Тандемный цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией
Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в качестве возбудителя передатчика и гетеродина приемника. Техническим результатом является значительное улучшение чистоты спектра выходного сигнала и повышение быстродействия тандемного цифрового синтезатора частот с частотной модуляцией. Предлагаемое устройство содержит опорный генератор 1, делитель частоты 2, импульсно-фазовый модулятор 3, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 4, первый импульсный частотно-фазовый детектор 5, первый фильтр нижних частот 6, первый управляемый генератор 7, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления 8, второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 18, второй импульсный частотно-фазовый детектор 16, второй фильтр нижних частот 17, второй управляемый генератор 14, второй делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления 15, источник модулирующего сигнала 9, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 10, первый интегратор 21, сумматора 22, первый блок установки частоты 13, второй блок установки частоты 19, цифроаналоговый преобразователь 20, первый усилитель постоянного тока 11, первый инвертор 12, смеситель 23, второй интегратор 24, фильтр высоких частот 25, второй инвертор 26, второй усилитель постоянного тока 27 и фазовый модулятор 28. При этом выход второго управляемого генератора 14 одновременно является 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.
Известен двухкольцевой цифровой синтезатор частот (ЦСЧ) с частотной модуляцией (4M) с последовательным включением колец, построенных на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи каждого кольца (см. свидетельство на полезную модель 
62310 от 07.12.2006 года).
В этом ЦСЧ первое кольцо узкополосное, работает на одной частоте, поэтому здесь всегда можно выбрать оптимальный режим широкополосной частотной модуляции с минимальными искажениями. В этом ЦСЧ 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 на основе ИФАПЧ является широкодиапазонным, быстродействующим и может работать на ультравысоких частотах.
Для уменьшения уровня паразитной частотной модуляции (ПЧМ), возникающей в опорном канале в устройстве действует отрицательная обратная связь с выхода первого ФНЧ через УПТ и ИНВ на модулирующий вход ИФМ таким образом, что все помехи в опорном сигнале и шумовые составляющие отрабатываются в сторону уменьшения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому синтезатору является двухкольцевой ЦСЧ с частотной модуляцией (см. патент на полезную модель 71487 от 25 октября 2007 года), который принят за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где введены следующие обозначения:
1 - опорный генератор (ОГ);
2 - делитель частоты (ДЧ);
3 - импульсно-фазовый модулятор (ИФМ);
4 и 18 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
5 и 16 - первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);
6 и 17 - первый и второй фильтр нижних частот (ФНЧ);
7 и 14 - первый и второй управляемый генератор (УГ);
8 и 15 - первый и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
9 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
10 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УС);
11 - усилитель постоянного тока (УПТ);
12 - инвертор (ИНВ);
13 и 19 - первый и второй блок установки частоты (БУЧ);
20 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
21 - интегратор (ИНТ);
22 - сумматор (СУМ).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор ОГ 1, делитель частоты (ДЧ 2), импульсно-фазовый модулятор (ИФМ 3), первый ДФКД 4, первый ЧФД 5, первый ФНЧ 6, первый УГ 7 и первый ДПКД 8, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФД 5; последовательно соединенные второй ДФКД 18, второй ЧФД 16, второй ФНЧ 17, второй УГ 14, второй ДПКД 15, выход которого соединен со вторым входом второго ЧФД 16, последовательно соединенные ИМС 9 и УС 10, выход которого соединен с модулирующим входом первого УГ 7 и через интегратор 21 с первым входом сумматора СУМ 22, а также первый БУЧ 13, выход которого соединен с установочным входом первого ДПКД 8, второй БУЧ 19, выход которого соединен с установочным входом второго ДПКД 15 и через ЦАП 20 с управляющим входом УС 10. При этом выход первого У Г 7 соединен со входом второго ДФКД 18, выход первого ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 соединен со вторым входом сумматора СУМ 22, выход которого соединен с модулирующим входом ИФМ 3, а выход второго У Г 14 одновременно является выходом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом. В режиме синхронизма модулирующий сигнал Uм (t) подается от ИМС 9 через УС 10 на модулирующий вход первого УГ 7 и через интегратор ИНТ 21 и сумматор СУМ 22 на модулирующий вход ИФМ 3 в опорном канале. С выхода ИФМ 3 на вход первого ДФКД 4 поступают короткие импульсы, промодулированные по фазе так же, как и импульсы с выхода первого ДПКД 8. В результате на первый и второй входы первого ЧФД 5 поступают импульсы одинаковые по частоте (в режиме синхронизма) и одинаково промодулированные по фазе. При этом на выходе первого ЧФД 5 формируется управляющее напряжение, которое после первого ФНЧ 6 поступает на управляющий вход первого УТ 7 и подстраивает его по частоте и фазе под опорный сигнал. В этом управляющем напряжении уже не должно быть составляющей от реакции кольца ИФАПЧ на модулирующее воздействие (по принципу двухточечной модуляции), что позволяет значительно расширить АЧМХ в сторону низких модулирующих частот и выбрать относительно высокую частоту сравнения на опорном входе ЧФД, чтобы получить высокое быстродействие. Однако в ЦСЧ с двухточечной модуляцией при значительном расширении АЧМХ в сторону низких частот (почти до нулевой частоты) может быть большая неравномерность АЧМХ особенно в области низких частот. В предложенном ЦСЧ это не происходит из-за действия напряжения отрицательной обратной связи с выхода ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 на второй вход СУМ 22, в котором этот сигнал суммируется с модулирующим напряжением от ИНТ 21, поступающим по первому входу СУМ 22. В результате АЧМХ синтезатора выравнивается и расширяется в область низких частот.При этом также уменьшаются шумовые и дискретные помеховые составляющие, возникающие в опорном сигнале.
