7.4. Синтезаторы частоты

Синтезом частот называют процесс получения ряда колебаний с заданным набором номинальных значений их частот из конечно­го числа (одного или нескольких) исходных колебаний, обычно создаваемых опорными кварцевыми генераторами (ОКГ). Комплекс устройств, осуществляющий синтез частот, называют системой синтеза частот (ССЧ) или синтезатором частоты, а совокупность номинальных значений частот, которые могут быть получены на выходе ССЧ и следуют друг за другом через заданный интервал f_ш ,– сеткой частот (f_ш – шаг сетки). Поэтому широко используется еще одно название для этих устройств – синтезатор сетки частот.

Сами ОКГ обычно не включаются в состав ССЧ. Современные синтезаторы, как правило, работают от одного ОКГ, что позволяет в процессе синтеза обеспечить когерентность выходных колебаний ССЧ исходному колебанию ОКГ и, как следствие, приблизить стабильность каждой из частот формируемой сетки к стабильности частоты ОКГ.

Механизм формирования сетки дискретных частот реализуется с помощью фильтров и набора нелинейных элементов, выполняющих операции умножения, деления и алгебраического суммирования частот.

Системы синтеза частот, в которых селекцию синтезируемых частот осуществляют пассивные фильтры, не содержащие автогенераторов, относятся к классу систем пассивного синтеза частот. Системы синтеза частот, в которых фильтрацию реализуют активные фильтры в виде колец фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) или компенсационных колец, называют системами активного синтеза частот.

Системы обоих классов могут быть выполнены как на аналоговой элементной базе, так и с применением цифровых устройств. В цифровых синтезаторах можно реализовать те же алгоритмы частотообразования, что и в аналоговых, и различия между ними будут только в используемой элементной базе. Кроме того, при построении пассивных цифровых синтезаторов применяют и специфические методы синтеза, реализация которых на элементах аналоговой техники либо невозможна, либо приводит к существенному усложнению синтезатора.

7.4.1. Пассивные аналоговые ссч

О дним из простейших синтезаторов является интерполяционный ССЧ, функциональная схема которого представлена на рис. 7.14. Принцип работы синтезатора заключается в следующем. В датчике опорных частот (ДОЧ) из входного квазигармониче­ского сигнала с частотой f_ОКГ формируется т сигналов с частотами f_ш, 10f_ш, ... , 10^m-1f_ш. Эти сигналы поступают на умножители частоты с переменными (переключаемыми) коэффициентами умножения k₁, k₂, ... , k_m, принимающими обычно значения 0, 1, 2, ... , 9. Сумматоры частот представляют собой смесители частот в сочетании с фильтрами, выделяющими суммарную частоту и отфильтровывающими все прочие комбинационные гармоники. Фильтры в общем случае при смене значений k_i (i = 1, 2, ... , m) необходимо перестраивать, что показано стрелками на смесителях.

7.14. Схема интерполяционного синтезатора

В соответствии с операциями над частотами входных воздействий, осуществляемыми каждым из сумматоров частоты схемы на рис. 7.14, нетрудно определить частоту сигнала на выходе ССЧ:

. (7.20)

Обычно выбирают f_ш = 100 Гц; 1 кГц; 10 кГц и т.д. В этом случае, как следует из формулы (7.20), каждый умножитель частоты совместно со смесителем (рис. 7.14) формирует одну значащую цифру в записи f_вых в десятичной системе счисления. Поэтому блок, образованный совокупностью указанных умножителя и смесителя, называют декадой.

Анализ рассмотренной схемы ССЧ показывает, что, хотя в ее составе имеются однотипные по своему функциональному назначению блоки (декады), они не являются взаимозаменяемыми, поскольку работают в существенно различных диапазонах частот и, следовательно, могут отличаться и схемотехническими, и конструктивными решениями. Кроме того, выходные фильтры декад (в смесителях) необходимо перестраивать при изменении значения f_вых^*).

