Компенсация искажений и помех в цифровых синтезаторах частот с частотно-модулированным управляемым генератором

Актуальность темы

В настоящее время в радиотехнических системах передачи как аналоговой, так и цифровой информации, в том числе в системах радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов в качестве диапазонных частотно-модулированных возбудителей широко используются цифровые синтезаторы частот (ЦСЧ) с частотно-модулированным управляемым генератором, которые в литературе часто называются частотно-модулированными цифровыми синтезаторами частот (ЧМЦСЧ). Такие ЧМ-синтезаторы строятся на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) и имеют цифровую часть, включающую в себя делители частоты с фиксированным и переменным коэффициентами деления (ДФКД) и (ДПКД), а также импульсно-фазовый детектор (ИФД), в качестве которых в настоящее время используется частотно-фазовый детектор (ЧФД), причем все эти узлы выполнены в виде микросхемы ЦСЧ, имеющей входы со стороны опорного кварцевого генератора (ОКГ) и управляемого генератора (УГ), а также выход ИФД. В то же время необходимо отметить, что, во-первых, в современных микросхемах ЦСЧ имеются выводы ДФКД и ДПКД, во-вторых, минимальные коэффициенты деления частоты этих делителей соответственно равны Ямш=15 NмIN=l3 следовательно, такие микросхемы можно отдельно использовать в качестве ДФКД и ДПКД. Остальные узлы такого ЧМЦСЧ являются аналоговыми, в том числе ОКГ, УГ и ФНЧ в цепи управления. В любом ЦСЧ необходимо обеспечить высокое быстродействие, т. е. малое время перестройки рабочих частот, а также малый уровень паразитной угловой модуляции. Эти требования предъявляются также и к ЧМЦСЧ. Однако к ним предъявляются также требования получения равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) в диапазоне частот модулирующего сигнала, под которой понимается зависимость девиации частоты выходного ЧМ-сигнала от частоты модулирующего сигнала при постоянной его амплитуде. Равномерность АЧМХ свидетельствует об отсутствии частотных искажений полезного ЧМ-сигнала и реализовать эту равномерность особенно трудно при модуляции УГ цифровым сигналом, имеющим спектр модулирующих частот, как правило, РН. РВ=10. 104 Гц.

В этом случае для выравнивания АЧМХ в области нижних модулирующих частот, т. е. для ослабления частотных искажений, предлагается использовать компенсационный метод модуляции с регулировкой по возмущению, заключающийся в том, что модулирующим сигналом косвенным методом модулируется также опорный сигнал с помощью импульсно-фазового модулятора (ФМ), включенного в опорный канал.

В то же время наличие регулируемого по фазе устройства (ФМ) в опорном канале делает его неавтономным, что может привести к паразитной угловой модуляции (ПУМ) УГ, проявляющейся вследствие воздействия помехи на опорный сигнал, приводящей к паразитным фазовым приращениям в сигнале на выходе ФМ. Такие помеховые сигналы могут возникнуть из-за пульсаций питающих напряжений, наличия паразитных связей между каскадами, наводок со стороны соседних радиостанций.

Кроме того, на опорный сигнал может действовать аддитивная помеха в виде фазового флуктуационного шума, который также вызовет ПУМ (ПФМ и ПЧМ) выходного сигнала ЧМ — синтезатора.

Исследования показывают, что для ослабления возникшей по этим причинам ПУМ выходного сигнала ЧМ — синтезатора эффективно использование компенсационного метода с регулировкой по отклонению, с помощью которого имеется возможность не только ослабить ПУМ выходного сигнала, но также дополнительно скорректировать АЧМХ синтезатора.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является сравнительный анализ методов компенсации частотных искажений и помех с регулировкой по возмущению и отклонению, а также исследованиХвопроса их совместного использования.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ частотных искажений в синтезаторе с частотно-модулированным УГ.

2. Описание структурных схем ЧМ-синтезаторов с компенсацией частотных искажений и помех, в том числе разработка структурной схемы с компенсацией искажений и помех с комбинированной регулировкой.

