Зачем нужен синтезатор частоты

Цифровые синтезаторы частот

Широкое применение в различных областях радиотехники находят цифровые способы обработки сигналов. Соответственно лет 20 – 25 тому назад стали применяться так называемые цифровые синтезаторы частот. Существуют разные принципы формирования частот с использованием цифровых методов. Соответственно им цифровые синтезаторы могут быть построены по методу прямого синтеза или по методу анализа частот. Более широкое применение получили синтезаторы, работающие по методу анализа частот («непрямые синтезаторы»), позволяющие максимально использовать элементы цифровой схемотехники. Обычно их и называютцифровыми синтезаторами частот. По сравнению с другими типами синтезаторовцифровые синтезаторы частотимеют значительные преимущества по габаритным размерам, технологичности и надёжности.

По своей идее формирования стабильных частот цифровые синтезаторы подобны нецифровым. Вцифровых синтезаторах частотиспользуются импульсно-фазовые детекторы и делители частоты на специальных импульсных микросхемах, позволяющих реализовать делители частоты с большим как постоянным, так и переменным коэффициентом деления. Рассмотренные ранеедекадные синтезаторы частот, в которых также используются импульсно-фазовые детекторы, можно считать прообразомцифровых синтезаторов частот.

Одна из возможных структурных схем цифрового синтезатора частот, работающего по методу анализа, представлена на рис.23.15.

Сигнал стабильной частоты f_ОГс опорного генератора (ОГ) поступает на делитель частоты с постоянным коэффициентом деления К₁. Сигнал АГ выходной частотыf_АГпоступает на управляемый внешним сигналом делитель с переменным коэффициентом деления частоты (ДПКД) К_Д. В импульсно-фазовом детекторе (ИФД) происходит сравнение частот с выходов делителей частоты и с помощью ФАП обеспечивается их равенство (при расхождении частот появляется сигнал ошибки, который поступает через фильтр нижних частот (ФНЧ) и управляющий элемент (УЭ) на АГ и приводит его частоту к нужному значению). Следовательно, в схеме обеспечивается равенство частот

Соответственно рабочая частота на выходе синтезатора

Так как коэффициенты деления частоты К₁и К_Дявляются целыми числами, при этом К_ДДПКД может изменяться дискретно на 1, то получаемый шаг сетки частот в схеме равен

При высокой частоте f_АГ, на которую нет соответствующей микросхемы, позволяющей реализовать ДПКД, синтезатор может быть построен по схеме рис.23.16.

В схеме (рис.23.16) частота f_АГпредварительно понижается с помощью делителя частоты с постоянным коэффициентом деления К до значения рабочей частоты ДПКД. Далее всё как в схеме рис.23.15. Соответственно частота выходных колебаний оказывается равной

Шаг получаемой сетки частот

Синтезаторы частот на основе квантовых стандартов частоты

Во многих специальных системах, например, системах синхронного вещания, ряде систем космической связи требуемая стабильность частоты рабочих колебаний выше, чем может быть получена в рассмотренных схемах синтезаторов частот с использованием кварцевой стабилизации частоты. В рассмотренных схемах синтезаторов стабильность частоты выходных колебаний не может быть получена выше стабильности частоты КАГ опорного генератора.

Более высокая стабильность частоты обеспечивается в синтезаторах с использованием в качестве опорного генератора квантового стандарта частоты. Современные квантовые стандарты частоты (КС) обладают предельно малой нестабильностью частоты – порядка 10 -10 …10 -12 , поэтому их применение в качестве опорных эталонных генераторов в синтезаторах частоты чрезвычайно перспективно. Строятся такие синтезаторы с использованием некоторых рассмотренных ранее принципов.

Выходная мощность КС обычно не превышает 10 -10 Вт, а частота колебаний около 10 и выше ГГц. 11 Для использования колебаний КС в диапазоне единиц – сотен МГц нужны устройства, преобразующие частоту КС в более низкую без потери стабильности, но с увеличением мощности колебаний. Поэтому синтезаторы частоты с использованием КС называютсхемами переноса стабильности частоты КС.

На рис.23.17 представлена схемас вычитанием ошибки, а на рис.23.18 – схемасФАП.

