RU30043U1 - Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией - Google Patents

Abstract

Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления и фазовый модулятор, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, последовательно соединенные инвертор и интегратор, выход которого соединен с модулирующим входом фазового модулятора, а также первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные второй управляемый генератор, второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого генератора, а также второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, а вход - с выходом первого управляемого генератора, при этом второй блок установки частоты соединен с управляющим входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и через цифроаналоговый преобразователь - с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, в�

Description

1л,.п:..«.,...:1цр.,.Н1.,..1шН 03 с 3/10 Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией.

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, построенный на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи, в котором для получения модулированного по частоте сигнала на выходе синтезатора используется способ введения модулирующего сигнала через интегратор на вход фазового модулятора (ФМ), включенного в опорном канале между делителем частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) и импульсно-фазовым детектором (см. Д.Н. Шапиро, А.А. Паин Основы теории синтеза частот, 1981, стр. 227). Достоинством такого способа введения модуляции является возможность прохождения весьма низких модулирующих частот.

Недостаток этого ЦСЧ заключается в ограничении полосы модуляции сверху величиной частоты среза в кольце ИФАПЧ, обусловленной в основном фильтром нижних частот (ФНЧ) на выходе фазового детектора (ФД). Причем частота среза этого ФНЧ зависит от частоты сравнения Fgp на опорном входе ФД (или частотно-фазового детектора ЧФД) - чем ниже частота сравнения Fcp, тем ниже требуется частота среза для требуемого подавления помехи с частотой сравнения в выходном сигнале. При этом частота сравнения Fcp определяется заданным шагом сетки частот Fш, а именно Fcp ш- Поэтому при мелком шаге сетки частот происходит значительное ограничение сверху диапазона модулирующих частот в выходном сигнале синтезатора.

Н 03 L 7/18

Второй недостаток этого ЦСЧ состоит в невозможности обеспечить стабильность частотной девиации промодулированного сигнала во всем диапазоне рабочих частот синтезатора.

Известно, что система ИФАПЧ, на основе которой построен ЦСЧ, работает как умножитель частоты опорного сигнала с коэффициентом умножения, пропорциональным коэффициенту деления N ДПКД согласно формуле

РСЧ FCP -N (ij R) -N ,

где РСЧ - частота на выходе синтезатора,

РОГ - частота на выходе опорного кварцевого генератора, R - коэффициент деления ДФКД (постоянная величина).

Поэтому любая девиация частоты опорного сигнала (от полезного модулирующего сигнала или от паразитного) умножается пропорционально N. При изменении N в широких пределах (в широкодиапазонных синтезаторах) также изменяется и девиация частоты промодулированного сигнала на выходе синтезатора, что является большим недостатком особенно в системах подвижной радиосвязи. Известно (см., например, Системы подвижной радиосвязи. Под ред. И.М. Пышкина. М.: Радио и связь, 1986), что в большинстве систем подвижной радиосвязи задается оптимальное значение девиации частоты при заданной ширине радиоканала. Увеличение уровня девиации частоты приводит к возникновению взаимных помех в соседних радиоканалах, а уменьшение девиации приводит к ухудшению качества приема сигнала и дальности связи.

Известен ЦСЧ с частотной модуляцией, построенной на основе кольца ИФАПЧ с ДПКД в цепи обратной связи, в котором модулирующий сигнал поступает на второй (модулирующий) вход управляемого генератора (см. патент США № 4110707, Н 03 С 3/10, 1978). В таком синтезаторе можно получить на выходе модулированный сигнал с практически неограниченной

.CCl i - г

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 ФНЧ, то есть только на низких частотах. Поэтому для расширения диапазона прохождения модулирующих частот в сторону низких 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 рабочих частот синтезатора из-за нелинейности характеристики управления УГ. Крутизна Syr 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.

Известен ЦСЧ с частотной модуляцией (см. а.с. СССР .№ 1035776, кл. Н 03 С 3/10, Н 03 L 7/18, 1983), в котором для формирования частотномодулированного сигнала в широкой полосе модулирующих частот используется комбинированный двухточечный способ, когда модулирующий сигнал поступает на модулирующий вход УГ и через интегратор одновременно на модулир тощий вход фазового модулятора, включенного в опорном канале, т.е. модулирзтощий сигнал одновременно подается по двум каналам модуляции. Для уменьшения искажений выходных частотномодулированных колебаний, связанных с большим изменением крутизны Syr управляемого генератора при перестройке ЦСЧ в широком диапазоне частот, используется периодическое размыкание кольца ИФАПЧ, введение пробного возмущения УГ с помощью генератора сигнала настройки и последующей оценки крутизны Syr по сдвигу частоты УГ от этого пробного возмущения.

