Синтезаторы частот

В соответствии с установленной терминологией синтезатором частоты называется устройство для формирования гармонических колебаний заданных частот (сетки частот) из колебаний одного или нескольких ОГ. ОГ называется тот, который определяет стабильность выходного сигнала возбудителя передатчика (ГОСТ 24375—80).

Возбудитель объединяет синтезатор и фильтры, выделяющие из сетки частот, созданной синтезатором, колебания одной частоты для подачи на вход тракта усиления и модуляции передатчика. Возбудитель может быть также источником гетеродинных частот для приемника.

Многие передатчики современных РТС работают на жестко фиксированных частотах, число которых может достигать нескольких тысяч, как, например, в связных радиостанциях. В первых отечественных самолетных радиостанциях, имевших по нескольку сот фиксированных частот, стабилизация осуществлялась по методу «кварц-частота». Этот метод прост, но хранение и транспортирование полного комплекта сменных РК были связаны с большими неудобствами. Этот метод ввиду своей завидной простоты использован и в современных РЭС, где число рабочих частот незначительно и весь комплект РК установлен постоянно в возбудителе, например в РСБН-6С, а также в некоторых РЛС.

К настоящему времени предложен ряд методов построения синтезаторов, обеспечивающих формирование дискретной сетки частот, стабилизированной ограниченным числом РК.

Обобщая суть всех методов, можно сказать, что они основаны на использовании гармоник и субгармоник колебаний ОГ и их различных комбинаций. Число используемых РК колеблется от нескольких десятков до одного. Например, в радиостанции «Эвкалипт-М» их 32 шт., а в радиостанциях типа Р-862 — один для того же диапазона частот.

Наиболее перспективными считаются синтезаторы с декадными преобразователями частоты, выполненные на элементах цифровой техники, за что они получили название цифровых.

Достоинством таких синтезаторов является высокая стабильность частоты, определяемая одним прецизионным РК совместно с параметрическими методами стабилизации. Главными их недостатками можно назвать сложность схемы, большое число нелинейных преобразований, трудности фильтрации колебаний необходимой комбинационной частоты.

Фильтрация колебаний синтезатора

Выделение колебаний требуемой частоты из сетки частот синтезатора осуществляется пассивными и активными частотными фильтрами. Пассивный фильтр не содержит, а активный содержит усилительные элементы. Мощность побочных колебаний на выходе возбудителя должна быть более чем на 60 дБ ниже мощности колебаний требуемой частоты. Такое подавление должны обеспечить фильтры.

Широкое распространение получили перестраиваемые LC-фильтры в качестве НС в каскадах преобразования частоты (умножения, деления, суммирования и вычитания) непосредственно в самих синтезаторах и в выходных усилительных каскадах возбудителей. Метод пассивной фильтрации прост, но изготовление перестраиваемых узкополосных фильтров сопряжено с серьезными трудностями. Пассивные фильтры находят применение и в схемах активных фильтров.

Рассмотрим методы активной фильтрации и реализующие их схемы. К числу методов активной фильтрации относятся метод компенсационного кольца (компенсационного генератора) и методы автоматической подстройки частоты; частотная автоподстройка (ЧАП), фазовая автоподстройка (ФАП), импульсно-фазовая автоподстройка частоты (ИФАП).

Структурная схема устройства, реализующего метод компенсационного кольца, показана на рис. 3. На первый смеситель См1 поступают колебания с синтезатора С и от компенсационного генератора ГК, но фильтр Ф1 выделяет только колебания промежуточной частоты: f_ПЧ1 = f_С—f_ГК, а колебания остальных комбинационных частот подавляет. Далее колебания подаются на второй смеситель См2, куда также поступают колебания с компенсационного генератора, но фильтр Ф2 выделяет только колебания суммарной частоты:

f = f_ПЧ1+ f_ГК = f_С - f_ГК + f_ГК = f_С, f = f_С

Рис. 3. Структурная схема активной фильтрации колебаний синтезатора по методу компенсационного кольца.

Таким образом, выделяется колебание одной частоты из сетки частот синтезатора, остальные надежно подавляются. Особая сложность реализации метода состоит в трудности точного сопряжения настройки перестраиваемого компенсационного генератора с синтезатором, чтобы f_С — f_ГК = f_ПЧ1. Метод компенсационного, кольца применен, например, в возбудителе радиостанции Р-864.

Обобщенная структурная схема устройства, реализующего методы ЧАП и ФАП, изображена на рис. 4, где под различителем Р при ЧАП понимается частотный детектор, а при ФАП — фазовый. Рассмотрим работу устройств по приведенной схеме. На различитель подаются колебания с синтезатора и генератора, управляемого напряжением (ГУН). Различитель вырабатывает управляющее напряжение U_y, пропорциональное величине и знаку разности частот fс - f_гун. Через ФНЧ управляющее напряжение подается на управитель У, например варикап, который настраивает ГУН на частоту f_гун ≈ fс. Колебаний других частот синтезатора на выходе ГУН не будет.

Рис. 4. Структурная схема активной фильтрации колебаний синтезатора по методам ЧАП и ФАП.

Н аиболее перспективной считается ИФАП, схемно реализуемая на основе элементной базы цифровой техники. Рассмотрим упрощенный вариант структурной схемы возбудителя с ИФАП (рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема возбудителя с ИФАП

Гармонические колебания опорного генератора (ОГ) и ГУН преобразуются формирующими устройствами (ФУ) в однополярные импульсы той же частоты, а делители с переменным коэффициентом деления ДПКД преобразуют их в импульсные последовательности с приблизительно одинаковой частотой следования (f_ог/m = f_гун/n). Эти последовательности подаются на входы импульсно-фазового детектора (ИФД), вырабатывающего управляющее напряжение, величина и полярность которого обеспечивают настройку ГУН на частоту f_гун≈ (n/m)f_ог и ее стабилизацию.

Синтезатор частоты согласно изображенной схеме (рис. 5) включает ОГ, ФУ1 и ДПКД1, на выходе которого получается сетка субгармоник частоты ОГ (m>1, n>1). ИФАП применена в возбудителях радиостанций типа Р-862, Р-864.

Конструктивно возбудители обычно реализуются в виде отдельных блоков, иногда совмещены с модулятором и приемным трактом. В последнем случае блок называется приемовозбудителем, как в упомянутых выше радиостанциях.

Стабильность и точность установки частоты ОГ проверяются с применением атомных стандартных генераторов частоты, например рубидиевого стандарта частоты 41-50, или по радиосигналам на эталонных частотах Общесоюзной системы проверки средств измерения времени и частоты, которые имеют на несколько порядков меньшую относительную нестабильность. Для коррекции частоты ОГ последовательно с РК включается подстроенные конденсатор или катушка индуктивности. Вместо подстроечных конденсаторов часто применяются варикапы, например, в ОГ типа ГО-4А радиостанций Р-862, Р-863, Р-864.

В области теории и практики кварцевой стабилизации частоты ряд основополагающих работ выполнен советскими учеными Б. К. Шембелем, В. А. Левиным, А. Ф. Полонским, В. Я. Баржиным и др.