Синтезаторы стабильных частот с системой фапч

СИНТЕЗАТОРЫ СТАБИЛЬНЫХ ЧАСТОТ НА ОСНОВЕ ФИЛЬТРАЦИИ СОСТАВЛЯЮЩИХ

Сигналы почти гармонической формы с нужными значениями частоты при высоких требованиях к погрешности ее номинала и к фазовой стабильности необходимы в большинстве радиотехнических систем. Однако стремление к управляемости значением текущей частоты повышает уровень погрешностей по частоте и фазе. В устройствах типа ЦВС, рассмотренных в гл. 4, это противоречие разрешается тем, что используется высокостабильный источник тактовой частоты и цифровая организация формирования гармонического сигнала с необходимой разрядностью по времени и ординатам. Такие синтезаторы имеют заметные ограничения по наибольшей несущей частоте и скорости ее изменения, связанные с необходимостью последовательного выполнения ряда цифровых операций. Создание быстродействующих синтезаторов сигналов диапазона сверхвысоких частот возможно лишь с использованием аналоговых генераторов гармонических колебаний, аналоговых схем частотной фильтрации и цифровых средств переключения установившихся значений частот из дискретной сетки.

Аналого-цифровые технические решения также сталкиваются с трудностями преодоления противоречий между стабильностью и управляемостью, между шириной диапазона изменения частоты и величиной погрешностей реализации желаемых динамических свойств, между величиной шага по частоте и длительностью процесса перехода с одной частоты сетки на другую. Для достижения компромиссных решений разработаны варианты синтезаторов стабильных частот, использующие выделение нужной частотной составляющей из спектра одновременно существующих спектральных компонент. Однако в пассивных частотных фильтрах снижение уровня подавления близко расположенных к выделяемой мешающих спектральных компонентов ограничивает возможности использования малого шага дискретных частот.

Один из наиболее эффективных путей преодоления указанного противоречия состоит в использовании системы фазовой автоматической подстройки частоты управляемого генератора, в которой для улучшения фильтрации мешающих компонентов на радиочастотах используется фильтр нижних частот. В синтезаторах частот с ФАПЧ стабильность фазы выходного колебания определяется свойствами эталонного опорного колебания, а возможность изменения среднего значения выходной частоты обеспечивается использованием управляемых цифровых делителей частоты либо в кольце обратной связи, либо в цепи формирования частоты опорного сигнала. Это позволяет за счет мелкого шага сетки обеспечить нужный номинал выходной частоты, а высоким фильтрующим свойствам системы ФАПЧ — сохранить фазовую стабильность, близкую к эталонной.

Как отмечалось в подразд. 4.1, различают пассивные и активные схемы синтеза частот. Структурная схема пассивного ССЧ, построенного на основе фильтрации частотных компонентов преобразователей частоты, представлена на рис. 5.1. Частота выходного сигнала/связана с частотой опорного (эталонного) генератора дробно-рациональным соотношением.

Значения коэффициентов умножения и деления частоты Х_ь Х_ъ Z, У, У₂ выбираются так, чтобы можно было фиксированное значение опорной частоты^ преобразовать в требуемое значение /с достаточно малой погрешностью. Однако допустимая погрешность часто оказывается слишком малой величиной, так что при небольших целых значениях коэффициентов умножения частоты, высоком требуемом уровне подавления ближайших мешающих паразитных спектральных составляющих в смесителях и технически реализуемой величине спада АЧХ фильтров за пределами полосы пропускания простейшие схемы пассивных ССЧ не удовлетворяют техническим требованиям. Поэтому разработаны более сложные структурные схемы ССЧ, в которых за счет увеличения числа узлов умножения, деления и преобразования частоты можно получить при указанных ограничениях сколь угодно точное.