ICOiL 3

Однако, для измерения Syr с точностью, обеспечивающей выполнение заданных требований на качество модуляции, необходимо затратить значительное время, что совершенно не удовлетворяет требованиям по быстродействию ЦСЧ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЦСЧ с частотной модуляцией по двухточечному способу (см. а.с. СССР №1774465, кл. НОЗ С 3/10, Н 03 L 7/18, 1992 г), принятый за прототип. Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор (ОГ) 1, делитель 2 частоты, фазовый детектор (ФД)3, фильтр нижних частот (ФЕГЧ)4, управляемый генератор (УГ)5, делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД)6 и фазовый модулятор (ФМ)7, выход которого подключен к другому входу ФД 3, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала (ИМС) 8, управляемый аттенюатор 9, инвертор 10 и интегратор 11, выход которого подключен к управляющему входу ФМ 7, а также блок 12 установки частоты, выход которого подключен к установочному входу ДПКД 6 и управляющему входу управляемого аттенюатора (УПАТ) 9, последовательно соединенные дополнительный ФД 13, дополнительный ФНЧ 14, усилитель (УС) 15, первый пиковый детектор (ПД)16 и вычитатель 17, второй пиковый детектор 18, включенный между выходом интегратора 11 и другим входом вычитателя, а выход источника 8 модулирующего сигнала подключен к второму входу УГ 5 через усилитель 19 с регулируемым коэффициентом усиления, управляющий вход которого подключен к выходу вычитателя 17. При этом первый вход дополнительного ФД 13 подключен к выходу делителя 2 частоты, а второй вход дополнительного ФД 13 подсоединен к выходу ДПКД 6.

В этом ЦСЧ модулирующий сигнал поступает на модулирующий вход УГ 5 и через инвертор 10 и интегратор 11 на модулирующий вход ФМ 7, включенного между выходом ДПКД 6 и входом первого ФДЗ. С помощью

.

дополнительного контура автоподстройки в синтезаторе происходит автоматическое измерение и регулировка параметров модулятора во время модуляции и при изменении крутизны Syr управляемого генератора. Хотя здесь нет потери времени на определение Syr с помощью пробных возмущений и последующей подстройки, однако потеря быстродействия всетаки неизбежна из-за того, что в дополнительном контуре уже во время модуляции происходит формирование управляющего напряжения на выходе вычитателя в результате сравнения медленно меняющихся напряжений (огибающих амплитуд модулирующего и демодулирующего сигналов), образующихся на выходах двух типовых детекторов. Поэтому в ЦСЧ с предельно высоким быстродействием (например, с использованием микросхем с дробным ДПКД) из-за такой регулировки возможно значительное запаздывание регулирующего воздействия при смене рабочих частот, что существенно снижает (или даже ухудшает) эффективность работы модулятора не только по стабилизации девиации частоты, но и по равномерности модуляционной характеристики.

Кроме того, в быстродействующих ЦСЧ с частотной модуляцией (ЧМ) при использовании микросхем с дробным ДПКД (ДДПКД) увеличивается паразитная частотная модуляция (ПЧМ), когда модулирующие частоты близки к частоте сравнения. Это ухудшение чистоты спектра объясняется тем, что при использовании ДДПКД колебание опорной частоты Fcp, подаваемое на ФД, представляет собой, как и прежде, регулярную импульсную последовательность, а частота следования импульсов с выхода ДДПКД Рд только в среднем равна опорной частоте, т.е. импульсы с выхода ДДПКД поступают в некоторой окрестности опорной частоты сравнения Fcp. В результате взаимодействия этой частоты Рд с модулирующими частотами РМ на выходе ФД формируются дополнительные комбинационные частоты РК, т.е. ФД работает как смеситель; РМ ± к -Рд. Причем суммарные комбинационные составляющие не проходят через ФПЧ, а разностные могут пройти и промодулировать частоту УГ.

Таким образом, недостатками устройства-прототипа является запаздывание управляющего воздействия по стабилизации девиации частоты особенно в быстродействующих синтезаторах, что ухудшает эффективность работы модулятора и увеличивает неравномерность модуляционной характеристики.

Целью предлагаемого технического решения является стабилизация заданного уровня девиации частоты и уменьшение неравномерности модуляционной характеристики при одновременном повышении чистоты спектра выходного сигнала и сохранении высокого быстродействия.

