Разработка частотно-модулированных синтезаторов с дополнительными каналами авторегулирования фазы и исследование частотных модуляционных характеристик

Актуальность темы

В современных радиотехнических системах передачи как аналоговой так и цифровой информации, в частности в системах подвижной радиосвязи ОВЧ и УВЧ диапазонов для формирования ЧМ-сигналов в передатчиках широко используются так называемые частотно-модулированные цифровые синтезаторы частот (ЧМЦСЧ), построенные на основе однокольцевой системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Вообще говоря синтезаторы частот на основе ИФАПЧ получили название цифровых (ЦСЧ) только благодаря наличию в них цифровой части, включающей делители частоты с фиксированным (ДФКД) и переменным (ДПКД) коэффициентами деления, а также импульсный частотно-фазовый детектор (ИЧФД). Такой ЦСЧ выполняется в виде микросхемы, имеющей входы со стороны опорного или управляемого опорного кварцевого генератора (ОКГ или УОКГ) и со стороны управляемого генератора (УГ), а также выход ИЧФД. Остальные узлы такого ЦСЧ в том числе и ЧМЦСЧ являются аналоговыми, в частности ОКГ, УОКГ, УГ, ФНЧ в цепи управления УГ.

При проектировании ЧМЦСЧ требуется обеспечить высокое быстродействие синтезатора, т. е. малое время переключения несущих частот. Требуется также обеспечить равномерную амплитудно-частотную модуляционную характеристику (АЧМХ) при воздействии полезного модулирующего сигнала для того, чтобы отсутствовали частотные искажения полезного ЧМ-сигнала, что особенно трудно реализовать при модуляции цифровым сигналом, имеющем, в отличие от аналогового модулирующего сигнала, спектр модулирующих частот FH. FB не (300.3400) Гц, а, как правило, FH. FB — (10.104) Гц. Кр оме того, требуется обеспечить малый уровень ПЧМ синтезатора, которая является следствием, во-первых воздействия помеховых модулирующих сигналов с частотами, попадающими в полосу пропускания ФНЧ в цепи управления, на модулирующие входы УГ и УОКГ, во-вторых — помехо-вой модуляции УГ по управляющему входу напряжением с частотами, кратными частоте сравнения ИЧФД. Что касается возможности обеспечения заданного быстродействия при равномерной АЧМХ при воздействии полезного модулирующего сигнала, то эту задачу в некотором смысле выполняет так называемая двухточечная модуляция ЧМ12, при которой полезный модулирующий сигнал подается на УГ и в опорный канал. В этом случае можно увеличить полосу пропускания ФНЧ в цепи управления и повысить быстродействие. Однако, при этом увеличится ПЧМ, вызванная вышеприведенными причинами.

В связи с этим актуальной является разработка схемотехнических решений ЧМЦСЧ с модуляцией ЧМ12, в которых осуществлялась бы такая автоматическая коррекция амплитудно-частотных модуляционных характеристик синтезаторов, определяющих уровень ПЧМ синтезаторов, вызванной вышеназванными причинами, которая свидетельствовала бы об ослаблении уровня ПЧМ. Исследования показывают, что такую задачу можно решить с помощью автокомпенсаторов ПЧМ, которые представляют собой дополнительные каналы авторегулирования фазы.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование синтезаторов частот с двухточечной угловой модуляцией, в которых с использованием дополнительных каналов авторегулирования фазы осуществляется коррекция амплитудно-частотных модуляционных характеристик, определяющая степень ослабления ПЧМ синтезаторов, вызванной действием помеховых модулирующих сигналов.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

1. Описание дополнительных каналов авторегулирования фазы в системе ФАПЧ для ослабления ПЧМ с целью определения возможности их использования для ослабления ПЧМ в ЧМЦСЧ с двухточечной угловой модуляцией.

2. Разработка структурных схем ЧМЦСЧ с двухточечной угловой модуляцией с дополнительными каналами авторегулирования фазы для ослабления ПЧМ синтезаторов в режиме двухточечной угловой модуляции.

3. Составление и преобразование эквивалентных схем ЧМЦСЧ и получение их передаточных модуляционных функций, отражающих реакцию синтезатора как на полезный, так и на по-меховые модулирующие напряжения.

4. Теоретический анализ амплитудно-частотных модуляционных характеристик в зависимости от параметров узлов синтезатора.

5. Экспериментальное исследование для подтверждения результатов теоретического исследования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории систем автоматического регулирования, систем автокомпенсации, методы теории устойчивости, методы математического анализа радиотехнических систем и устройств, в том числе операторный метод Лапласа, методы экспериментального исследования, а также компьютерные методы расчета с использованием программы Mathcad 7.0 для Windows 95 и выше.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Предложены два варианта структурных схем ЧМЦСЧ с двухточечной угловой модуляцией, в которых для автокомпенсации ПЧМ использованы дополнительные каналы авторегулирования фазы.

