работает следующим образом.

От ВУУ в БСЧ 1 поступают команды записи необходимых коэффициентов деления, а на НК1 9 и НК2 11 поступают сигналы коммутации, определяемые режимом работы устройства - «быстрый» режим, либо «медленный» режим. Опорный сигнал от опорного генератора поступает на первый вход БСЧ 1, в котором в общем случае происходит преобразование частоты этого сигнала (приведение частоты сигнала к частоте сравнения посредством деления) и подача его на частотно-фазовый детектор, входящий в состав БСЧ 1. На второй вход БСЧ 1 поступает сигнал с выхода ГУН 3, частота выходного сигнала которого в БСЧ 1 делится в коэффициент деления N раз (N в общем случае может быть как целым, так и дробным) и поступает на частотно-фазовый детектор БСЧ 1. Сигнал рассогласования частот сигналов, приведенных к входам частотно-фазового детектора БСЧ 1, формируется на выходе БСЧ 1 и поступает через НК1 9 на ФНЧ1 2 в случае работы в медленном режиме, либо на ФНЧ2 10 в случае работы в быстром режиме. Выделенная постоянная составляющая сигнала рассогласования частот с выхода соответствующего фильтра поступает на управляющий вход ГУН 3, частота выходного сигнала которого меняется до тех пор, пока, поделенная в N раз в БСЧ 1, не станет равной частоте сравнения (т.е. поделенной в заданное число раз частоте сигнала опорного генератора). Таким образом, на выходе устройства - выходе ГУН 3 - будет поддерживаться колебание с заданной частотой. При этом в «быстром» режиме работы обеспечивается требуемое малое время перестройки по частоте за счет выбора широкой полосы пропускания ФНЧ2 10, а в «медленном» режиме работы обеспечивается требуемые малые фазовые шумы выходного сигнала за счет выбора узкой полосы пропускания ФНЧ1 9.

Учитывая вышесказанное, недостатком устройства-прототипа является невозможность совмещения в одном режиме работы требуемого малого времени перестройки по частоте с требуемыми малыми фазовыми шумами выходного сигнала, что ограничивает применимость данного устройства на практике.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в улучшении динамических и спектральных характеристик синтезаторов частот.

Для решения поставленной задачи в синтезатор частот, содержащий первый блок синтезатора частот (БСЧ1), на первый вход которого подается сигнал от опорного генератора, первый фильтр нижних частот (ФНЧ1) и первый генератор, управляемый напряжением (ГУН1), выход которого соединен со вторым входом БСЧ1, группа управляющих входов которого с помощью шины управления соединена с внешним управляющим устройством, согласно полезной модели, введены второй генератор, управляемый напряжением (ГУН2), высокочастотный коммутатор (ВК), выход которого является выходом устройства, и последовательно соединенные второй блок синтезатора частот (БСЧ2) и второй фильтр нижних частот (ФНЧ2), выход которого соединен с управляющим входом ГУН2, при этом, выход БСЧ1 через ФНЧ1 соединен с управляющим входом ГУН1, выход которого соединен также с первым входом ВК, второй вход которого соединен с выходом ГУН2 и вторым входом БСЧ2, на первый вход которого подается сигнал от опорного генератора, а группа управляющих входов БСЧ2 с помощью шины управления соединена с группой управляющих входов ВК и с внешним управляющим устройством.

Функциональная схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:

1 - первый блок синтезатора частот (БСЧ1);

2 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ1);

3 - первый генератор, управляемый напряжением (ГУН1);

4 - второй блок синтезатора частот (СЧ2);

5 - второй фильтр нижних частот (ФНЧ2);

6 - второй генератор, управляемый напряжением (ГУН2);

7 - высокочастотный коммутатор (ВК);

8 - шина управления (ШУ).

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные первый блок синтезатора частот (БСЧ1) 1, первый фильтр нижних частот (ФНЧ1) 2 и первый генератор, управляемый напряжением (ГУН1) 3, выход которого соединен со вторым входом БСЧ1 1 и с первым входом высокочастотного коммутатора (ВК) 7; последовательно соединенные второй блок синтезатора частот (БСЧ2) 4, второй фильтр нижних частот (ФНЧ2) 5 и второй генератор, управляемый напряжением (ГУН2) 6, выход которого соединен со вторыми входами БСЧ2 4 и ВК 7, выход которого является выходом устройства. При этом, на первые входы БСЧ1 1 и БСЧ2 4 подается сигнал от опорного генератора (ОГ), а группы управляющих входов БСЧ1 1, БСЧ2 4 и ВК 7 с помощью шины управления (ШУ) 8 соединены с внешним управляющим устройством (ВУУ).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

От ВУУ посредством ШУ 8 на управляющие входы БСЧ 1 поступают команды записи необходимых коэффициентов деления, а на управляющие входы ВК 7 поступает сигнал коммутации, обеспечивающий коммутацию сигнала с выхода ГУН1 3 на выход устройства.

При этом БСЧ1 1 может быть выполнен, например, на основе микросхемы ADF4158 фирмы Analog Devices [5], либо HMC704LP4E фирмы Hittite [6]. Такие микросхемы имеют в своем составе делитель частоты сигнала опорного генератора, делитель частоты сигнала ГУН, частотно-фазовый детектор, а также устройство токовой накачки, а управление такими микросхемами осуществляется по протоколу Serial Peripheral Interface (SPI).