В схеме переноса с вычитанием ошибки (рис.23.17) частота КАГ f_КВумножается вnраз и смешивается с эталонной частотойf_КСв смесителе СМ1. На выходе СМ1 выделяется слабый сигнал промежуточной частоты (f_КС–nf_КВ), который усиливается многокаскадным усилителем и поступает на вход делителя частоты вnраз. С выхода делителя частоты сигнал достаточной мощности с частотой (f_КС/n–f_КВ) поступает на второй смеситель СМ2, на который также поступает сигнал от КАГ с частотойf_КВ. На выходе СМ2 с помощью фильтра выделяется сигнал суммарной частоты, равной (f_КС/n–f_КВ) +f_КВ=f_КС/n. В выходном сигнале нестабильность частоты КАГ исключается. Соответственно стабильность частоты выходных колебаний определяется стабильностью частоты КС.

В схеме переноса с ФАП (рис.23.18), как и в схеме с вычитанием ошибки, частота КАГ f_КВумножается вnраз и смешивается с эталонной частотойf_КСв смесителе (СМ). Как и в схеме с вычитанием ошибки, слабый сигнал промежуточной частоты (f_КС–nf_КВ) с выхода СМ усиливается многокаскадным усилителем и поступает на фазовый детектор ФД, на который также поступает сигнал от КАГ. Выходное напряжение ФД через фильтр нижних частот ФНЧ и управляющий элемент УЭ изменяет частоту КАГ так, что она становится равнойf_КС/(n+1). Система ФАП устраняет собственные уходы частоты КАГ, поддерживая всё времяf_КВ=f_КС/(n+1).

Обе рассмотренные схемы получения колебаний с высокой стабильностью частоты, определяемой квантовым стандартом (КС), считаются примерно равноценными.

Лекция 7 Синтезаторы частот

1. Основные понятия синтеза частот
2. Параметры систем синтеза частот
3. Классификация систем синтеза частот
4. Принципы действия различных типов синтезаторов

1 Основные понятия теории синтеза частот Для переноса модулированного сигнала на требуемую частот для передачи необходимо сформировать колебание с частотой, лежащей в рабочем диапазоне передатчика. В передающих устройствах для формирования требуемых частот могут использоваться синтезаторы частот. Современные системы синтеза частот работают в диапазоне частот от долей герц до десятков гигагерц. Они используются в аппаратуре различного назначения, заменяя в ней простые автогенераторы. Синтезом частот ‑ называют процесс получения одного или нескольких колебаний с нужными номинальными значениями частоты из конечного числа исходных колебаний путем преобразования частот, т.е. с помощью таких операций над колебаниями, при которых происходит сложение, вычитание частот 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. 2 Параметры систем синтеза частот Показатели, позволяющие оценить качество формирования выходного колебания (чистоту его спектральной линии, т.е. отличие его от моногармоники). Как техническое устройство любая ССЧ характеризуется рядом эксплуатационно-технических характеристик. Основными эксплуатационно-техническими характеристиками ССЧ, используемых в возбудителях радиопередатчиков и в качестве гетеродинов радиоприемников, являются:

1. Диапазон частот рабочих частот синтезатора, ;
2. Диапазон перекрытия по частоте ;
3. Шаг сетки частот рабочего колебания.
4. Частота опорного генератора.

Совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на выходе системы синтеза частот и следуют друг за другом через заданный интервал, называют сеткой частот. Интервал между соседними номинальными значениями частоты, входящими в сетку частот, называют шагом сетки частот. B настоящее время ,в радиопередающей и радиоприемной аппаратуре широко используются системы синтеза частот с шагом сетки Гц, где а ‑ целое положительное или отрицательное число или нуль. Кроме того получили распространение системы с шагом сетки Гц. 3 Классификация систем синтеза частот Колебания, являющиеся исходными в процессе синтеза частот, получают от высокостабильных источников, которые называют опорными генераторами (OГ₁, ΟΓ₂, . ОГ_n на рис. 1). Частоты колебаний этих генераторов (f₀₁, f₀₂, …, f_on на рис. В1) называют опорными частотами, точнее, первичными опорными частотами. Современные системы синтеза частот работают, как правило, от одного опорного генератора (рис. B.2). Такие системы называют одноопорными (когерентными). При двух и более опорных генераторах системы называют многоопорными (некогерентными). При этом речь может идти об одном колебании, частота которого способна принимать любое из этих значений (см. рис. B.1a), или нескольких одновременно существующих колебаниях (см. рис. B.1б). Первый случай встречается в возбудителях радиопередатчиков гетеродинах радиоприемников, второй — в многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов. Обычно в одноопорных системах синтеза частот сначала устройство, называемое датчиком опорных частот (ДОЧ) или, точнее, датчиком вторичных опорных частот, формирует вспомогательные колебания, частоты которых называют вторичными опорными частотами. Затем устройство, называемое датчиком сетки частот (ДСЧ), вырабатывает из этих вспомогательных колебаний нужные выходные колебания, частоты которых образуют сетку. Некоторые колебания подаются на выход непосредственно от ДОЧ (см. рис. B.2). Все типы ССЧ делят на два класса:

• системы активного синтеза частот;
• системы пассивного синтеза частот.

