Паразитные комбинационные составляющие в спектре выходного сигнала синтезатора возникают вследствие отклонения характеристик компонент синтезатора от линейных. При этом основным источником комбинационных составляющих является, очевидно, фазовый детектор, так как его работа как перемножителя в принципе является нелинейной. Реальный фазовый детектор, как и любое нелинейное устройство, содержит в спектре выходного сигнала все возможные комбинационные частоты, возникающие в процессе преобразования спектров входных сигналов. Наибольшую величину среди всех комбинационных составляющих выходного сигнала фазового детектора имеют гармоники частоты сравнения f . Другими словами, наряду с

сигналом ошибки в baseband диапазоне на управляющий вход ГУН будут поступать и сигналы с частотами ± mf ,

где m - целые положительные числа. В результате спектр выходного сигнала ГУН, кроме основной частоты fVCO ,

паразитных комбинационных составляющих в спектре выходного колебания до требуемой величины обеспечивается фильтрацией управляющего напряжения фильтром низкой частоты на выходе фазового детектора.

5.3.5. Устойчивость

Устойчивость работы синтезатора в момент включения или перестройки частоты, как и большинство других параметров, определяется типом и порядком фильтра низкой частоты. Признано, что пропорционально

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

интегрирующий фильтр обеспечивает лучший переходной процесс и параметры стабильности по сравнению с обычным RC фильтром.

Проведем расчет устойчивости синтезатора с пропорционально интегрирующим фильтром (5.4б) по критерию устойчивости Боде, основанному на анализе частотной характеристики коэффициента передачи разомкнутой петли ФАПЧ. Коэффициент передачи разомкнутой петли ФАПЧ по определению равен произведению коэффициентов передачи прямой и обратной ветви ФАПЧ. Коэффициент передачи прямой ветви определен в (5.10), коэффициент передачи обратной ветви, как следует из рис.5.2, равен 1N . Следовательно,

уравнение для коэффициента передачи разомкнутой петли в частотной области имеет вид

Kopen (w) = KPDKVCO 1+ (wt2 )2 ;

wN 1+ (wt1)2 f(w) = arctg(wt2 ) - arctg(wt1) - p2 .

Согласно критерию устойчивости Боде модуль коэффициента передачи разомкнутой петли должен быть равен единице на частоте, при которой знак фазы отрицательный, а зависимость фазы от частоты достигает максимума. Максимум фазовой характеристики достигается в точке, в которой первая производная равна 0, поэтому из уравнения

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

Подставляя выражение (5.28) для частоты ωp , при которой

достигается максимум фазовой характеристики, в уравнение для модуля частотной характеристики (5.27), получим уравнение взаимосвязи параметров синтезатора, обеспечивающих максимум устойчивости:

Реальный расчет устойчивости синтезатора частоты намного более сложный, так как следует принимать во внимание изменение полосы ФНЧ в момент включения или переключения частоты синтезатора.

5.4. Частотная модуляция в синтезаторе частоты

Синтезатор частоты может использоваться как генератор сигналов с угловой модуляцией (фазовой или частотной). На рис.5.6 показана функциональная схема синтезатора на основе петли ФАПЧ для формирования ЧМ сигналов с непрерывной фазой.

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

Микросхема синтезатора частоты

Управление

синтезатором

Рис.5.6. Синтезатор с частотной модуляцией

Как и в обычном синтезаторе частоты, небольшая доля сигнала с выхода ГУН поступает на высокочастотный делитель, который входит в состав микросхемы синтезатора. Сигнал от опорного кварцевого генератора поступает на делитель опорной частоты микросхемы синтезатора. Установка коэффициентов деления делителей

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

частоты осуществляется процессором по специальной шине управления микросхемой синтезатора. Сигнал ошибки (величина рассогласования фаз приведенных к фазовому детектору частот ГУН и опорного генератора) с выхода фазового детектора проходит ФНЧ и поступает на варикап резонансного контура ГУН. Частота резонансного контура, а следовательно, и частота ГУН изменяются до тех пор, пока сигнал ошибки не станет равным нулю. Цифровой модулирующий сигнал поступает на другой варикап резонансного контура ГУН. В соответствии с амплитудой модулирующего сигнала изменяется емкость модулирующего варикапа и соответственно частота ГУН.

Основной проблемой, возникающей при модуляции ГУН, является так называемый "эффект демодуляции" низкочастотных составляющих модулирующего сигнала. Поясним возникновение этого эффекта на основании уравнения синтезатора частоты (5.8), записанного относительно частот опорного и управляемого генераторов:

В области частот за полосой пропускания ФНЧ коэффициент передачи фильтра KLPF ( p) близок к нулю,

поэтому первое слагаемое в (5.30) также близко к нулю. В результате выходная частота ГУН нормально изменяется в соответствии с внешним модулирующим сигналом:

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

В области частот, лежащих в полосе пропускания ФНЧ, его коэффициент передачи примерно постоянный. Для очень низких частот p → 0 второе слагаемое в (5.30) близко к

нулю, выходная частота ГУН с точностью до отношения коэффициентов деления совпадает с частотой опорного генератора и не зависит от модулирующего сиг00нала:

Таким образом, все низкочастотные составляющие модулирующего сигнала, попадающие в полосу пропускания ФНЧ, будут отсутствовать в спектре модулированного колебания.