Второе кольцо ИФАПЧ на основе УГ 14, ДПКД 15, ЧФД 16 и ФНЧ 17 является широкодиапазонным, быстродействующим и может работать на ультравысоких частотах. Для стабилизации уровня девиации частоты второго УГ 14 модулирующий сигнал от ИМС 9 поступает через усилитель УС 10, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально коэффициенту деления N2 второго ДГЖД 15 с помощью напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода ЦАП 20. Поскольку изменение коэффициента деления N2 второго ДГЖД 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 сохраняется таким же высоким, как и без модуляции.
Первый недостаток известного устройства состоит в том, что при воздействии помехового напряжения имеющего частоту вне полосы синхронизации, УГ 7 подвержен помеховой модуляции этим напряжением как отдельный опорный генератор.
Второй недостаток состоит в том, что во втором кольце ИФАПЧ петлевой фильтр ФНЧ2 широкополосный т.к. кольцо обеспечивает синтез частотно-модулированного сигнала в широком диапазоне (ОВЧ) модулирующих частот, при этом коэффициенты деления ДПКД2 имеют высокий порядок, что в свою очередь может привести к значительной ПЧМ сигнала на выходе синтезатора с частотами кратными частоте шага сетки, т.е. частоте сравнения ЧФД2. При этом в режиме компенсации во втором кольце ИФАПЧ2 модулируется информационным сигналом импульсы по фазе опорного канала. В результате на выходе ЧФД2 может присутствовать напряжение ошибки от этого сигнала.
Для устранения указанного недостатка в частотно-модулированном цифровом синтезаторе частот, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, делитель частоты, импульсно-фазовый модулятор, 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, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора; 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 со 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 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 через цифро-аналоговый преобразователь с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом выход первого управляемого генератора соединен с входом второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход первого фильтра нижних частот через усилитель постоянного тока соединен с инвертором, последовательно соединенные интегратор и сумматор, выход которого соединен с модулирующим входом импульсно-фазового модулятора, второй вход сумматора соединен с выходом инвертора, вход интегратора соединен с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления введены второй интегратор последовательно соединенный фильтр высоких частот, второй инвертер, второй усилитель постоянного тока и фазовый модулятор. Выход фазового модулятора соединен со входами второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и смесителем. 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 значительное увеличение помехозащищенность, уменьшение уровня флуктуационных и дискретных составляющих УГ.
Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, где введены следующие обозначения:
1 - опорный кварцевый генератор (ОКГ);
2 - делитель частоты (ДЧ);
3 - импульсно-фазовый модулятор (ИФМ);
4 и 18 - первый и второй делители частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
5 и 16 - первый и второй импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД);
6 и 17 - первый и второй фильтр нижних частот (ФНЧ);
7 и 14 - первый и второй управляемый генератор (УГ);
8 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
15 - делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД);
9 - источник модулирующего сигнала (ИМС);
10 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УС);
11 и 27 - первый и второй усилитель постоянного тока (УПТ);
12 и 26 - первый и второй инвертор (ИНВ);
13 и 19 - первый и второй блок установки частоты (БУЧ);
20 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);
21 и 24 - первый и второй интегратор (ИНТ);
22 - сумматор (СУМ);
23 - высокочастотный смеситель (С);
25 - фильтр высоких частот (ФВЧ);
28 - фазовый модулятор (ФМ).
Предлагаемое устройство содержит опорный генератор 1, делитель частоты 2, импульсно-фазовый модулятор 3, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 4, первый импульсный частотно-фазовый детектор 5, первый фильтр нижних частот 6, первый управляемый генератор 7, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления 8, второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления 18, второй импульсный частотно-фазовый детектор 16, второй фильтр нижних частот 17, второй управляемый генератор 14, второй делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления 15, источник модулирующего сигнала 9, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 10, первый интегратор 21, сумматора 22, первый блок установки частоты 13, второй блок установки частоты 19, цифроаналоговый преобразователь 20, первый усилитель постоянного тока 11, первый инвертор 12, высокочастотный смеситель 23, второй интегратор 24, фильтр высоких частот 25, второй инвертор 26, второй усилитель постоянного тока 27 и фазовый модулятор 28.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В режиме синхронизма модулирующий сигнал Uм (t) подается от ИМС 9 через УС 10 на модулирующий вход УГ 7.
