текст лекций / 30. Синтезаторы частоты

Синтезаторы частоты.

Синтезатором колебаний называется процесс формирования дискретной сетки частот с определённым шагом в заданном диапазоне из колебания одной или нескольких частот, вырабатываемых генераторами. С этой целью частоты генераторов могут подвергаться умножению, делению и суммированию.

К основным параметрам, характеризующим качество синтезатора частоты, относятся:

1. Чистота спектра выходного сигнала (уровень побочных компонентов и уровень шума);

2. Диапазон перестройки (полоса частот выходного сигнала);

3. Скорость перестройки;

4. Частотное разрешение;

5. Количество генерируемых частот;

6. Гибкость (возможность осуществления различных видов модуляции);

7. Неразрывность фазы выходного сигнала при перестройке.

Существуют синтезаторы, основанные на прямом и косвенном методах синтеза частот.

Схема прямого синтеза

Этот метод синтеза называют прямым, потому что в нем отсутствует процесс коррекции ошибки. Следовательно, качество выходного сигнала напрямую связано с качеством опорного сигнала. Фазовый шум такого синтезатора достаточно низок вследствие прямого синтеза. Перестройка по частоте может быть очень быстрой.

Этот метод синтеза использует принцип сравнения частоты и фазы выходного сигнала, формируемого генератором, управляемым напряжением, с сигналом опорного генератора.

Одной из важных особенностей DAS-синтезатора на основе смесителя/фильтра является возможность вернуться на любую частоту и продолжать работать в той же фазе, как если бы перехода не было вообще. Этот эффект называют «фазовой памятью». Для перестройки по частоте используется переключаемый банк опорных генераторов. Это удобно, например, для радиостанций с небольшим количеством каналов. Но для перекрытия широкого диапазона частот потребуется большое количество опорных генераторов, что является весьма дорогостоящим решением. Используя делители частоты, имеющие структуру смеситель/фильтр/делитель, можно уменьшить количество необходимых опорных генераторов, хотя и в этом случае возможности перестройки останутся более чем скромными.

Достоинствами прямого синтеза относится высокое быстродействие при малом шаге сетки частот, но из-за необходимости фильтрации большого количества спектральных компонент, вызванных многочисленными нелинейными преобразованиями сигнала, в СВЧ схемах устройства прямого синтеза применяются редко.

Прямой метод синтеза состоит в выполнении рассмотренных арифметических операций с частотами колебаний опорных генераторов. В наземных радиостанциях УКВ диапазона “Щегол” и “Спрут”, которые унифицированы с самолётной радиостанцией “Ландыш”, прямой синтез осуществляется схемой, выполненной по способу суммирования частот трёх опорных генераторов. Каждый из опорных генераторов, входящих в состав синтезатора, вырабатывает колебания одной из ряда частот, определяемых параметрами сменного кварца.

Так, в генераторе грубой сетки (ГГрС) используется n=9 сменных кварцев. Генерируемые им колебания частоты f_г образуют сетку с шагом Δf_г = 2 МГц в диапазоне 92,79÷108,79 МГц. Генератор средней сетки (ГСС) содержит m=20 сменных кварцев и формирует частоты с интервалом Δf_c = 0,1 МГц в диапазоне 2 МГц от 10,205 до 12,105 МГц.

Схемы косвенного синтеза

Для синтеза сверхвысоких частот обычно применяют синтезаторы косвенного типа, или синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Существует два основных типа интегральных синтезаторов с ФАПЧ – программируемые, значения частоты в которых задается внешним микроконтроллером по трехпроводной шине, и непрограммируемые, где коэффициенты деления внутренних делителей частоты фиксированы, а опорная частота задается внешним кварцевым резонатором.

Метод косвенного синтеза заключается в формировании колебаний рабочих частот путём выполнения арифметических операций. В процессе формирования помимо опорных участвуют вспомогательные генераторы. По этому способу строятся синтезаторы компенсационного типа и с автоподстройкой частоты.

Рассмотрим схему синтезатора компенсационного типа. С помощью опорного генератора (ОГ) и умножителя в ней формируется сетка колебаний опорных частот nf₀. Однако настройка полосового фильтра (ПФ₁) на какую-либо частоту сетки не позволяет полностью отделить колебание этой частоты от остальных вследствие недостаточной избирательности фильтра.

Задача частотной селекции здесь может быть решена, как в супергетеродинном приёмнике. Для этого используется преобразователь частоты, состоящий из смесителя (СМ₁) и вспомогательного генератора (ВГ), и фильтр сосредоточенной селекции (ФСС).

Таким образом, в синтезаторе компенсационного типа применение вспомогательного генератора с плавной настройкой обеспечивает выделение колебания любой из частот дискретной сетки, формируемой с помощью опорного генератора и умножителя частоты.

В синтезаторе с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) смешиваются колебания опорного (ОГ) и управляемого (УГ) генераторов.

Таким образом, схема косвенного синтеза обеспечивает кварцевую стабилизацию множества дискретных значений частот излучаемых колебаний с помощью одного кварцевого генератора.

Схема косвенного синтеза частот используется также в радиостанции «Ядро», где она дополняет схему прямого синтеза и позволяет расширить диапазон стабилизируемых значений частоты.

Применение делителя частоты (ДЧ) в системе с ФАПЧ используется для изменения в K раз частоты колебаний, вырабатываемых управляемым генератором (УГ). К фазовому детектору подводятся колебания с частотами f₀ и f_у/K. Автоподстройка частоты управляемого генератора позволяет достичь их выравнивания f₀ = f_у/K. Из этого следует, что частота УГ приобретает значение f_у = Kf_0. Таким образом, применение делителя частоты в кольце с фазовой автоподстройкой эквивалентно умножению частоты управляемого генератора, которая используется в качестве рабочей частоты синтезатора.

Аналогичные процессы происходят в синтезаторе с фазово-импульсной автоподстройкой частоты ФИАПЧ. В отличие от предыдущей системы используемые здесь ограничители амплитуды преобразуют гармонические колебания спорного и управляемого генераторов в последовательности прямоугольных импульсов с периодами T₀ = 1/f₀ и T_у = 1/f_У. Это позволяет применить в качестве делителя частоты счётчик импульсов, выполненный на цифровых элементах, достоинством которого является возможность достижения практически любого коэффициента деления путём изменения числа счётных ячеек.

Для автоподстройки частоты управляемого генератора используется детектор, напряжение на выходе которого пропорционально разности фаз подведённых импульсов, вследствие чего он носит название фазо-импульсного детектора (ФИД). Действие автоподстройки приводит к выравниванию периодов T₀ = KT_у, что эквивалентно умножению частоты управляемого генератора, вытекающему из соотношения 1/f₀ = K/f_у,

т.е. f_У = Kf₀.

5