Билет №4. 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).

Переход к цифровой элементной базе как в пассивных, так и в активных методах синтеза частот позволяет получить преимкщества (по сравнению с аналоговой элементной базой) в части уменьшения массы, габаритных размеров устройств, повысить надежность и технологичность, хотя и снижает максимальное значение рабочей частоты, так как максимальная частота на выходе синтезатора ограничена быстродействием используемых в нем микросхем (обычно не превышает нескольких десятков мегагерц).

В качестве одного из примеров цифрового синтезатора прямого типа может служить синтезатор, построенный на основе суммирования импульсных последовательностей. Структурная схема такого синтезатора, выполненная полностью на цифровых интегральных микросхемах, приведена на рис.1.7.а. Эпюры соответствующих импульсных последовательностей

изображены на рис.1.7.б.

Сигнал высокостабильного опорного генератора ОГ поступает на триггерный счетчик – делитель Д, состоящий из двоичных разрядов (на рис.1.7. показано три разряда). На входе делителя каждого разряда (Д₁, Д₂, Д₃) получаются две последовательности импульсов (например, на выходе 1 и 1', см. рис.1.7.б), сдвинутые на (  период соответствующий импульсной последовательности). Частота импульсной последовательности на выходе каждого делителя в 2 раза меньше частоты входной импульсной последовательности.

С выходов 1', 2', 3' и т.д. импульсные последовательности поступают на один вход схемы И. На другой вход этой схемы поступает 1 или 0 с регистра частоты. Если в регистре частоты записана 1, то соответствующая импульсная последовательность (см. рис.1.7.а импульсные выходные последовательности с делителей Д₁ и Д₃) проходит на схему ИЛИ, если же записан 0, то схема И закрыта и импульсная последовательность на нее не проходит (см. на рис.1.7.а выходную импульсную последовательность с делителя Д₂). Следовательно, на выходе схемы ИЛИ происходит суммирование соответствующих последовательностей в соответствии с заданным кодом частоты. В результате получается импульсная последовательность с неравномерной расстановкой импульсов (см. на рис.1.7.б выход схемы ИЛИ), средняя частота импульсов которых определяется управляющим кодом, записанным в регистре частоты. Для уменьшения неравномерности импульсов на выходе схемы ИЛИ включают делитель частоты (Д на рис.1.7.а) с коэффициентом деления . На выходе такого делителя импульсная последовательность более равномерная (см. на рис.1.7.б выход делителя Д). Чем выше коэффициент деления, тем больше равномерная выходная импульсная последовательность и тем меньше уровень побочных частот в выходном спектре синтезатора. Но при этом частоты синтезатора при заданной частоте ОГ оказываются низкими.

а) б)

Рисунок 1.7 – Цифровой синтезатор частот на основе суммирования импульсных последовательностей: а) структурная схема, б) эпюры импульсных последовательностей

Другой разновидностью синтезатора частот, в котором использован цифровой принцип формирования частот, является синтезатор с цифровым формированием отсчетов синтезируемого колебания. Структурная схема такого синтезатора приведена на рис.1.8. В блоке памяти (БП) хранятся отсчеты синусоиды (данные о значении синусоиды при различных фазах). По определенной программе в соответствии с кодом частоты, записанным в блоке установки частоты БУЧ, вычисляются текущие значения синусоиды. Обычно БП выполняется в виде микропроцессорного устройства, которое используется как счетчик времени (накопитель фазы). Частота в импульсной последовательности на выходе цифро-аналогового преобразователя ЦАП кратна шагу сетки частот: , где .

Рисунок 1.8 – Синтезатор частот с цифровым формированием отсчетов

Поскольку на выходе синтезатора необходимо формирование синусоидального колебания, то после БП включается ЦАП (см. рис.1.8). Для устранения побочных частот после блока ЦАП включен ФНЧ, который фильтрует тактовую частоту, ее гармоники и комбинационные частоты. Число отсчетов синусоиды определяется объемом памяти блока вычисления отсчетов БП. Если все отсчеты синусоиды считываются с частотой

, то период импульсной последовательности на выходе блока ЦАП , где  период сигнала ОГ. Следовательно, минимальная частота импульсной последовательности .