Системами активного синтеза частот или, сокращенно, системами активного синтеза называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется с помощью активного фильтра в виде фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Системами пассивного синтеза частот или, сокращенно, системами пассивного синтеза называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется без применения ФАПЧ. Системы того и другого классов могут быть выполнены целиком на аналоговых элементах или с применением цифровой элементной базы. 4 Пример работы синтезаторов на базе аналогового пассивного синтеза частот Ha рис. 1.4 представлена структурная схема простейшей системы пассивного синтеза, построенной на аналоговой элементной базе. Колебание опорного генератора (ОГ), имеющее частоту f₀ (первичная опорная частота), подается на вход датчика опорных частот. B датчике опорных частот (ДОЧ) с помощью умножителя и делителя частоты вырабатываются два других колебания с частотами и (вторичные опорные частоты), которые подаются на входы двух генераторов гармоник (ΓΓ₁ и ΓΓ₂). Каждый из генераторов гармоник состоит из формирователя импульсов (ФИ₁ и ФИ₂) и перестраиваемого полосового фильтра. Первый преобразует входное квазигармоническое колебание в последовательность очень коротких (по сравнению с периодом этого колебания) импульсов той же частоты (равными соответственно и ). Спектр этой последовательности содержит множество высших гармоники; фильтр настраивают на нужную из них и выделяют ее. B результате на выходах генераторов гармоник получают квазигармонические колебания с частотами и . Оба эти колебания подают на сумматор частот, состоящий из смесителя (См) и перестраиваемого полосового фильтра. Последний выделяет из спектра выходного продукта смесителя квазигармоническое колебание с нужной частотой Смеситель обычно реализуется в виде балансного модулятора. Пример. Пусть , , может принимать значения 1, 2, 3, a — значения 20, 21, 22, …, 39, то система имеет диапазон частот с шагом сетки от до Пассивный цифровой синтез частот B системах пассивного цифрового синтеза формирование требуемой частоты осуществляются цифровой обработкой сигналов, и только на выходе системы используют аналоговый фильтр. Структурная схема ССЧ на базе пассивного цифрового синтеза частот представлена на рис. 1.8. Рис. 1.8. Структурная схема одного из вариантов системы пассивного цифрового синтеза Опорный генератор формирует высокостабильное колебание с опорной частотой, используемой для получения требуемой частоты на выходе синтезатора. Это опорное колебание преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов в формирователе импульсов (ФИ) путем ограничения по уровню сверху и снизу сформированного колебания. На выходе делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) последовательность импульсов на входе преобразуется в последовательность импульсов, которая следует с частотой, определяемой коэффициентом деления. Коэффициент деления N можно устанавливать равным любому целочисленному значению в пределах от N1 до N2. Его значение определяется счетно-решающим устройством исходя из частоты, установленной на пульте управления частотой. Счетчик на базе триггера формирует цифровые импульсы с требуемой скважностью. Полосовой фильтр (ПФ) восстанавливает из этой последовательности импульсов гармоническое колебание с необходимой частотой. Рассмотрим пример. Пусть, например, требуется синтезировать сетку частот от 20 до 25 кГц с шагом 1 кГц. При этом частота опорного генератора соответствует 1 МГц. В этом случае можно использовать коэффициенты деления N=25 (1 000 000/25 = 40 000) и N= 20 (1 000 000/20 = 50 000), при которых будут формироваться частоты 40 кГц и 50 кГц с шагом 2 кГц. В счетчике можно сформировать на базе этих частот поток прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2, и частотой, которая может принимать все нужные значения. Наконец, можно с помощью полосового фильтра, имеющего частоты среза 20 кГц (нижнюю) и 30 кГц (верхнюю), выделить нужные колебания, подавив высшие гармоники.

10.02.2016 403.97 Кб 49 Лекция 3.doc

10.02.2016 1.85 Mб 49 Лекция 4.doc

8 Синтезаторы частот

Синтезатор частоты — устройство, формирующее заданный набор частот из одной или нескольких опорных частот путем использования операций сложения, вычитания, деления и умножения.