3. Составление эквивалентных операторных схем рассмотренных вариантов построения ЧМЦСЧ и получение передаточных модуляционных функций, отражающих реакцию синтезаторов на воздействие модулирующего сигнала на УГ, а также передаточных функций, отражающих реакцию синтезаторов на паразитное приращения фазы сигнала в опорном канале с выхода ФМ.

4. Получение условий устойчивости исследуемых схем для указанных режимов работы.

5. Анализ АЧМХ синтезаторов с компенсацией частотных искажений, а также АЧХ, определяющих компенсацию помех.

6. Экспериментальное исследование АЧМХ и АЧХ синтезаторов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа линейных радиотехнических цепей, в частности, операторный метод Лапласа, а также методы теории автоматического регулирования, теории устойчивости, схемотехнического макетирования и экспериментального исследования.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

1. Предложены варианты структурных схем синтезаторов с частотно-модулированными УГ, в которых предусмотрено ослабление частотных искажений методом их компенсации с комбинированной регулировкой по возмущению и отклонению, а также ослабление помех методом их компенсации с регулировкой по отклонению.

2. Получены передаточные модуляционные функции (ПМФ) рассмотренных схем синтезаторов, а также передаточные функции (ПФ), отражающие реакцию системы ИФАПЧ на паразитные приращения фазы сигнала с выхода ФМ.

3. Проведен анализ компенсации частотных искажений в синтезаторах по полученным АЧМХ, а также анализ компенсации помех по полученным АЧХ в зависимости от параметров узлов синтезаторов.

4. Осуществлено макетирование синтезаторов и экспериментально получены АЧМХ и АЧХ, совпадающие в пределах инженерной погрешности с теоретическими характеристиками.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что разработчики радиоаппаратуры, во-первых, получили новые схемотехнические решения улучшения таких характеристик ЧМЦСЧ, как АЧМХ, быстродействие, а также уровень ПУМ, во-вторых, они получили в явном виде расчетные выражения для АЧМХ и АЧХ, которые могут быть с успехом использованы при проектировании.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в НИР Воронежского института МВД России и внедрены в ОКР предпритий по проектированию синтезаторов. Кроме того, результаты работы внедрены в учебный процесс Воронежского института МВД России на кафедре телекоммуникационных систем в курсе «Устройства генерирования и формирования сигналов».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь», г. Воронеж, 2007 г.

2. Международной научно-практической конференции «Обеспечение общественной безопасности в Центральном федеральном округе Российской Федерации», г. Воронеж, 2008 г.

3. Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем», г. Воронеж, 2008 г.

На научных семинарах кафедры телекоммуникационных систем Воронежского института МВД России, 2007, 2008, 2009 г. г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в восьми печатных работах, в том числе в четырех статьях, трех материалах международных и всероссийских научных конференций, а также в патенте РФ на полезную модель.

В работах, выполненных в соавторстве, автором лично выполнено: в работе [1] предложен вариант структурной схемы частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с компенсацией и автокомпенсацией частотных искажений и помехв работе [2] получены передаточные модуляционные функции, отражающие реакцию синтезаторов на воздействие модулирующего сигнала на УГ и выполнен расчет амплитудно-частотных модуляционных характеристик частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с компенсацией частотных искаженийв работе [3] предложена методика экспериментального исследования цифровых синтезаторов частот с угловой модуляциейв работе [4] выполнены расчеты и получены оценки реакции частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот с компенсацией и автокомпенсацией частотных искажений на паразитные приращения фазы сигнала в опорном каналев работе [5] предложен подход к ослаблению частотных искажений и помех в синтезаторах частот с угловой модуляциейв работе [6] получены расчетные соотношения, на основе которых выполнен анализ частотных искажений в динамическом режиме угловой модуляции цифровых синтезаторов частотв работе [8] предложена схема синтезатора с компенсацией частотных искажений с регулировкой по возмущению при дополнительной косвенной частотной модуляции опорного сигнала с использованием импульсно-фазового модулятора.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения. Она изложена на 143 страницах машинописного текста, в котором приведены 61 рисунок и 5 таблиц.

