2.1. Синтезаторы частоты

Если передатчик разрабатывается для работы в диапазоне частот, а требуемое значение нестабильности рабочей частоты находится на уровне кварцевых автогенераторов (АГ), то в возбудителе передатчика наиболее целесообразно использовать синтезатор частоты.

Основные параметры синтезаторов:

1. Диапазон рабочих частот синтезатора .

2.Общее число частот, вырабатываемое синтезатором .

3.Число дополнительных фиксированных частот синтезатора, необходимое для работы БФВР .

4.Шаг следования частот (шаг сетки) f.

5.Относительная нестабильность частот сетки .

6.Время переключения синтезатора с одной частоты сетки

на другую

7.Предельное значение уровня гармоник рабочей частоты [дБ].

8.Предельная величина коэффициента шума синтезатора .

9.Предельное значение уровня побочных продуктов синтеза в спектре выходного сигнала .

10.Габаритные размеры, надежность, стоимость.

Мощность колебаний на выходе синтезатора составляет обычно доли мВт. В настоящее время формирование сетки частот в синтезаторах осуществляется двумя основными методами:

1. Методом прямого синтеза. 2. Методом обратного синтеза.

Метод прямого синтеза

Метод прямого синтеза базируется при формировании сетки на использовании простейших арифметических операций – умножения, деления, суммирования, вычитания. По виду использованной элементной базы синтезаторы прямого метода синтеза могут быть аналоговыми, цифровыми и комбинированными.

Одним из основных недостатков синтезаторов, построенных по методу прямого синтеза, является большой уровень побочных продуктов синтеза в спектре выходного сигнала

.

По мнению [2,11,12], подавление побочных продуктов синтеза при прямом методе более чем на 70 дБ весьма затруднительно. Вместе с тем в ряде случаев требуемая степень подавления достигает (85÷140)дБ.

Схемные реализации синтезаторов построенных по методу прямого синтеза весьма разнообразны. Чтобы познакомиться с ними, целесообразно обратиться к литературе, например, [1,2,3,11,12].

Следует отметить, что последние годы все шире находят применение цифровые синтезаторы прямого синтеза с использованием микросхем DDS (Direct-Digital-Synthesis – прямой цифровой синтез) [12]. Это объясняется их уникальными свойствами.

1. Широкий диапазон перестройки – от долей Гц до десятков МГц;

2. высокая точность установки частоты, которая достигает сотых долей Гц;

3. высокая скорость перестройки, измеряемая в наносекундах;

4. возможность установки шага сетки от долей Гц до десятков и сотен кГц;

5. возможность осуществления различных видов угловой модуляции и, прежде всего, импульсной частотной и фазовой;

6) малое энергопотребление, составляющее всего десятки мВт.

К недостаткам синтезаторов на основе DDS следует отнести большой уровень шумов квантования и ограниченную максимальную рабочую частоту, которая связана с частотой квантования соотношением

.

Принцип работы синтезатора DDS поясняет его функциональная схема (рис.2.2)

Рис.2.2. Функциональная схема синтезатора DDS

Вставка ( не более 3 стр.)

Метод обратного синтеза

Метод обратного синтеза базируется на следующем принципе. Сигнал автогенератора, который именуемый генератором управляемого напряжением (ГУН), путем арифметической операции деления приводится к сигналу с частотой, равной шагу сетки . Деление осуществляется делителем с переменным коэффициентом деления (ДПКД). В устройстве сравнения, которым является импульсно фазовый детектор, фаза преобразованного по частоте сигнала ГУН сравнивается с фазой сигнала с частотой . Сигнал с частотой поступает с выхода делителя с фиксированным коэффициентом деления от высокостабильного опорного автогенератора. В случае различия сигналов с частотами и по фазе детектор вырабатывает сигнал ошибки, который подстраивает ГУН, обеспечивая равенство фаз с точностью до постоянной величины. Такая подстройка получила название фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). На рис.2.3 представлена структурная схема синтезатора, построенного по методу обратного синтеза, с использованием ГУН и системы ФАПЧ.

Рис.2.3. Структурная схема синтезатора, построенного по методу обратного синтеза

Коэффициент деления ДПКД задается командой управления (КУ). Сигнал ошибки с выхода ИФД через фильтр типа ФНЧ поступает на электронно управляемый реактивный элемент ГУН.

Основным достоинством синтезаторов, построенных по методу обратного синтеза, является значительно меньший уровень побочных продуктов на выходе синтезатора в сравнении с прямом методом синтеза. В основном это гармоники рабочей частоты и фазовые шумы ГУН и опорного автогенератора. Гармоники в спектре выходного сигнала легко устраняется фильтрами ГУН. Д

Для уменьшения уровня шумов на выходе синтезатора используют многокольцевые системы ФАПЧ. Это усложняет схему синтезатора. Разработка синтезаторов с многокольцевыми системами ФАПЧ выходит за рамки настоящего пособия. Сведения о многокольцевых системах ФАПЧ можно найти в [2, 11] и других источниках.

Синтезаторы, построенные по методу обратного синтеза, широко используют цифровую элементную базу. По этой причине их также называют цифровыми, хотя, по существу, они являются смешанными, поскольку ГУН чаще всего является аналоговым устройством.

Промышленностью разработано большое количество микросхем, реализующих метод обратного синтеза. Некоторые из них приведены в табл.4 приложения. Их потолок по частоте достигает сотен МГц. Ограничение по максимальной рабочей частоте вызвано ограниченным быстродействием ДПКД.

Увеличить максимальную рабочую частоту синтезаторов, реализующих метод обратного синтеза, можно за счет уменьшения частоты сигнала, поступающего на ДПКД.

На рис.2.4 показана схема построения синтезатора по методу обратного синтеза с понижение частоты сигнала ГУН с помощью смесителя. Достоинством этого способа повышения частотного диапазона синтезатора является сохранность шага сетки частот, а недостатком – появление двух аналоговых блоков: смесителя и блока умножения частоты, который формирует частоту смещения. Рабочая частота на выходе синтезатора будет определяться соотношением

.

Рис.2.4. Структурная схема синтезатора обратного синтеза с понижением частоты ГУН с помощью смесителя

На рис.2.5 показана схема построения синтезатора по методу обратного синтеза с понижение частоты сигнала, поступающего на ДПКД, с помощью делителя с фиксированным коэффициентом деления.

Рис.2.5. Структурная схема синтезатора обратного синтеза с понижением частоты ГУН с помощью делителя

Достоинством этого способа повышения частотного диапазона синтезатора является отсутствие дополнительных аналоговых каскадов. Однако если не принимать дополнительных мер, шаг сетки увеличится в раз, где - фиксированный коэффициент деления частоты ГУН. Для сохранения шага сетки на исходном уровне частоту сигнала опорного генератора, следует тоже дополнительно поделить в раз. С этой целью фиксированный коэффициент деления частоты опорного генератора делают равным ( ). Частота сравниваемых сигналов на ИФД будет равна , а рабочая частота на выходе синтезатора будет определяться соотношением

.