BK 7 может быть выполнен, например, на основе микросхемы HMC349LP4C фирмы Hittite, управление такой микросхемой осуществляется двумя логическими сигналами Vctl и EN.

На первый вход БСЧ 1 поступает сигнал ОГ, частота которого в БСЧ 1 1 (в общем случае) делится и поступает на один из входов частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ1 1. На второй вход БСЧ1 1 поступает выходной сигнал ГУН 3, частота которого делится в N раз (в общем случае N может быть как целым, так и дробным числом) и поступает на другой вход частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ1 1. На выходе БСЧ1 1 формируется сигнал рассогласования частот (и фаз) обоих сигналов, поступающих на входы частотно-фазового детектора БСЧ1 1, который затем поступает на вход ФНЧ1 2, в котором выделяется постоянная составляющая сигнала рассогласования и подавляются высокочастотные составляющие этого сигнала. Затем с выхода ФНЧ1 2 постоянная составляющая сигнала рассогласования поступает на управляющий вход ГУН1 3, частота выходного сигнала которого меняется до тех пор, пока, поделенная в N раз в БСЧ1 1, она не станет равной поделенной в БСЧ1 1 частоте сигнала ОГ, поступающего на вход частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ1 1. После наступления равенства частот сигналов на входах частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ1 1, сигнал на его выходе перестает изменяться, и частота выходного сигнала ГУН1 3 поддерживается равной умноженной в N раз поделенной в заданное число раз частоте сигнала ОГ. Сигнал с выхода ГУН1 3 через BK 7 подается на выход устройства.

Во время настройки БСЧ1 1, посредством ШУ 8 от ВУУ на управляющие входы БСЧ2 4 поступают команды записи необходимых коэффициентов деления. Причем БСЧ2 4 также может быть выполнен, к примеру, на основе микросхемы ADF4158 фирмы Analog Devices, либо HMC704LP4E фирмы Hittite. На первый вход БСЧ2 4 поступает сигнал от ОГ, частота которого в БСЧ2 4, в общем случае, делится и поступает на один из входов частотно фазового детектора, входящего в состав БСЧ2 4. На второй вход БСЧ2 4 поступает выходной сигнал ГУН2 6, частота которого делится в N1 раз (в общем случае N1 может быть как целое число, так и дробно и не равно N) и поступает на другой вход частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ2 4. На выходе БСЧ2 4 формируется сигнал рассогласования частот (и фаз) обоих сигналов, поступающих на выходы частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ2 4, который затем поступает на вход ФНЧ2 5, в котором выделяется постоянная составляющая сигнала рассогласования и подавляются высокочастотные составляющие этого сигнала. Затем с выхода ФНЧ2 5 постоянная составляющая сигнала рассогласования поступает на управляющий вход ГУН2 6, частота выходного сигнала которого меняется до тек пор, пока, поделенная в N1 раз в БСЧ2 4, она не станет равной частоте сигнала ОГ, поделенной в БСЧ2 4 и приведенной к входу частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ2 4. После наступления равенства частот сигналов на входах частотно-фазового детектора, входящего в состав БСЧ2 4, сигнал на его выходе перестает изменяться, и частота выходного сигнала ГУН2 6 поддерживается равной умноженной в N1 раз поделенной в заданное число раз частоте сигнала опорного генератора.

Затем, при необходимости перестроить устройство с первой настроенной частоты на вторую, от ВУУ посредством ШУ 8 команда коммутации поступает в ВК 7, и сигнал с выхода ГУН2 6 проходит на выход устройства. Время перестройки будет равняться времени коммутации ВК 7.

Таким образом, фактически, предлагаемое устройство представляет собой два синтезатора частот с ИФАПЧ, выходные сигналы которых поочередно коммутируются на выход устройства. При этом один из синтезаторов частот настраивается в процессе работы второго синтезатора. Следовательно, можно выбрать узкополосные ФНЧ в обоих синтезаторах частот с ИФАПЧ, и этим обеспечить требуемые малые фазовые шумы выходных сигналов, а за счет поочередной коммутации выходных сигналов этих синтезаторов обеспечить малое время перестройки по частоте всего устройства.

Источники информации:

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

2. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автопордстройки // Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. - М.: Радио и связь, 1989 г.

3. 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.

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

5. Описание микросхемы ADF4158 на официальном сайте фирмы Analog Devices.

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF4158.pdf

6. Описание микросхемы HMC704LP4E на официальном сайте фирмы Hittite.http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc7041p4.pdf

Синтезатор частот, содержащий первый блок синтезатора частот (БСЧ1), на первый вход которого подается сигнал от опорного генератора, первый фильтр нижних частот (ФНЧ1) и первый генератор, управляемый напряжением (ГУН1), выход которого соединен со вторым входом БСЧ1, группа управляющих входов которого с помощью шины управления соединена с внешним управляющим устройством, отличающийся тем, что в него введены второй генератор, управляемый напряжением (ГУН2), высокочастотный коммутатор (ВК), выход которого является выходом устройства, и последовательно соединенные второй блок синтезатора частот (БСЧ2) и второй фильтр нижних частот (ФНЧ2), выход которого соединен с управляющим входом ГУН2, при этом выход БСЧ1 через ФНЧ1 соединен с управляющим входом ГУН1, выход которого соединен также с первым входом ВК, второй вход которого соединен с выходом ГУН2 и вторым входом БСЧ2, на первый вход которого подается сигнал от опорного генератора, а группа управляющих входов БСЧ2 с помощью шины управления соединена с группой управляющих входов ВК и с внешним управляющим устройством.