4.3. Выводы.

На основе экспериментальных исследований, проведенных в этой главе, можно сделать следующие выводы:

1. Предложенные схемы ЧМЦСЧ с компенсацией и автокомпенсацией искажений с дополнительным ДЧ в опорном канале являются практически реализуемыми на основе современных интегральных микросхем ЦСЧ, имеющих объединенные в один блок ДФКД, ДПКД и ИФД, а, следовательно, позволяют в большей степени использовать современную элементную базу, что ведет к уменьшению габаритов ЧМЦСЧ без ухудшения его технических характеристик.

2. Дополнительный ДЧ в опорном канале для предложенных схем ЧМЦСЧ возможно реализовать на основе дополнительной интегральной микросхемы ЦСЧ, используя имеющийся в ней ДФКД, при этом управление этой дополнительной микросхемой будет производиться по тем же каналам и от того же контроллера, что и управление основной микросхемой.

3. Экспериментально полученные АЧМХ подтверждают выводы теоретических исследований о некотором преимуществе компенсационнного метода модуляции ЧМ12 над автокомпенсационным методом ЧМ1АК с точки зрения равномерности АЧМХ, а, следовательно, и неискаженной частотной модуляции выходного сигнала ЧМЦСЧ.

4. Экспериментально полученные АЧХ, характеризующие реакцию системы ИФАПЧ на паразитные воздействия, вызванные.

Рис. 4.15. Графики АЧХ системы ИФАПЧ синтезатора действием дестабилизирующих факторов на узлы ЧМЦСЧ, подтверждают выводы теоретических исследований о преимуществе автокомпенсационного метода модуляции ЧМ1АК над компенсационным методом модуляции ЧМ12 с точки зрения получения меньшей ПЧМ выходного сигнала ЧМЦСЧ, при этом имеется возможность уменьшения величины ПЧМ за счет изменения параметров канала автокомпенсации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых изложены в диссертационной работе, можно сделать ряд обобщающих выводов и рекомендаций:

1. С использованием современных интегральных микросхем ЦСЧ, включающих в себя объединенные в один блок ДФКД, ДПКД и ИФД, возможна реализация двухточечных компенсационного и автокомпенсационного методов модуляции.

2. Эта реализация возможна при использовании дополнительного ДЧ в опорном канале в качестве которого может быть использован ДФКД микросхемы ЦСЧ, при этом можно добиться оптимальных динамических и модуляционных характеристик синтезатора.

3. Схема ЧМЦСЧ с компенсацией искажений методом двухточечной модуляции имеет некоторые преимущества перед автокомпенсационным методом модуляции с точки зрения равномерности АЧМХ в области нижних модулирующих частот, а, следовательно, и неискаженной модуляции выходного сигнала.

4. Схема ЧМЦСЧ с автокомпенсацией искажений методом двухточечной модуляции обеспечивает значительно меньший уровень ПЧМ выходного сигнала ЧМЦСЧ, вызванной действием дестабилизирующих факторов на узлы синтезатора, по сравнению с компенсационным двухточечным методом модуляции ЧМ12.

5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретического анализа и показали возможность практической реализации предложенных схем ЧМЦСЧ с компенсационным и автокомпенсационным методами модуляции с дополнительным ДЧ в опорном канале, а также некоторые преимущества компенсационного метода модуляции перед автокомпенсационным с точки зрения равномерности АЧМХ, но в то же время преимущества автокомпенсационного метода с точки зрения ослабления ПЧМ, вызванной действием дестабилизирующих факторов на ФМ и ОКГ.

6. Схема ЧМЦСЧ с комбинированным управлением сглаживает недостатки схем с компенсацией и автокомпенсацией искажений и помех, поэтому является оптимальной сточки зрения ослабления частотных искажений и помех в синтезаторах с частотно-модулированным управляемым генератором.