По способу формирования выходного сигнала синтезаторы делятся на пассивные и активные. Иногда эти способы называют прямым и непрямым синтезом частот.

В синтезаторах активного типа фильтрация нужной частоты из набора осуществляется обычно с помощью активного фильтра, например кольцом ФАПЧ, включающим в себя перестраиваемый автогенератор.

В синтезаторах пассивного типа выходной сигнал формируется путем многократного преобразования исходного опорного колебания и фильтрации нужного колебания пассивными фильтрами.

Как правило, чистота спектра у пассивного синтезатора хуже, чем у активного.

8.1 Пассивные некогерентные синтезаторы

Простейший пример пассивного синтеза рассмотрим на примере интерполяционной схемы, изображенной на рис. 8.1.

Почему так своеобразно выбраны наборы частот кварцевых резонаторов?

Дело в том, что на выходе каждого смесителя образуются комбинации частот: . Если комбинационная частота какого-то порядка попала в полосу пропускания фильтра, стоящего после смесителя, она уже не может быть отфильтрована и присутствует в выходном сигнале синтезатора.

Известно, что уровень комбинационной составляющей тем меньше чем выше ее номер. Задача разработчика так выбрать частоты на входах смесителей, чтобы уровень комбинационных попадающих в полосу фильтра был меньше допустимого по техническому заданию. Для приведенной схемы в полосу пропускания первого фильтра попадает комбинационная составляющая 11-того порядка:—nf₁+mf₂= —55мГц + 66 МГц= 11 МГц, ее уровень в хорошо спроектированных смесителях не превышает – 90 дБ (рис. 8.2).

В синтезаторах рассмотренного типа требуется большое количество кварцевых резонаторов, что усложняет задачу термостатирования. Кроме того, выходное колебание не является когерентным, так как это сумма колебаний нескольких независимых генераторов.

8.2 Пассивные когерентные синтезаторы

8.2.1 Синтезатор с идентичными декадами

Схема синтезатора приведена на рис. 8.3.

Частоты, которые формируются в различных точках структурной схемы, представлены в таблице 8.1.

Пример. Пусть синтезатор состоит из пяти декад k = 5. Последняя декада как и на рис. 7.8 неполная. Пусть также все переключатели находятся в последнем десятом положении:n₅=n₄=n₃=n₂=n₁=9. Опорная частотаf = 1 МГц.

Если все переключатели установлены в нулевое положение,

Таблица 8.1 — Частоты в схеме синтезатора

Номер декады

На выходе фильтра

На выходе делителя

Нижняя частота синтезатора равна f_н = 10f. Верхняя частота равнаf_в  10f+10f . Коэффициент перекрытия по частоте можно определить из соотношения 9f+9f 10f, откудаf f/9 или 1,1.

8.3 Синтезаторы на основе фапч

Основным недостатком синтезаторов пассивного типа является невозможность фильтрации нежелательных комбинационных составляющих ниже уровня – (60—70) дБ. Это определяется возможностями пассивных фильтров.

8.3.1 Простейшим активным фильтром, обеспечивающим фильтрацию более высокого уровня, является система ФАПЧ. На фазовый детектор (рис. 8.4) поступают напряжения от выходного генератора G₂и импульсной последовательности от опорного генератораG₁. Если частоты напряжений на входах ФД равны, его выходное напряжение пропорционально разности их фаз. Это напряжение через управитель частоты поддерживает частоту генератораG₂равной частоте генератораG₁. Условие синхронизма может выполняться, если частота генератораG₂будет кратна частоте генератораG₁. Управителем частоты чаще всего является варикап, включенный в контур генератораG₂. Так как варикап изменяет свою емкость при изменении постоянного управляющего напряжения, проложенного к его обкладкам, то генераторG₂часто называют генератором управляемым напряжением (ГУН).

В схеме простейшего цифрового синтезатора с ФАПЧ (рис. 8.5) для перестройки частоты ГУНа между ним и ФД включают делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД).

Условие синхронизма в этом случае запишется следующим образом:

(8.1)

Следовательно, изменяя коэффициент деления ДПКД на единицу можно переключить (перестроить) частоту ГУН на величину равную f₁/m. Эта величина называется шагомfсинтезатора.

8.3.2 Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ

Из структурной схемы (рис. 8.5) следует, что на входах ФД суммируются фазовые шумы ОГ и ГУНа, продукты детектируются, фильтруются, усиливаются и управляют частотой ГУНа, то есть определяют его спектр. Этому соответствует структурная схема по фазовым шумам (рис. 8.6).