Для устранения указанных недостатков в цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления и фазовый модулятор, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, последовательно соединенные инвертор и интегратор, выход которого соединен с модулирующим входом фазового модулятора, а также первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, введены последовательно соединенные второй управляемый генератор, второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого генератора, а также второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, а вход - с выходом первого управляемого генератора, второй блок установки частоты, выход

IC-Oif 6

которого соединен с установочным входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и через цифроаналоговый преобразователь с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом инвертора, при этом выход управляемого генератора является выходом устройства.

На фиг.2 представлена блок-схема предлагаемого ЦСЧ с частотной модуляцией, где обозначено: 1- опорный генератор (ОГ);

2,17 - первый и второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ФКД);

3.15- первый и второй частотно-фазовый детектор (ЧФД);

4.16- первый и второй фильтр нижних частот (ФНЧ);

5.13- первый и второй управляемый генератор (УГ);

6.14- первый и второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД);

7- фазовый модулятор;

8- источник модулирующего сигнала (ИМС);

9- усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (УС); 10-инвертор (PfflB);

11 - интегратор (ИНТ);

12,18 - первый и второй блок установки частоты (БУЧ);

19 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

ЦСЧ с ЧМ содержит последовательно соединенные опорный генератор ОГ1, первый ДФКД2, первый ЧФДЗ, первый ФНЧ4, первый УГ5, первый ДПКД6 и ФМ7, выход которого соединен со вторым входом первого ЧФДЗ, последовательно соединенные ИМС 8 и УС9, выход которого соединен с модулирующим входом первого УГ5 и через инвертор ИНВ10, интегратор ИНТ 11 с модулирующим входом ФМ7, а также первый БУЧ 12, выход которого соединен с установочным входом первого ДПКД6, последовательно соединенные второй УГ13, второй ДПКД 14, второй ЧФД 15, второй ФНЧ 16,

выход которого соединен с управляющим входом второго УГ13, При этом выход первого УГ5 соединен через второй ДФКД17 со вторым входом второго ЧФД15, а выход второго БУЧ 18 соединен с установочным входом второго ДПКД14 и через цифроаналоговый преобразователь ЦАП19 с управляющим входом УС9. Причем, второй выход второго УГ 13 вляется выходом ЦСЧ.

ЦСЧ с ЧМ работает следующим образом. В режиме синхронизма модулирующий сигнал Um(t) подается от PIMC8 через УС9 по двум каналам модуляции первого кольца ИФАПЧ: на модулирзтощий вход УГ5 и через ИНВЮ, ИПТИ на модулирующий вход фазового модулятора ФМ7, так

чтобы компенсировать отклонение фазы импульсов Афм1 с выхода первого ДПКД6 с коэффициентом деления N1, происходящее из-за модуляции частоты УГ5, Поэтому с выхода ФМ7 на второй вход ЧФДЗ поступают импульсы, уже не модулированные по фазе, как и в режиме синхронизма без подачи модуляции,

Первое кольцо ИФАПЧ работает на одной частоте, поэтому здесь всегда можно выбрать оптимальный режим широкополосной двухточечной модуляции с минимальными искажениями. Точность компенсации фазы

импульсов Афм1 определяется правильным подбором уровня и фазы сигнала обратной (противофазной) модуляции в ФМ7 с помощью инвертора ИНВЮ и интегратора ИНТ11.

Второе кольцо ИФАПЧ (выходное) на основе УГ13, ДПКД14, ЧФД15 и ФНЧ16 является широкодиапазонным, быстродействующим и может работать на ультравысоких частотах. Поскольку модулирующий сигнал для второго кольца ИФАПЧ содержится в его опорном сигнале с выхода УГ5 первого кольца, то при изменении выходных частот синтезатора, определяемых изменением коэффициента деления N2 второго ДПКД14, также изменялся бы и уровень девиации частоты модулированного сигнала (т.е. частота опорного сигнала умножалась бы пропорционально N2).

icci-f - f

Для стабилизации уровня девиации частоты второго УГ13 модулирующий сигнал от источника ИМС8 поступает сразу через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления УС9, коэффициент усиления которого изменяется обратно пропорционально изменению N2 с помощью напряжения, поступающего на его управляющий вход с выхода ЦАП19. А так как изменение коэффициента деления N2 второго ДПКД14 и обратно пропорциональное N2 изменение коэффициента усиления УС9 происходят одновременно по сигналу от второго БУЧ18, то быстродействие синтезатора сохраняется таким же высоким, как и без модуляции.

