4. Синтезаторы сетки частот, назначение, характеристики.

Синтезом частот называют процесс получения одного (рис. 1, а) или нескольких (рис. 1, б) колебаний с нужными номинальными значениями частоты изконечного числа исходных колебаний путем преобразования частот, т. е. с помощьютаких операций над колебаниями, при которых происходит сложение, вычитаниечастот и (или) умножение и деление их на рациональные числа.

Комплекс устройств,осуществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот. Если система синтеза частот выполнена в виде конструктивно самостоятельного устройства, то ее называют синтезатором частот. Колебания, являющиеся исходными в процессе синтеза частот, получают от высокостабильных источников, которые называют опорными генераторами (ОГ1, ОГ2,..., ОГn на рис. 1). Частоты колебаний этих генераторов (f01,f01, Е, f0n опорными частотами, точнее, первичными опорными частотами.

В последние годы теория синтеза частот выделилась по существу, в самостоятельную научную дисциплину. Ее предметом являются системы (синтеза частот - устройства, которые позволяют получать колебания с любой из некоторого множества дискретных частот или одновременно несколько таких колебаний с разными частотами при точности и стабильности частоты, определяемыми одним опорным генератором. В технике синтеза частот находят применение новейшие достижения радиоэлектроники: полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, параметрические системы, микропроцессоры, ЭВМ, атомные стандарты частоты и т.д.

Современные системы синтеза частот работают в диапазоне от долей герц до десятков гигагерц. Они используются в аппаратуре различного назначения, заменяя в ней простые автогенераторы. Такая замена дает следующие преимущества:

1. Существенно повышается точность настройки и стабильность частоты в условиях эксплуатации, когда возможны вибрация и удары, изменения давления, влажности, температуры, напряжений источников питания и т. д.

2. Упрощается процесс настройки, так как шкальное устройство заменяется группой переключателей.

3. Появляется возможность изменять частоту по заданной программе, причем дистанционно и со скоростью, принципиально недостижимой при использовании обычных автогенераторов.

4. Сокращается число операций по коррекции частоты, когда в ней возникает надобность в следствие старения деталей или по другой причине: простой перестраиваемый автогенератор требует коррекции в нескольких точках его диапазона, при использовании же одноопорной системы синтеза подлежит коррекции только частота опорного генератора, да и надобность в такой коррекции возникает несравненно реже.

5. Открываются новые возможности формирования радиосигналов. Например, удается без потери стабильности частоты получать частотно-манипулированные колебания.

6. Отпадает надобность в большом числе прецизионных элементов - (вариометров, переменных конденсаторов, шкальных устройств, - изготовление которых требует высококвалифицированного персонала. Сами системы когерентного синтеза частот вообще не содержат прецизионных элементов, а изготавливаются в основном из стандартных комплектующих изделий. Прецизионным должен быть лишь кварцевый резонатор опорного генератора. В настоящее время эти резонаторы стандартизируются и их массовое производство обеспечивают специализированные предприятия.

7. Упрощаются регулировка и налаживание аппаратуры; современные цифровые системы синтеза, построенные из исправных деталей и смонтированные без ошибок, вообще ненуждаются в регулировке и налаживании.

8. Улучшается отношение сигнал/шум на выходе радиотракта вследствие снижения уровня тех паразитных составляющих спектра возбудителя передатчика и гетеродинов приемника, частоты которых лежат вблизи номинальных частот колебаний этих устройств и, следовательно, не подавляются избирательными элементами.

9. Становится возможной широкая унификация узлов частото-задающих устройств аппаратуры различного назначения, так как системы синтеза частот, даже работающие в различных диапазонах, поддаются унификации иго структурным схемам и отдельным составным частям.

10. Заметно(повышается надежность аппаратуры, однако лишь при высокой культуре производства систем синтеза.

Синтезаторы сетки стабильныхчастот находят широкое применение в массовой радиотехнической аппаратуре связии в бытовой технике для обеспечения работы систем с частотным разделением каналов, для формирования опорных колебаний приемо-передающей аппаратуры на нужных частотах при помощи недорогих серийных интегральных схем.

Серийно выпускается широкая номенклатура интегральных микросхем, использующихся для синтеза сетки частот.