Рис. 5.1. Структурная схема пассивного ССЧ:

ОГ — опорный (эталонный) генератор колебаний с частотой /,; хХ_ь хХ₂, xZ, — умножители частоты; :У, :У₂ — делитель частоты

приближение к желаемому соотношению выходной и опорной частот:

Если, например,/_э= 1 МГц, т = 3, Х_х = Х₂ = Z, = Z^ - 5, Г, = У₂ = = 1, К₃= 2, a Z₃ может принимать значения 20, 21, 22,…, 29, то выходная частота будет изменяться от/_н= 1250 МГц до/_в= 1812,5 МГц с шагом Д/ = 62,5 МГц. Для образования сетки дискретных частот в пассивных ССЧ нужно предусматривать ручное или цифровое переключение кратности в умножителях и делителях частоты и соответствующую перестройку частотного фильтра, что технологически затруднительно. Поэтому ССЧ такого вида используются в так называемых схемах переноса стабильности, функционирующих с фиксированным значением выходной частоты, В схеме, представленной на рис. 5.2 генератор гармоник (ГГ) из непрерывного колебания с частотой /_э формирует последовательность коротких видеоимпульсов или радиоимпульсов с частотой повторения /_э. Спектр его выходного сигнала содержит набор дискретных компонентов с частотами /" = л/_э, п = 1, 2,… Если длительность т видеоимпульсов в Q раз меньше, чем период их следования 1//_э, то амплитуды спектральных компонентов, которые изменяются по закону уменьшаются не более чем в 2 раза для п = Q/5. Например, выбрав Q = 100, получим не менее 20 дискретных гармоник частоты/₀ заметной амплитуды.

Если в выходной цепи узла ГГ включить резонансный контур с ударным возбуждением, настроенный примерно на частоту т-й гармоники входного сигнала, то формируется последовательность радиоимпульсов с одинаковой начальной фазой высокочастотного заполнения в каждом радиоимпульсе. Огибающая спектра выходной последовательности полученных когерентных радиоимпульсов максимальна для п = m и слабо изменяется для значений кратности (m — Q/5) < п < (т + Q/5). В отличие от спектра колебаний автогенератора с внешней импульсной модуляцией спектральные компоненты выходного сигнала такого радиоимпульсного умно;

Рис. 5.2. Схема синтезатора сетки частот на основе генератора гармоник и полосового фильтра жителя частоты в точности кратны их частоте повторения^. В то же время эффективность преобразования мощности источника входной частоты в мощность сетки частотных компонентов в выбранной полосе частот значительно увеличивается. Выходная частота ССЧ (см. рис. 5.2) кратна опорной (эталонной) частоте:

Выходное колебание ГГ содержит в качестве паразитного фактора модуляцию амплитуды с частотой входного сигнала /_э. Возможности получения немодулированного гармонического колебания с высокой кратностью умножения в такой схеме ограничены возможным уровнем фильтрации нужной компоненты от соседних.

Использование вспомогательного плавно перестраиваемого генератора (ПГ) и двойного преобразования частоты позволяет улучшить фильтрацию. В схеме, представленной на рис. 5.3, использован технический прием преобразования вниз в смесителе См1 всей полосы с сеткой дискретных частот на промежуточную частоту f = Nfj — /_г, частотной фильтрации одной компоненты в полосовом фильтре ПФ1 и восстановления высокой несущей частоты во втором преобразователе частоты вверх на смесителе См2. На пониженной промежуточной частоте облегчается выполнение требований к фильтрации ПСС. Ширина Д, полосы пропускания ПФ1 выбирается меньшей, чем шаг сетки/_0> поэтому на его выходе См2 оказываются колебания преимущественно только одной из частот этой сетки, номер N которой определяется настройкой ПГ. Таким образом, перестройка ССЧ с одной выходной частоты на другую производится только изменением частоты ПГ. На выходе второго преобразователя частоты выделяется боковая полоса, содержащая колебания с частотой NJ.причем фаза вспомогательного генератора полностью вычитается.

Пусть, например, /_э= 1 МГц, ПГ перестраивается в пределах.

30…60 МГц, фильтр ПФ1 выделяет полосу частот Д| = (5 ± ±0,1) МГц, а генератор гармоник формирует радиоимпульсы со средней частотой 40 МГц, длительностью 30 нс и периодом повторения 1 мкс. Тогда в зависимости от настройки ПГ на выходе.

Рис. 5.3. Структурная схема синтезатора сетки частот с вычитанием (компенсацией) ошибки плавного генератора

получаем гармонические колебания с дискретными значениями частоты от 25 до 55 МГц с шагом 1 МГц.