Свободным от указанных недостатков является ССЧ, выполненный по схеме (рис. 7.15) и содержащий ряд полностью идентичных декад (ИД), каждая из которых представляет собой каскадное соединение общего для всех декад умножителя частоты в ДОЧ, смесителя частот и делителя частоты. В таком ССЧ после ряда преобразований сигнала с частотой f_ОКГ в ДОЧ формируются колебания частоты f₀ и десяти частот f_k = 9 f₀ + kΔf, где k = 0,1,2,...,9, а f₀ кратна Δf. В сумматоре первой идентичной декады, в которой формируется наиболее мелкий разряд сетки, одна из частот f_k суммируется с частотой f₀.

Рис. 7.15. Синтезатор на идентичных декадах

Колебания суммарной частоты выделяются фильтром этого смесителя и поступают на делитель. Таким образом, частота сигнала на выходе первой ИД может принимать одно из десяти значений f₁=0,1(f₀+9f₀+k₁Δf)=f₀+0,1k₁Δf (здесь k₁ = 0,1,2,...,9), определяемых положением переключателя S₁. Частота сигнала на выходе второй ИД в зависимости от положения переключателя S₂ будет иметь значение f₂=f₀+0,01k₁Δf+0,1k₂Δf, где k₁,k₂=0,1,2,...,9, а на выходе m-й декады f_m=f₀+10^-mk₁Δf+10^-(m-1)k₂Δf+...+0,1k_mΔf. Таким образом, добавление каждой новой ИД позволяет уменьшить шаг сетки в 10 раз и во столько же раз увеличить число частот в сетке. Сам ССЧ и все ИД работают примерно в одинаковой полосе выходных частот f₀... f₀+ Δf, что позволяет выполнить их из полностью идентичных элементов. Полосовые фильтры смесителей в этой схеме можно взять неперестраиваемыми.

Работу схемы (рис. 7.15) поясним на примере. Выберем значение f₀=30 МГц; Δf=1 МГц. Тогда частоты, поступающие на переключатели S_i декад, будут равны: 270 МГц, 271 МГц, 272 МГц, ... , 279 МГц. Значения частот на выходе первой декады f₁=30,0...30,9 МГц (шаг 0,1 МГц), на выходе второй – f₂=30,00...30,99 МГц (шаг 0,01 МГц), на выходе третьей – f₃=30,000...30,999 МГц (шаг 0,001 МГц) и т.д. Выбрав m достаточно большим, можно теоретически получить сколь угодно мелкую сетку частот. Однако на практике обычно берут m≤5.

Сформированную сетку частот можно перенести в заданный частотный диапазон с помощью интерполяционного принципа (рис. 7.14), просуммировав частоты f_m с одной частотой из некоторого набора f_I, f_II, f_III, ... . Пусть для примера эти частоты равны 15, 16, 17, 18 и 19 МГц. Если количество идентичных декад ограничить числом m=3, то выходная частота синтезатора будет принимать значения f_вых=45,000...49,999 МГц (f_ш=1 кГц). Очевидно, что выходной смеситель такого синтезатора должен обязательно содержать перестраиваемый фильтр, что снижает достоинства схемы.

Принцип построения синтезатора на идентичных декадах открывает возможность миниатюризации синтезатора. В нем применяются, в основном, неперестраиваемые ПФ, которые можно сделать миниатюрными (например, на поверхностных акустических волнах).

В заключение рассмотрения пассивных аналоговых ССЧ подчеркнем, что в любом из них полоса пропускания ПФ у последующих каскадов декад, как правило, шире, чем у предыдущих. Это обстоятельство является существен­ным недостатком схем пассивного синтеза с неперестраиваемыми ПФ, так как оно исключает возможность фильтрации в последующих каскадах пара­зитных компонентов преобразования, возникших в предыдущих. Использо­вание же перестраиваемых узкополосных фильтров существенно усложняет схему и конструкцию ССЧ и резко увеличивает время смены рабочих частот.