Они различаются:

количеством дискретов цифрового управления выходной частотой;

шагом сетки частот и временем перехода на другую частоту сетки;

возможностями управления амплитудой и фазой выходного сигнала;

наличием одного, двух или четырех выходных колебаний, сдвинутых соответственно на 90°, 180° и 270° относительно основного;

использованием встроенного синтезатора отсчетов гармонического сигнала с заданной разрядностью или сопряжением с дополнительной микросхемой генератора, управляемого напряжением по частоте ГУН;

уровнем собственных шумовых и дискретных компонент фазового спектра выходного колебания при разных отстройках от несущей частоты;

возможностями формирования в этом жекристалле колебаний с тем или иным видом модуляции или манипуляции параметровколебания со стабильной средней частотой;

массогабаритными показателями, шагом расположения выводов микросхемы, устойчивостью к климатическим, механическим и электромагнитным внешним воздействиям, уровнем и режимом электропотребления и др.

К устройствам, в которых в настоящее время уже широко применяют системы синтеза частот, относятся следующие: возбудители передатчиков и гетеродины приемников, предназначенных для радиосвязи и работающих во всех диапазонах частот, в том числе передатчикови приемников радиорелейных линий, линий тропосферного рассеяния и систем космической связи; возбудители передатчиков и гетеродины приемников радиолокационных станций; многоканальные системы дальней проводной связи; измерительные устройства - сигнал-генераторы, анализаторы спектра, хронометры и др.; телеметрические устройства; приборы для физических исследований.

Все многообразие известных к настоящему времени схем синтеза частот принято подразделять на системы прямого и косвенного типа. Основное их различие в том, что в СЧ прямого типа выходной сигнал образуется в результате использования таких преобразований сигналов, при которых происходит алгебраическое сложение, умножение или деление частот. В СЧ косвенного типа для получения выходного сигнала используются системы автоподстройки частоты (фазовой - ФАПЧ, или совместно частотной - ЧАП и фазовой, поскольку использование одной системы ЧАП не позволит обеспечить когерентное преобразование сигналов). Многие из известных схем СЧ используют одновременно оба принципа синтеза частот и классифицируются как комбинированные СЧ.

Особое место в технике синтеза частот занимает получающая все более широкое развитие в последние годы такая разновидность СЧ прямого типа, как цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).

К достоинствам схем прямого синтеза следует отнести возможность реализации высокого и сверхвысокого быстродействия. Время переключения при перестройке на любую из частот может быть доведено до величин порядка наносекунд при практически сколь угодно малом Fш. В то же время к недостаткам таких СЧ следует отнести трудности с обеспечением заданной спектральной чистоты выходного сигнала (из-за наличия большого количества побочных спектральных компонент, вызванных многочисленными нелинейными преобразованиями сигналов), требующие использования сложных вреализации и настройке схем фильтрации, не поддающихся, как правило, микроминиатюризации.

В системах косвенного типа требуемые качественные показатели выходного сигнала достигаются сравнительно легко (так как выходной сигнал снимается непосредственно с перестраиваемого по частоте автогенератора без дальнейших нелинейных преобразований), но в то же время из-за необходимости учета переходных процессов в кольцах автоподстройки частоты, предельное быстродействие таких СЧ ниже, чем в СЧ прямого типа (особенно при необходимости получения малого значения Fш). Кроме того, достоинством таких систем является простота реализации, высокая надежность, возможность комплексной микроминиатюризации (в настоящее время все узлы таких СЧ, кроме перестраиваемого генератора, кварцевого резонатора и фильтра петли ФАПЧ могут быть реализованы в виде специализированной БИС).

Перечисленные преимущества систем косвенного синтеза обусловили их широкое применение в устройствах связи и радиовещания метрового, дециметрового и более высокочастотных диапазонов, где величина шага сетки частот обычно не менее нескольких кГц, требования по быстродействию СЧ не очень жесткие (tп обычно не менее долей миллисекунды), и в то же время предъявляются повышенные требования к качеству спектра выходного сигнала, надежности работы, необходимости обеспечения приемлемых массогабаритных параметров (как, например, в системах низовой радиосвязи).

Основными параметрами синтезатора являются: диапазон частот выходного сигнала, количество N и шаг сетки частот, долговременная и кратковременная нестабильность частоты, уровень побочных составляющих в выходном сигнале и время перехода с одной частоты на другую. В современных синтезаторах число формируемых им дискретных частот может достигать десятков тысяч, а шаг сетки изменяться от десятков герц до десятков и сотен килогерц. Долговременная нестабильность частоты, определяемая кварцевым автогенератором, составляет 10–6, а в специальных случаях - 10–8…10–9. Диапазон частот синтезатора меняется в больших пределах в зависимости от назначения аппаратуры, в которой он используется. На первой стадии развития синтезатор частот состоял из большого числа кварцевых автогенераторов, с помощью которых путем суммирования и умножения частот сигналов с их дальнейшей фильтрацией удавалось создать определенную сетку частот. В настоящее время один из основных способов построения синтезатора основывается на применении схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты и элементов вычислительной техники.