Первое кольцо инерционное, обеспечивающее хорошую фильтрацию дискретных и флуктуационных спектральных составляющих выходного сигнала синтезатора. При этом с выходы ИФМ 3 на вход первого ДФКД 4 поступают короткие импульсы, промодулированные по фазе также, как и импульсы с выхода ДПКД 8 и на выходе ИЧФД 5 формируется управляющее напряжение, которое после первого ФНЧ 6 поступает на управляющий вход УГ 7 и подстраивает его по частоте и фазе под опорный сигнал. В тоже время если эталонный сигнал модулирован помеховым напряжением, то это напряжение, пройдя через второй интегратор ИНТ 24, скомпенсирует его влияние. При этом для осуществления интегрирования только переменных составляющих помехового напряжения последовательно включены ФВЧ 25, второй инвертор 26 и второй УПТ 27. При помощи второго УПТ 27 регулируется общий коэффициент усиления в дополнительном канале авторегулирования фазы. В фазовом модуляторе ФМ 28 сравниваются мгновенные значения опорного и модулирующего напряжения. В результате на выходе первого кольца уменьшаются спектральные и флуктуационные составляющие частотно-модулированного сигнала.
Также из-за действия напряжения отрицательной обратной связи с выхода ФНЧ 6 через УПТ 11 и ИНВ 12 на второй вход СУМ 22, в котором этот сигнал суммируется с модулирующим напряжением от ИНТ 21, поступающим по первому входу СУМ 22. В результате АЧМХ синтезатора выравнивается и расширяется в область низких частот.
Второе кольцо ИФАПЧ на основе УГ 14, ДПКД 15, ИЧФД 16, С 23 и ФНЧ 17 является широкодиапазонным, быстродействующим и может работать на ультравысоких частотах. Для стабилизации уровня девиации частоты второго УГ 14 модулирующий сигнал от ИМС 9 поступает через усилитель УС 10, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально коэффициенту деления N2 второго ДПКД 15 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 сохраняется таким же высоким, как и без модуляции. Введение высокочастотного смесителя с выделением разностной частоты между вторым УГ 14 и вторым ДДПКД 15 уменьшит значение коэффициента деления N2, что позволит уменьшить граничную частоту работы ДДПКД 15 и промодулировать по фазе импульсы поступающие на его вход так же, как и импульсы с выхода второго ДФКД 18. В результате на второй ИЧФД 16 поступают импульсы одинаковые по частоте и одинаково промодулированные по фазе.
Возможность осуществления предлагаемого устройства определяется тем, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Цифровая часть синтезаторов выполняется на микросхемах ЦСЧ с ИФАПЧ разных фирм. При этом в одной микросхеме могут быть один или два независимых ЦСЧ с целочисленным ДПКД (Integer-N) или с дробным (Fractional-N). Например, микросхемы LMX2364, LMX 2470 фирмы National Semiconductor представляют собой двойной синтезатор с двумя раздельными контурами регулирования: один с дробным ДПКД (ДДПКД), другой - с обычным. Аналогично этому микросхема ADF4252 фирмы Analog Devices и другие. Схемы интегратора и сумматора построены на основе операционных усилителей AD822AR фирмы Analog Devices.
Таким образом, в предложенном тандемном ЦСЧ с частотной модуляцией имеется возможность значительно уменьшить дискретные и флуктуационные составляющие выходного сигнала синтезатора.
Тандемный цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, делитель частоты, импульсно-фазовый модулятор, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый импульсный частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор и первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого импульсного частотно-фазового детектора, последовательно соединенные второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, второй импульсный частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, второй управляемый генератор, смеситель и второй делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго импульсного частотно-фазового детектора, последовательно соединённые источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, а также первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, второй блок установки частоты, выход которого соединён с установочным входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и через цифро-аналоговый преобразователь с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом выход первого управляемого генератора соединен со входом фазового модулятора, выход первого фильтра нижних частот через первый усилитель постоянного тока соединён с первым инвертором, в него введены последовательно соединенные первый интегратор и сумматор, выход которого соединен с модулирующим входом импульсно-фазового модулятора, второй вход сумматора соединен с выходом первого инвертора, вход первого интегратора соединен с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а также с выхода первого фильтра нижних частот через второй интегратор последовательно соединены фильтр высоких частот, второй инвертер, второй усилитель постоянного тока и фазовый модулятор, выход фазового модулятора соединен со входом второго делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления и входом смесителя, выход второго управляемого генератора одновременно является выходом устройства.
