9.1. Требования к синтезаторам частот

При построении возбудителя с высокими требованиями к номи­нальному значению несущей частоты, чистоте спектра, параметрам модуляции и возможностям управления параметрами сигнала в широких пределах приходится решать трудную и противоречивую техническую задачу одновременного обеспечения стабильности и управляемости параметров формируемого колебания. Она решается с помощью операций синтеза частот.

Синтезом частот называют процесс получения одного или нескольких колебаний с нужными номинальными значениями частот из конечного числа исходных колебаний путем преобразования час­тот, т.е. с помощью таких операций над колебаниями, при которых происходит сложение, вычитание, умножение или деление на рацио­нальные числа частот исходных колебаний. Комплекс устройств, осу­ществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот. Если система выполнена в виде конструктивно самостоятельного устрой­ства, то это устройство называют синтезатором частот (СЧ).

Колебания, являющиеся исходными в процессе синтеза частот, получают от источников колебаний с высокой стабильностью час­тоты, которые называют опорными генераторами (ОТ). Современ­ные СЧ, как правило, работают от одного ОГ, поэтому далее рассмат­риваются только такие СЧ.

Реальные СЧ выполняются либо с внутренним ОГ, либо с входом для внешнего ОГ, либо с возможностью использования как внутрен­него ОГ, так и внешнего.

Синтезаторы частот применяют в качестве: а) источников колеба­ний несущей частоты в радиопередающих устройствах; б) гетероди­нов в радиоприемных устройствах; в) генераторов опорных колеба­ний в измерительной технике при формировании сигналов с различными видами модуляции; г) устройств переноса свойства ста­бильности частоты из одного диапазона частоты в другой.

Для оценки свойств СЧ важны следующие параметры: 1) рабочий диапазон выходных частот и выходная мощность; 2) шаг по частоте; 3) частота и мощность опорного колебания; 4) собственный фазовый

шум; 5) содержание в спектре выходного сигнала высших гармоник и паразитных сосредоточенных составляющих (ПСС) спектра колеба­ний; 6) длительность процесса перестройки частоты от одного диск­ретного значения к другому.

Среди вспомогательных параметров СЧ имеют технико-экономи­ческое значение: вид интерфейса и способ установки параметров СЧ; напряжение питания и потребляемая мощность; возможности управ­ления выходными колебаниями; чувствительность к вариациям пара­метров внешней среды и электропитания; конструктивные свойства и цена изделия.

Рассмотрим способы количественного определения основных параметров СЧ. Ширина диапазона рабочих частот В = f_верх - f_ниж часто характеризуется также относительной величиной Вf_ср (где f = ( f_верх ⁺ f_ниж — средняя частота), а также коэффициентом перекры­тия по частоте = f_верх/f_ниж. Различают узкополосные СЧ с B / f_cp < 10 %, октавные СЧ с kj да, сверхширокополосные СЧ с k_f- > 2.

Форма выходного сигнала СЧ чаще всего близка к синусоидальной.

Эффективное значение выходной амплитуды с U_вых не является критическим параметром и характеризуется мощностью Р_вых = U_вых / R на номинальной активной нагрузке R. По умолчанию R = 50 Ом. Мощность Р_вых измеряется в децибелах относительно мощности 1 мВт: Р_вых [дБм] = 10. Обычно для СЧ значение Р_вых находится в пределах (-2 ... +10) дБм.

Сетка частот СЧ, как правило, равномерная, а шаг по частоте Д/ принимает значения от долей герца до единиц мегагерц. Количество дискретных частот может достигать 10⁶ ... 10¹² .

Если в качестве ОГ используется квантовый генератор, то значе­ние опорной частоты f_п определяется используемым квантовым переходом с 10... 12 достоверными десятичными разрядами.