Рассмотрим более подробно прохождение модулированного сигнала по замкнутой петле ФАПЧ синтезатора частоты. Внешний модулирующий baseband сигнал, поступающий на ГУН, расположен в полосе частот от 0 до fm . На выходе

ГУН имеется ЧМ сигнал с шириной спектра, примерно равной 2 fm в области несущей fc . На выходе ВЧ делителя

модулированная несущая частота fc и девиации частоты

уменьшаются в N раз, но ширина спектра модулированного колебания, определяемая шириной спектра модулирующего сигнала, остается неизменной. Частота опорного генератора на выходе делителя опорной частоты и несущая частота на выходе ВЧ делителя совпадают в режиме захвата. Следовательно, сигнал ошибки на выходе фазового детектора совпадает с модулирующим сигналом, так как соответствует отклонению частоты ГУН от центрального значения. Предположим, что полоса пропускания ФНЧ больше, чем полоса модулирующего сигнала в baseband диапазоне. В этом случае полный сигнал ошибки, выработанный фазовым детектором как разность частот опорного генератора и модулированного ГУН, поступает на

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

ГУН для возвращения его частоты к постоянному значению, совпадающему с частотой опорного генератора. Другими словами, система ФАПЧ, поддерживающая стабильной частоту ГУН, будет воспринимать нормальную ЧМ модуляцию как несанкционированное изменение частоты ГУН и выработкой сигнала коррекции возвратит частоту ГУН в первоначальное фиксированное состояние. Если полоса пропускания ФНЧ существенно меньше полосы частот модулирующего сигнала, то высокочастотные составляющие модулирующего спектра частот не будут проходить через ФНЧ, выработанный сигнал ошибки не будет поступать на ГУН и частота ГУН будет изменяться в соответствии со значением модулирующего сигнала. Однако, сколь малой ни была бы полоса пропускания ФНЧ, всегда самые низкочастотные компоненты спектра модулирующего сигнала будут проходить через ФНЧ и демодулировать ГУН.

Отсутствие низкочастотных компонент модулирующего сигнала в спектре передаваемого сигнала может привести к большим проблемам на приемном конце радиолинии, особенно значительным для цифрового модулирующего сигнала. Существует несколько типовых способов решения проблемы "низкочастотной демодуляции" в синтезаторе частоты.

Использование специальных модулирующих сигналов,

не содержащих в своем спектре низкочастотных составляющих, исключает влияние замкнутой петли ФАПЧ на модуляционную характеристику. Такими сигналами могут быть либо стандартный модулирующий сигнал (например, "Манчестер"), либо специальный информационный сигнал, кодировка которого исключает появление в модулирующем сигнале очень длинных

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

последовательностей одинаковых символов. Очевидно, что если в передаваемой цифровой информации заведомо невозможно появление последовательности, содержащей более чем N одинаковых символов подряд, то и в спектре этого сигнала не будет частотных компонент с частотой ниже чем 1NTs , где Ts - длительность символа.

Проблема заключается в том, что выбор способа кодировки или типа модулирующего сигнала определяется значительно более важными аргументами, чем наличие или отсутствие низкочастотных компонент в спектре модулирующего сигнала. Вид модулирующего сигнала определяется прежде всего требованиями по достоверности приема информации, помехоустойчивости, занимаемой полосе частот и менее всего ориентирован на величину спектральной плотности мощности в области нулевой частоты.

Дополнительная модуляция опорного генератора

позволяет восстановить в модулированном сигнале низкочастотные компоненты. Как следует из (5.32), при модуляции опорного генератора выходная частота ГУН повторяет частоту опорного генератора, если модулирующий сигнал находится в полосе пропускания ФНЧ. Таким образом, совместная модуляция ГУН и опорного генератора позволяет получить модулированный сигнал без искажений вне зависимости от спектрального состава модулирующего сигнала и полосы пропускания ФНЧ. Реально, однако, невозможно модулировать высокостабильный опорный кварцевый генератор с высокой скоростью. Поэтому модулирующий сигнал разделяют на две компоненты: низкочастотную часть подают на опорный генератор, а высокочастотную часть - на ГУН.

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

Основной недостаток такой схемы - понижение стабильности опорного генератора, так как требования по стабильности и способности к управлению (модуляция) очевидно противоречивы. Кроме того, обязательно возникает проблема согласования в полосе частот крутизны модуляционной характеристики опорного и управляемого генераторов.

Таймирование петли ФАПЧ позволяет принципиально исключить эффект низкочастотной демодуляции. Ясно, что причина демодуляции низкочастотных компонент модулирующего сигнала заключается в постоянно замкнутой петле синтезатора. В разомкнутой петле управляемый напряжением генератор модулируется без проблем во всей полосе частот. В то же время для поддержания центральной частоты ГУН нет необходимости в постоянно замкнутой петле ФАПЧ. Все процессы дестабилизации частоты (из-за разряда батарей или изменения температуры) достаточно медленные. Следовательно, можно относительно длительное время (несколько секунд) иметь разомкнутую петлю ФАПЧ, осуществляя при этом нормальную модуляцию ГУН во всем спектре модулирующих частот. Затем на короткое время (несколько десятков миллисекунд) прервать передачу, замкнуть петлю ФАПЧ, подстроить центральную частоту ГУН и вновь разомкнуть петлю. Очевидно, что для нормальной работы такой схемы необходим ключ замыкания/размыкания петли и элемент памяти, который будет поддерживать необходимое напряжение на варикапе резонансного контура ГУН в то время, когда петля разомкнута.

Основная проблема реализации такой схемы заключается в необходимости запоминания управляющего напряжения на

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