Здесь: К1— коэффициент передачи ФД;

К2— коэффициент передачи ФНЧ;

К3— коэффициент передачи управителя ГУН;

U_Ш0— шумы на выходе ГУНа;

U_Ш0Г— шумы опорного генератора.

Для шумов, спектр которых лежит в полосе ФНЧ, можно записать:

(8.2)

знак «–» означает, что обратная связь в кольце ФАПЧ отрицательная. Из (8.2) следует:

(8.3)

Если К1=К2=К3, что возможно при отсутствии ФНЧ

(8.4)

Это уравнение ФНЧ первого порядка или интегратора.

1 Фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания петли ФАПЧ определяются фазовыми шумами опорного генератора.

2 Если частота ГУНа в n-раз выше частоты ОГ (или частоты сравнения), то фазовые шумы синтезатора на 20 lgnвыше фазовых шумов ОГ. То есть медленные изменения частоты РГ полностью отрабатываются кольцом ФАПЧ, увеличиваясь на выходе вn-раз.

Для шумов, лежащих выше полосы фильтра, в частности для шумов ГУНа, запишем:

(8.5)

То есть за полосой пропускания петли ФАПЧ шумы определяются только собственными шумами ГУНа.

8.3.3 Выбор частоты сравнения

Поскольку шаг сетки частот определяется частотой сравнения (8.1), малый шаг требует малой частоты сравнения. При этом ухудшаются две характеристики синтезатора:

— время перехода с частоты на частоту не может быть меньше постоянной времени ФНЧ (последняя определяется условием необходимой фильтрации продуктов частоты сравнения);

— большой коэффициент умножения частоты в петле ФАПЧ означает большое увеличение (на 20 lgn) шумов опорного генератора на выходе синтезатора.

Поэтому однопетлевые синтезаторы применяют только в простейших случаях.

8.3.4 Пример синтезатора приемника CR-300 (Швеция)

Схема была разработана в конце 70-х годов и элементная база того времени наложила ограничение на принятые решения. В частности ДПКД работали на частотах не более 50 МГц, поэтому пришлось сдвигать с помощью смесителей (СМ) сигналы в область их устойчивой работы. Для получения шага сетки 100 Гц и необходимого быстродействия в третьем кольце ФАПЧ выбрана частота сравнения 1 кГц, а после ГУНа поставлен делитель f/10, позволивший уменьшить шаг до 100 Гц. В этом приемнике использована первая ПЧ с частотойf = 139,3 МГц. При указанных на рис. выходных частотах синтезатора (140,8—169,3) МГц, это обеспечивает работу приемника в диапазоне (1,5—30) МГц и малый уровень комбинационных составляющих на выходе смесителя.

СИНТЕЗА́ТОР ЧАСТО́Т

СИНТЕЗА́ТОР ЧАСТО́Т, уст­рой­ст­во для ге­не­ри­ро­ва­ния (син­те­за) од­но­час­тот­ных и/или мно­го­час­тот­ных элек­трич. сиг­на­лов с за­дан­ны­ми по­ка­за­те­ля­ми (спектр, не­ста­биль­ность час­то­ты и фа­зы, фор­ма и уро­вень сиг­на­лов). Наи­бо­лее ши­ро­ко С. ч. при­ме­ня­ют­ся в элек­трон­ных уст­рой­ст­вах (ра­дио­при­ём­ни­ки, ра­дио­пе­ре­дат­чи­ки, уст­рой­ст­ва свя­зи, зву­ко­во­го и те­ле­ви­зи­он­но­го ве­ща­ния, вы­чис­лит. тех­ни­ки и т. д.), пре­об­ра­зую­щих или фор­ми­рую­щих сиг­на­лы разл. на­зна­че­ния. Осо­бую груп­пу со­став­ля­ют элек­тро­му­зы­каль­ные ин­ст­ру­мен­ты, в ко­то­рых ди­на­мич­ное управ­ле­ние па­ра­мет­ра­ми сиг­на­ла осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью кла­виа­ту­ры (кла­виш­ные элек­тро­ин­ст­ру­мен­ты) ли­бо др. спо­со­бом (в т. ч. дви­же­ния­ми рук или иных час­тей те­ла от­но­си­тель­но уст­рой­ст­ва; см., напр., Тер­мен­вокс ).

Похожие публикации:

1. Bsc25 29 чем заменить
2. Важное сообщение от оператора iphone как отключить
3. Приложение ютуб остановлено на андроиде что делать
4. Что делать если нет геймпада