2. Для предложенной схемы ЧМЦСЧ с частотно.

1 г модулируемыми управляемым и опорным генераторами методом преобразования эквивалентных схем получены передаточные модуляционные функции (ПМФ), отражающие реакцию синтезатора как на полезное, так и на помеховые модулирующие напряжения.

3. Исследованы АЧМХ синтезатора, отражающие как уровень частотных искажений полезного ЧМ-сигнала, так и степень ослабления ПЧМ дополнительными каналами авторегулирования фазы.

4. Проведено экспериментальное исследование АЧМХ, которое подтвердило результаты теоретических исследований.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что результаты исследований позволяют разработчикам, во-первых, производить расчет АЧМХ проектируемых ЧМЦСЧ по полученным конкретным выражениям АЧМХ, характеризующим уровень частотных искажений при модуляции полезным сигналом, а также степень подавления ПЧМ, являющейся следствием воздействия помеховых модулирующих сигналов на модулирующие входы УГ и УОКГ, а также на управляющий вход УГ, во-вторых, практически использовать результаты расчета указанных характеристик для реализации заданных параметров предложенных вариантов схем ЧМЦСЧ, в-третьих, благодаря полученным новым схемным решениям, наиболее широко на практике использовать имеющуюся элементную базу интегральных микросхем ЦСЧ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в НИР Воронежского института МВД России, в отделе связи, спецтехники и автоматизации службы тыла ГУВД Воронежской области, а также в учебный процесс в Воронежском институте МВД России.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем» в 2005 г. (г. Воронеж) — на Всероссийской научно-практической конференции «Современные методы борьбы с преступностью» (радиотехнические науки) в 2005 г. (г. Воронеж) — на V Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь» в 2005 г. (г. Воронеж) — на научных семинарах Воронежского института МВД России в 2004, 2005 гг.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, включающих 4 статьи, 4 работы, опубликованные в материалах Всероссийских научных конференций, 2 патента на полезные модели РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 89 наименований и приложения, изложена на 141 странице машинописного текста, в которых приведены 56 рисунков и 5 таблиц.

4.4. Выводы.

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

1. Предложенные схемы ЧМЦСЧ с частотно-модулированными УГ и УОКГ 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. Экспериментально полученные АЧМХ подтверждают выводы теоретических исследований о преимуществе схемы с каналом автокомпенсации с регулировкой по отклонению перед схемой с отсутствием такового канала с точки зрения равномерности АЧМХ, а, следовательно, и неискаженной частотной модуляции выходного сигнала ЧМЦСЧ.

3. Экспериментально полученные АЧМХ, характеризующие реакцию синтезатора на паразитные воздействия модулирующего сигнала, вызванные действием дестабилизирующих факторов на узлы ЧМЦСЧ, также подтверждают выводы теоретических исследований о преимуществе схемы с каналом автокомпенсации с регулировкой по отклонению перед схемой с отсутствием такового канала с точки зрения получения меньшей ПЧМ выходного сигнала ЧМЦСЧ, при этом имеется возможность уменьшения величины ПЧМ за счет изменения параметров канала автокомпенсации.

4. Для возможности отслеживания паразитных фазовых приращений в ФМ, возникающих из-за действия дестабилизирующих факторов на элементы ФМ, необходимо дополнить структурную схему ЧМЦСЧ с внешним каналом компенсации фазы с регули.

V ровкой по возмущению дополнительным каналом с регулировкой по отклонению для компенсации ПФМ синтезатора. V У.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

1. Современные интегральные микросхемы ЦСЧ имеют объединенные в один блок ДФКД, ДПКД и ИЧФД, что делает невозможным реализацию с их помощью классических двухточечных компенсационного и автокомпенсационного методов модуляции, требующих введения ФМ между перечисленными выше элементами микросхемы.

2. Предложенные схемы построения синтезаторов делают возможным использование современных интегральных микросхем ЦСЧ при проектировании ЧМЦСЧ с дополнительными каналами автокомпенсации фазы, при этом происходит улучшение модуляционных характеристик синтезатора.

3. Несмотря на схожесть процессов модуляции, предложенная схема ЧМЦСЧ с управляемым опорным генератором имеет некоторые преимущества перед предложенной схемой с модуляцией ФМ в опорном канале с точки зрения простоты построения и отсутствия трудностей, связанных с выполнением идеального интегратора.

4. Наличие внутреннего и внешнего каналов автокомпенсации фазы в предложенных схемах позволяет обеспечить необходимый низкий уровень ПЧМ и ПФМ выходного сигнала, связанной не только с действием паразитной модуляции на модулирующие входы УОКГ и УГ, но и при действии регулярных помех, а также при паразитных фазовых приращениях в ФМ внешнего канала автокомпенсации.

5. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретического анализа и показали возможность практической реализации предложенных схем ЧМЦСЧ с управляемым опорным генератором, а также с модуляцией ФМ в опорном канале.