Достоинством схемы ССЧ с вычитанием ошибки ПГ является удобный способ перехода от одной частоты к другой путем изменения аналогового управляющего напряжения ПГ. Ее недостатки связаны с низкой энергетической эффективностью генератора гармоник, ограничениями на скорость перестройки и со сложностью настройки фильтра ПФ1 при густой сетке частот. При учете группового запаздывания модулированного колебания в фильтре ПФ1 оказывается, что полностью вычитаются только статические компоненты спектра колебаний ПГ. Медленный дрейф выходной фазы колебания ПГ от влияния климатических и механических воздействий и спектр фазовых нестабильностей компенсируются не полностью, поэтому необходимы дополнительные меры, например включение на нижнем по схеме входе смесителя См2 дополнительной линии задержки, компенсирующей запаздывание в фильтре ПФ1.

Более высокого качества фильтрации одного гармонического колебания из сетки одновременно генерируемых частот можно добиться за счет использования системы фазовой автоматической подстройки частоты. На рис. 5.4 показана структурная схема ССЧ с фильтрацией одной частоты из сетки при помощи системы ФАПЧ. В этой схеме частота колебаний ГУН устанавливается равной частоте одной дискретной компоненты сетки частот ГГ, а остальные ослабляются и играют роль внутренних помех в системе ФАПЧ. Для перехода на другую частоту сетки необходимо изменить величину напряжения на втором входе Сум, чтобы исходная частота ГУН стала близкой к другой частоте сетки. В результате переходного процесса в кольце ФАПЧ установится синхронизм на другой частоте, удовлетворяющей соотношению (5.1).

Наиболее перспективной является базовая схема ССЧ с ФАПЧ и двумя целочисленными делителями частоты, представленная на рис. 5.5. В этой схеме между ОГ и опорным входом фазового дискриминатора вместо ГГ включен делитель частоты ч-Л/, коэффициент деления в котором может составлять М — 1, 2, 3,…, а между.

Рис. 5.4. Структурная схема ССЧ с фильтрацией одной частоты из сетки при помощи системы ФАПЧ

Рис. 5.5. Базовая схема синтезатора стабильных частот с ФАПЧ и двумя целочисленными делителями частоты.

выходом ГУН и входом подстраиваемого сигнала дискриминатора Д включен делитель частоты ч-N, коэффициент деления в котором N = 1, 2, 3,… Частота f_cp сравнения фаз в дискриминаторе в М раз ниже, чем частота опорного генератора /_ср = /_Э/Л/. Выходное напряжение дискриминатора e_a(t) через цепь обратной связи с фильтром ФНЧ поступает на вход управления частотой ГУН e_y(t) в виде суммы напряжения обратной связи e (t) и модулирующего сигнала E (t). При формировании немодулированного гармонического колебания ?(/) = 0, причем в синхронном режиме напряжение обратной связи постоянно (е = const) и выходная частота ГУН связана с опорной соотношением.

Значения М и N изменяются кодом в широких пределах, что дает возможность обеспечить нужную погрешность установки частоты.

Основной задачей формирования сигналов, решаемой с помощью системы ФАПЧ, является достижение прецизионной стабильности центральной частоты колебаний управляемого по частоте ГУН в условиях воздействия внешних помех, создающих ПОФ опорного сигнала v (/) и внутренних дестабилизирующих факторов, создающих при разомкнутой цепи обратной связи паразитные отклонения фазы подстраиваемого генератора. Суммируя на входе ГУН модулирующие воздействия ?_мод(/) с напряжением управления е_у(/), можно реализовать на основе ФАПЧ частотную или фазовую модуляцию колебаний ГУН при сохранении высокой стабильности его центральной частоты, определяемой стабильностью частоты внешнего эталонного сигнала. Помимо указанных типовых задач системы ФАПЧ находят самые разнообразные применения других приложениях. Например, на основе ФАПЧ строят высокостабильные возбудители передатчиков с дискретным множеством частот; ее используют в системах выделения несущей для синхронного и корреляционного приема, системах телеметрии, для формирования сложных сигналов с угловой модуляцией и т. д. В любом телевизионном приемнике имеется блок синхронизации частот кадровой и строчной разверток, реализуемый схемой ФАПЧ. В последнее время появился интерес к использованию принципа обратной связи по сигналу фазового дискриминатора для формирования квазигармонических колебаний с хаотическим законом изменения фазы для целей построения систем скрытной связи.