5. Синтез и преобразование частот

Функциональная схема радиоканала (см. рис.1.12) включает в себя следующие компоненты, выполняющие функции синтеза и преобразования частот: модулятор, синтезатор частоты, смеситель. Модулятор переносит спектр модулирующего сигнала на несущую частоту. Синтезатор частоты обеспечивает генерацию сетки частот, необходимую для поддержки многоканального режима работы сети связи, а также требуемую стабильность несущих частот. Смеситель переносит спектр модулированного сигнала из радиочастотного диапазона на промежуточную частоту или, наоборот, для достижения требуемого качества модуляции/демодуляции и выполнения требований по электромагнитной совместимости.

В передатчике с непосредственной модуляцией несущей частоты значения синтезируемых частот { fk } равны

центральным частотам выделенных рабочих каналов. Модуляция несущего ВЧ колебания осуществляется в синтезаторе или в схеме квадратурного модулятора. В передатчиках с модуляцией на промежуточной частоте fIF

значения частот { fk } , генерируемых синтезатором, сдвинуты относительно частот рабочих каналов на величину промежуточной частоты fIF . Опорное немодулированное колебание от синтезатора fk и модулированное колебание на промежуточной частоте fIF

поступают на схему смесителя (Up-converter). В результате на выходе смесителя присутствует модулированное ВЧ колебание с центральной частотой заданного рабочего канала. В приемнике синтезатор частоты выполняет

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

функцию перестраиваемого гетеродина. Сетка частот синтезатора сдвинута относительно центральных частот рабочих каналов на величину промежуточной частоты приемника. Принимаемый высокочастотный сигнал и опорное колебание от синтезатора поступают на схему смесителя (Down-converter). В результате модулированное ВЧ колебание с выбранной центральной частотой рабочего канала переносится на фиксированную промежуточную частоту приемника для дальнейшей обработки.

Принято выделять два основных типа синтезаторов частоты: синтезатор частоты на основе схемы фазовой автоподстройки частоты PLL (Phase Looked Loop) и

синтезатор прямого синтеза DDS (Digital Direct Synthesizer).

Синтезатор типа PLL в настоящее время является основным типом в радиостанциях мобильной связи. Синтезаторы DDS до недавнего времени не обеспечивали параметров, требуемых стандартами связи и использовались только в исключительных случаях. Однако последние микросхемы этого типа имеют вполне приемлемые параметры и их использование, во всяком случае, в оборудовании базовых радиостанций, уже не редкость.

Смесители (Up/Down Соnverter) реализуются, как правило, в виде микросхемы, содержащей высокочастотные перемножители и сумматоры.

В настоящем разделе рассматриваются следующие основные вопросы:

∙работа схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и синтезатора частоты на основе ФАПЧ, основные параметры синтезатора;

∙преобразование частоты и угловая модуляция в схеме ФАПЧ и квадратурной схеме.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

5.1. Функциональная схема ФАПЧ и синтезатора частоты

Схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является основой синтезатора частоты, она также может использоваться как преобразователь частоты (смеситель) или формирователь спектра модулированного колебания

[3].

Эквивалентная схема ФАПЧ, показанная на рис.5.1, включает в себя три минимально необходимых элемента: фазовый детектор, фильтр низкой частоты (ФНЧ) и

Рис.5.1. Функциональная схема ФАПЧ

управляемый напряжением генератор (ГУН).

На входы фазового детектора поступает опорный сигнал

опорного и управляемого генераторов. Этот сигнал ошибки после ограничения по полосе частот в ФНЧ поступает на управляющий вход ГУН и изменяет его частоту таким образом, чтобы установить нулевое значение сигнала ошибки. Критерием установившегося режима, как и для

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

любой схемы автоматического регулирования, является равенство входных воздействий на вычитающем элементе. В данном случае вычитающим элементом является фазовый детектор, выходной сигнал которого пропорционален разности фаз колебаний на его входах. Следовательно, в схеме ФАПЧ (см. рис.5.1) установившийся режим имеет место при совпадении фаз (а значит, и частот) колебаний на входах фазового детектора.

Возможность установления нулевого сигнала ошибки после включения схемы (совпадение фаз и частот опорного fREF и

управляемого fVCO генераторов) зависит от исходной

разности частот. Если разность частот находится в так называемой полосе захвата, сигнал ошибки с выхода фазового детектора изменяет частоту управляемого генератора до тех пор, пока эти частоты не совпадут. При значительной разности их частот "захвата" не происходит и ГУН работает в автономном режиме. Если в результате случайных воздействий частота управляемого генератора ненамного отклоняется от частоты опорного генератора, петля ФАПЧ вырабатывает нормальный сигнал коррекции, возвращая частоту ГУН к первоначальному значению. Если случайное отклонение частоты управляемого генератора очень велико, больше полосы удержания петли, то сигнал ошибки на выходе фазового детектора не корректирует частоту управляемого генератора, петля фазовой автоподстройки "разваливается" и управляемый генератор переходит в режим автономной генерации.

Для дальнейшего анализа работы синтезатора частоты на основе ФАПЧ будет использоваться функциональная схема, показанная на рис.5.2. В этой схеме дополнительно к общей схеме ФАПЧ (см. рис.5.1) в явном виде содержится источник опорной частоты, делитель частоты с постоянным

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

коэффициентом деления на M в канале опорного генератора и делитель частоты с переменным коэффициентом деления на N в канале управляемого генератора. Внешний модулирующий сигнал поступает непосредственно на управляемый генератор. При наличии делителей в цепи опорного и управляемого генераторов частота ГУН уже не совпадает с частотой опорного генератора.

θERR

Рис.5.2. Функциональная схема синтезатора частоты

Однако условие равенства частот и фаз колебаний на входах фазового детектора по-прежнему справедливо в установившемся режиме работы и приводит к очевидному

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com