Билет №6. Вопрос №2.

В общем случае выделяют следующие методы синтеза частот: прямые (пассивные), косвенные (активные), цифровые и комбинированные. В последних в произвольной комбинации используются два или три предшествующих метода. Кроме того, прямые и косвенные синтезаторы частот могут быть реализованы на аналоговой, цифровой элемнтной базе или при совместном использовании той и другой. В свою очередь, в цифровых синтезаторах частот могут быть реализованы те же алгоритмы, что и в аналоговых, но реализация базируется на цифровых микросхемах или микросборках. Стоит отметить, что при цифровом методе синтеза частот применяют специфические методы, реализация которых на элементах аналоговой техники либо невозможна, либо приводит к неприемлемому усложнению синтезатора (например, двух- , многоуровневые методы синтеза).

При косвенных методах синтеза частот выходной сигнал получают самостоятельно от подстраиваемого по частоте генератора (ПГ) без каких-либо нелинейных преобразований. Для обеспечения требуемой стабильности частоты ПГ используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по сигналу опорного эталонного генератора. Структурная схема такого синтезатора изображена на рис.1.4.

Сигнал с выхода делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) поступает на фазовый детектор (ФД), на который одновременно поступает сигнал от кварцевого генератора КГ с частотой . Выходное напряжение ФД, как в обычной системе АПЧ, через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляющий элемент (УЭ) (например, варикап), который изменяет частоту ПГ. В синхронном состоянии частоты сигналов, сравниваемых ФД, оказываются равными ( , гле  коэффициент деления ДПКД), и, следовательно, долговременная нестабильность выходной частоты ПГ та же, что и КГ. Меняя коэффициент деления , по команде внешнего устройства, задающего код требуемой выходной частоты, можно изменять частоту колебаний на выходе синтезатора ( ). При этом шаг частот синтезатора равен частоте .

Рисунок 1.4 – Схема синтезатора, работающего по методу косвенного синтеза

Система АПЧ в косвенных синтезаторах, как правило, является фазовой (ФАПЧ) ввиду большой точности ее работы по сравнению с частотной АПЧ [4, 11]. При этом параметры колец ФАПЧ должны выбираться помимо всего прочего с учетом ширины спектра формируемого сигнала (формируемого вида работ). Например, постоянная времени кольца ФАПЧ ограничивает максимальную скорость угловой модуляции, а уменьшение инерционности кольца ФАПЧ ухудшает фильтрующие свойства кольца по отношению к побочным составляющим и высокочастотным флуктуациям частоты (фазы) опорного генератора.

Отметим также, что при необходимости формирования в возбудителе (синтезаторе рассматриваемого типа)

определенного вида работ (какого-либо типа модуляции или манипуляции, например, частотной), это можно осуществить, вводя информационный сигнал непосредственно на вход УЭ. Что касается ПГ, то в качестве него используется, как правило, транзисторный автогенератор, выполненный по схеме емкостной трехточки, и УЭ с варикапом, включенным в колебательный контур.

В качестве ДКПД часто используются счетчики импульсов, выполенные на цифровых интегральных схемах как средней, так и большой степени интеграции. Цифровые ДПКД устойчиво работают на частотах входного сигнала до 1.5 … 2 ГГц. Если ГГц, то для снижения частоты входного сигнала ДПКД используют понижение частоты либо вычитание (при помощи преобразователя частот Пр, см. рис.1.5 ), либо делением (рис.1.6).

а) б)

Рисунок 1.5 – Синтезатор частот с: а) ДПКД с понижением частоты, б) ДПКД и делением

При понижении частоты колебаний на выходн ДПКД вычитанием частота ПГ . Здесь  коэффициент умножения умнжителя частоты (УЧ). При этом шаг сетки частот синтезатора остается равным .

При понижении частоты колебаний на входе ДПКД с помощью делителя с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) шаг частот синтезатора равен .

Рисунок 1.6 – Двухкольцевая схема синтезатора частот

Отметим, что схема с дополнительным делителем (см. рис.1.5.б) имеет определенные преимущества по сравнению со схемой, в которой используется понижение частоты вычитанием (см. рис.1.5.а), поскольку не требуется применения умножителя и смесителя. Эти элементы приводят к повышению уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала синтезатора.

В системах ДПКД при малом частотном шаге требуется низкая частота КГ . В этом случае для подавления нежелательных побочных частот в спектре выходного сигнала синтезатора, обусловленных помехой с частотой , действующей непосредственно на выходе ФД (внешняя помеха), необходимо увеличивать инерционность системы. Однако при этом, как уже указывалось, будут плохо фильтроваться внутренние помехи, вызванные собственными шумами ПГ. Для устранения проиворечий между фильтрацией внешних и внутренних помех в синтезаторах используют двухкольцевые системы ФАПЧ (рис.1.6). Одно из колец выбирается достаточно инерционным (ПГ₁, УЭ₁, ФНЧ₁, ДПКД₁), что обеспечивает хорошую фильтрацию внешних помех с частотой . Второе кольцо (ПГ₂, УЭ₂, ФНЧ₂, ДПКД₂) делается малоинерционным, что позволяет обеспечивать хорошее подавление собственных шумов выходного генератора ПГ. Соответствующим выбором коэффициентов деления ДПКД₁, ДПКД₂, ДПКД₃ можно при заданном диапазоне работы синтезатора (частота перестройки ПГ₂) обеспечить малую перестройку ПГ₁, что позволяет использовать КГ в качестве ПГ₁. Это, в свою очередь, дает возможность устранить влияние собственного шума этого генератора на спектральные характеристики выходного генератора ПГ₂. Синтезаторы с ДПКД, часто называемые также цифровыми, позволяют максимально использовать элементы цифровой схемотехники. Они имеют значительные преимущества перед другими типами синтезаторов по габаритным размерам, массе, технологичности и надежности.

Таким образом, анализируя все выше сказанное и материал, приведенный в [1  11] можно отметить, что основное преимущество активных синтезаторов частот – низкий уровень дискретных побочных спектральных составляющих, достигающий – 115дБ. Кроме того, в активных синтезаторах частот основные узлы легче реализовать на цифровых микросхемах, нежели в пассивных синтезаторах. Здесь требуется гораздо меньше фильтров, смесителей частот, что способствует микроминиатюризации активных синтезаторов, технологичности их производства и эксплуатации.

Недостатки систем активного синтеза по сравнению с пассивными – большее время перестройки с одной рабочей частоты на другую, трудности уменьшения шага сетки частот и возможность генерации выходного сигнала, частота которого не соответствует установленному органами управления значению (при выходе из строя кольца ФАПЧ, при ложных захватах по частоте системой ФАПЧ [11]). Известны трудности реализаци активных синтезаторов частоты на частотах выше нескольких гигагерц. Однако указанные недостатки не являются принципиальными, хотя для их преодоления требуется существенное усложнение функциональной схемы (вместо однокольцевой системы ФАПЧ приходится использовать двух-, трехкольцевые ФАПЧ; для уменьшения шага частоты или для синтеза частот выше нескольких десятков-сотен мегагерц использовать смесители частот; для надежной и более качественной работы систему АПЧ нужно дополнять вспомогательными устройствами поиска по частоте и индикаторами захвата). Дополнительные, усложняющие синтезаторы устройства могут в отдельных случаях свести на нет преимущества активного метода синтеза частот по сравнению с пассивными.