Глава 4. Цифровые вычислительные синтезаторы

4.1. Принципы построения синтезаторов стабильных частот

Синтезатором частоты (СЧ) называют [2, 16, 20, 25, 27, 34, 39] устройство, которое преобразует периодическое колебание опорного источника u₀(t), частота f₀ которого принимается за эталонную, в почти гармоническое колебание u_вых(t) с частотой f_вых, при допустимых:

а) погрешности установки среднего значения частоты f_вых;

б) уровне мешающих дискретных и шумовых составляющих спектра;

в) отклонениях формы выходного колебания от гармонической;

г) нестабильностях параметров при действии дестабилизирующих факторов.

Для преодоления противоречия между высокой точностью установки частоты f_вых и возможностью её изменения при фиксированном значении частоты f₀ от СЧ требуют формирования одной рабочей частоты f_вых из сетки возможных частот. В этом случае возникает необходимость дополнительно установить закон расположения возможных рабочих частот в диапазоне работы СЧ (например, равномерный с фиксированным шагом по частоте ∆_ш или логарифмический), количество дискретных частот в сетке, продолжительность перехода от одной фиксированной частоты к другой.

Различают одноопорные и многоопорные синтезаторы частот. Системы синтеза частот, работающие от одного опорного генератора, обеспечивают фазовую когерентность между каждым из выходных колебаний и колебаниями опорного генератора. Под когерентностью колебаний различающихся частот понимается, что фазовый сдвиг между ними за вычетом линейно изменяющейся во времени компоненты из-за различия номинальных значений частоты, не может неограниченно возрастать и имеет постоянное математическое ожидание. Многоопорные синтезаторы частот не обеспечивают когерентности в этом смысле из-за неопределённости разности фаз независимых генераторов опорных частот и неограниченного дрейфа их разности фаз. Далее будут рассматриваться именно одноопорные ССЧ.

Разработаны классы синтезаторов сигналов, которые формируют колебания следующих видов:

1) гармоническое колебание с частотой, отличающейся фиксированным множителем от опорной (схема переноса стабильности частоты);

2) гармоническое колебание, частота которого может переключаться в пределах дискретного набора значений с сохранением когерентности по отношению к опорному колебанию (синтезатор сетки стабильных частот);

3) сигнал квазигармонической формы с определённым законом модуляции фазы или частоты при сохранении когерентности с опорным сигналом;

4) сигналы заданной негармонической формы со стабильной частотой повторения, когерентные с опорным колебанием;

5) сигналы сложной негармонической формы, в которых по заданному закону изменяются период, размах и форма с сохранением когерентности с опорным колебанием;

6) ансамбль одновременно формируемых когерентных колебаний, различающихся параметрами.

Наибольшее применение в радиоэлектронной аппаратуре находят одноопорные СЧ, формирующие гармонические колебания со стабильной фазой, частота которых может принимать одно из множества значений, образующих равномерную сетку частот и переключаться с одного значения частоты на другое.

В литературе пассивными называют СЧ, не содержащие автогенераторов. В таких устройствах используются нелинейные преобразования сигналов, создающие сетку одновременно присутствующих колебаний ряда стабильных частот и цепи линейной частотной фильтрации, выделяющие колебания одной из таких частот. Если применяются частотные фильтры на основе колец автоматической подстройки частоты или компенсационные схемы фильтрации с вычитанием частотных погрешностей автогенераторов с плавной перестройкой, то такие СЧ называются активными. Как в активных, так и в пассивных СЧ могут использоваться узлы с цифровым управлением, поэтому такие СЧ дополнительно называют цифровыми. Ни одно из технических решений СЧ не обладает абсолютным преимуществом перед остальными, поскольку сочетания требуемых параметров (диапазон частот, количество частот сетки, уровень собственных шумов, быстродействие, возможность реализации сложных законов управления, массогабаритные показатели и др.) настолько многообразны, что разработчику приходится комбинировать и сочетать варианты СЧ.

При высоких требованиях к стабильности частоты повторения сигналов и к фазовому шуму выходного сигнала используют два способа их формирования. Прямой цифровой синтезатор, называемый также цифровым вычислительным синтезатором (ЦВС), строится [49] на основе накопителя кода фазы, преобразователя кодов и цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Такие СЧ обеспечивают малые погрешности установки параметров, имеют широкие возможности по модуляции, небольшое время перехода от одной частоты к другой, но их выходные частоты ограничены быстродействием цифровых узлов. Синтезаторы частот на основе фильтрации гармонического колебания одной частоты из сетки используют аналоговые или аналого-цифровые способы формирования колебаний одной частоты из набора возможных значений. Во многих случаях такие СЧ основаны на применении системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), с помощью которой выходные колебания управляемого напряжением генератора (ГУН) синхронизируются по опорному источнику при помощи кольца обратной связи. Ограничения по частоте для СЧ с ФАПЧ намного слабее, чем для ЦВС, но настройка их системы авторегулирования сложнее.

Кроме указанных двух базовых типов синтезаторов гармонических колебаний используют [33] для формирования колебаний стабильных частот устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ), на оптоэлектронных преобразователях, комбинации указанных типов и др.

Синтезаторы сетки стабильных частот (ССЧ) характеризуются следующими основными параметрами:

1) граничные значения выходных частот f_верх и f_ниж, которые определяют относительный диапазон перестройки частоты k_f = f_верх/ f_ниж;

2) количество частот сетки N и закон расположения их на частотной оси (равномерный, логарифмический, квадратичный и т.д.). Шаг сетки частот для равномерного по частоте закона определяется соотношением ∆_f = (f_верх - f_ниж)/N;

3) СПМ фазового шума выходного сигнала вблизи несущей частоты S_(F) в зависимости от отстройки F при различных значениях выходной частоты f_вых. Для простоты вместо зависимости S_(F) приводят относительное среднее квадратическое отклонение (СКО) частоты от номинального значения за определённый отрезок времени (например, за 1 секунду);

4) длительность _пер переходного процесса по частоте и фазе после переключения на соседнюю частоту сетки;

5) мощность выходного сигнала P_вых на стандартном сопротивлении активной нагрузки R_н, что позволяет найти амплитуду напряжения на нагрузке ;

6) погрешность отклонения формы сигнала от гармонической, которая характеризуется величиной свободного от ПСС динамического диапазона.

Кроме того, при разработке ССЧ необходимо учитывать ряд технико-экономических и технологических параметров: диапазон допустимых изменений питающих напряжений, температуры, влажности, атмосферного давления, уровня радиации; стойкость и чувствительность по отношению к ударам и вибрациям; вероятность отказов аппаратуры; возможность дистанционного управления; потребляемая мощность; ремонтопригодность; массогабаритные показатели; цена; возможность приобретения и т.д.