Изменяя число импульсов ОГ, считываемых за период (то есть число ), можно изменить частоту импульсной последовательности на выходе ЦАП.

Минимальное число импульсов ОГ равно двум, следовательно, .

Верхняя частота определяется граничной частотой цифровых микросхем и блока ЦАП. С повышением выходной частоты необходимо увеличивать быстродействие ЦАП. Поскольку на выходе синтезатора нет деления частоты, то его граничная частота с отсчетами синтезируемого колебания оказывается выше, чем в синтезаторах, построенных на основе суммирования импульсных последовательностей.

Следует заметить, что иногда использование только цифровой элементной базы может привести к повышению уровня побочных спектральных составляющих (не лучше – (50 … 60) дБ). В общем случае цифровым активным синтезаторам частот свойственны дополнительные причины ухудшения спектральной чистоты выходного сигнала: эффекты квантования по времени и по уровню в цифровых системах ФАПЧ; ошибка аппроксимации частоты; ограниченность минимальной длительности фронтов или срезов импульсов в кольце цифровой ФАПЧ.

Эти ухудшения становятся актуальными с позиции электромагнитной совместимости радиосредств, особенно в наше время, когда происходит стремительное развитие радиовещания, телевидения, радиосвязи, радиолокации и радионавигации. А поэтому проблема электромагнитной совместимости диктует ужесточающие требования по нормам допустимых отклонений частоты передатчиков, нормам на ширину полосы частот полезных сигналов и уровням побочных излучений. В связи с этим, как правило, цифровая часть синтезатора частот комбинируется с аналоговой для уменьшения вредных эффектов квантования [1].

С другой стороны, цифровая реализация даже отдельных узлов синтезатора частот позволяет получить новые качества возбудителя: программируемость переключения рабочей частоты, вида и параметров модуляции, запоминание номинала частоты при прерываниях сигнала и т.д. Помимо этого, использование активных методов цифрового синтеза позволяет снять антагонизм требований по малости шага изменения частоты, быстродействию и чистоте спектра выходного колебания. Это обеспечивается усложнением функциональной схемы (к примеру, вместо однокольцевой системы ФАПЧ приходится использовать двух-, трехкольцевую, кроме того, дополненную микропроцессорным счетно-решающим устройством для согласованного переключения делителей частоты). Тем не менее, усложнения цифрового активного синтезатора частот в значительной степени не проблематичны из-за большой технологичности цифровых методов обработки сигнала.

Цифровые методы активно используются многими фирмами (SONY, FUJITSY, NATIONAL SEMICONDUCTOR, PHILIPS, MOTOROLA, QUALCOMM, MITEL и т.д.) как при создании синтезаторов частот прямого, таки и косвенного типов. Синтезаторы частоты на основе прямого цифрового синтеза привлекательны в первую очередь сравнительно высокими характеристиками, отсутствием необходимости настройки, малым числом внешних элементов, легкостью управления и осуществления модуляции различных видов. Однако малое количество типов микросхем прямого цифрового синтеза с тактовыми частотами выше 300 МГц не позволяет им конкурировать с синтезаторами на основе ФАПЧ на частотах выше 200 МГц. Значительно уступают они пока синтезаторам на основе ФАПЧ и в спектральной чистоте выходного сигнала [12]. Кроме того, можно отметить, что цифровые синтезаторы и прямого и косвенного типов принято подразделять на схемы профессиаонального использования (с расширенными функциональными возможностями, пригодностью к эксплуатации в наиболее жестких условиях, возможностью снижения энергопотребления в ждущем режиме и т.п.) и схемы для массового применения, предназначенных для более узких и конкретных областей использования и более щадящих условиях эксплуатации. Это, естественно сказывается на массогабаритных показателях, типов корпусов и стоимости изделий. В то же время, предельный показатель по отдельным параметрам в ряде случаев для второй группы могут быть даже более высокими.