Кроме того, известно, что в ЦСЧ с многократным умножением частоты опорного кварцевого генератора (например, в диапазоне ультравысоких частот) происходит существенное увеличение ПЧМ пропорционально коэффициенту умножения, т.к. вместе с умножением частоты опорного кварцевого генератора умножаются и щумовые составляющие.

В предложенном синтезаторе первое кольцо используется как узкополосный фильтр, где на частотах в пределах узкой полосы синхронизации шумы устройства определяются шумами кварцевого генератора (которые, естественно, очень малы), а вне - шумами управляемого генератора, которые для одночастотного УГ можно сделать меньше относительно шумов кварцевого генератора, приведенного к частоте УГ. Поэтому коэффициент умножения всего ЦСЧ можно перераспределить между 1 и 2 кольцами так, чтобы улучшить чистоту спектра выходного сигнала.

К примеру, если общий коэффициент умножения , то его можно перераспределить между кольцами так: Кобщ К1- К2 10- 5 50.

В то же время при двухточечной модуляции ширина полосы модуляции не зависит от полосы пропускания кольца ИФАПЧ.

Поэтому в предложенном устройстве происходит необходимое формирование полезного модулирующего сигнала и одновременно подавление ПЧМ.

Доказательством возможности осуществления предлагаемого устройства является то, что вводимые блоки типовые и могут быть выполнены на широко известных микросхемах. Выпускаемые многими фирмами микросхемы с дробным ДПКД представляют собой законченные устройства, способные работать на частотах до 3 ГГц. Например, микросхема LMX 2352 фирмы National Semiconductor (США) представляет собой двойной синтезатор с двумя раздельными контурами регулирования: один с дробным ДПКД, другой - с обычным.

Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления может быть построен на основе операционного усилителя и полевого транзистора, включенного в цепь обратной связи усилителя, как в прототипе.

Из микросхем ЦАП можно применять любые, например, AD8400 фирмы Analog Devices (США).

Существенным отличием предложенного технического решения является то, что с помощью введенных новых элементов, объединенных соответствующими связями с остальными узлами схемы, происходит широкополосная частотная модуляция высокочастотного сигнала на выходе синтезатора с сохранением заданного уровня девиации частоты и дополнительное подавление ПЧМ выходного сигнала устройства без потери высокого быстродействия.

Для стабилизации уровня девиации частоты в предложенном ЦСЧ с ЧМ отпадает необходимость отслеживать во время модуляции изменение крутизны Syr второго УГ, связанной как с переключением выходных частот синтезатора, так и с воздействием дестабилизирующих факторов.

Характерно, что здесь для стабилизации уровня девиации частоты используется цепь управления с выхода второго блока установки частоты (для 2-го ДПКД) второго кольца ИФАПЧ через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на управляющий вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления модулирующего сигнала, поступающего по двум каналам модуляции первого кольца ИФАПЧ.

,

Так как изменение коэффициента деления N2 второго ДПКД от второго блока установки частоты происходит одновременно изменением коэффициента передачи усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, то девиация частоты стабилизируется и быстродействие второго кольца ИФАПЧ сохраняется такое же высокое, как и без модуляции.

Таким образом, в предложенном ЦСЧ с ЧМ происходит стабилизация заданного уровня девиации частоты при широком диапазоне изменения рабочих частот и равномерной модуляционной характеристики с одновременным повышением чистоты спектра выходного сигнала и сохранением высокого быстродействия.

Предлагаемое техническое решение, по мнению заявителей, обладает суш;ественными отличиями, так как при поиске не выявлены аналоги, содержаш 1е признаки, сходные с отличительными.

Патентообладатель - ФГУП Воронежский НИИ связи. Главный инженер .В. Калинин

Claims (1)

1. Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, первый делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый управляемый генератор, первый делитель частоты с переменным коэффициентом деления и фазовый модулятор, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора, последовательно соединенные источник модулирующего сигнала и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с модулирующим входом первого управляемого генератора, последовательно соединенные инвертор и интегратор, выход которого соединен с модулирующим входом фазового модулятора, а также первый блок установки частоты, выход которого соединен с установочным входом первого делителя частоты с переменным коэффициентом деления, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные второй управляемый генератор, второй делитель частоты с переменным коэффициентом деления, второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом второго управляемого генератора, а также второй делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора, а вход - с выходом первого управляемого генератора, при этом второй блок установки частоты соединен с управляющим входом второго делителя частоты с переменным коэффициентом деления и через цифроаналоговый преобразователь - с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого соединен с входом инвертора, причем второй выход второго управляемого генератора является выходом синтезатора.