Специали­зированные СЧ, называемые схемами переноса стабильности частоты, применяются в составе квантовых стандартов частоты и обеспечи­вают формирование выходных колебаний со стандартизованными значениями выходной (опорной) частоты f_оп = 1 МГц или f_оп = 5 МГц при относительной погрешности воспроизведения частоты от при­бора к прибору, от включения к включению и за время измерения от 1c до 12ч не более 10^-12. В автономных СЧ массового применения в качестве ОГ используют автогенераторы со стабилизирующими кварцевыми резонаторами, которые обеспечивают относительную нестабильность частоты порядка 10^-5 ...10^-8 .

Важной технической характеристикой, определяющей качество сиг­нала любого источника гармонических колебаний, является спектраль­ная плотность мощности его фазовых шумов S_φ(F), где F — частота Фурье-анализа. Значение S_φ(F) измеряют анализатором фазовых шумов, включающим в себя генератор с прецизионной стабильно­стью, устройство выделения разности фаз φ(t) между эталонным и измеряемым колебанием и анализатор спектра случайного процесса φ-величина S(F) — это СПМ фазового шума, т. е. средний квад­рат фазового шума, выраженного в радианах в полосе 1 Гц в окрест­ности частоты анализа F. Величина Sy(F) уменьшается по мере уве­личения частоты анализа F, достигая не зависящего от F уровня «белого фазового шума» S_φ(F) при больших значениях F. Для про­стоты вместо графика S_φ(F) уровень фазового шума характеризуют зна­чениями СПМ для нескольких значений частоты анализа, например для 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц и т.д. По характеристике Sφ(F) можно определить СПМ флуктуационных отклонений от номинальной частот.

Оценочная кратковременная нестабильность частоты СЧ определя­ется среднеквадратичным паразитным отклонением частоты,

∆f_ско = , где F_н и F_в — граничные значения полосы частот

анализа. По умолчанию принимают F_н= 100 Гц, F_в = 10 МГц. Неста­бильность стандартов частоты нормируется за определенное время, например за секунду, сутки, год или за отрезок времени 1/F_н, харак­терный для конкретной радиосистемы (скажем, за время передачи нескольких информационных бит сообщения).

В международных стандартах принято указывать не СПМ самих фазовых шумов S_φ(F), а выраженный в децибелах относительный уровень СПМ шумовой части энергетического спектра выходного колебания u(t), обусловленной шумовой фазовой модуляцией φ_ш(t) при отстройках от несущей (f - f_вых), равных F по абсолютному зна­чению. Эту величину, как и в § 8.7, будем обозначать L_φ(F) и назы­вать СПМ фазового шума синтезатора в одной боковой полосе. Рас­чет СПМ колебания u(t) с фазовой модуляцией φ_ш(t) показывает, что значения L_φ(F) одинаковы при положительных и отрицательных отстройках от несущей и связаны с S_φ(F) соотношением

L_φ(F) = L_φ(-F) = 10 lg[0,5S_φ(F)] = 10 lg S_φ(F) - 3.

В справочниках для СЧ и других источников колебаний указы­вают значение L_φ(F). Из предыдущей формулы видно, что эта вели­чина на 3 дБ меньше чем 10 lg[S_φ(F)].

Спектр полного радиочастотного выходного колебания СЧ кроме шумовых составляющих вблизи несущей частоты может содержать сосредоточенные по частоте (дискретные) составляющие на частотах, кратных несущей (высшие гармонические компоненты), на комбина­ционных частотах и на частотах, кратных частотам периодических процессов, например частота дискретизации (паразитные спектраль­ные составляющие — ПСС).

Компоненты ПСС образуются из-за недостаточной фильтрации продуктов комбинационных взаимодей­ствий смешиваемых сигналов высокого порядка на нелинейных эле­ментах, входящих в состав СЧ. Широкое использование цифровых узлов и способов синтеза приводит к появлению дополнительных ПСС из-за помех цифроаналогового преобразования. Уровни высших гармоник и ПСС могут на десятки децибел превышать уровень фазо­вых шумов L_φ(F).

Изменение выходной частоты СЧ от одного дискретного значения к другому сопровождается переходным процессом, длительность которого характеризуется временем τ_пер, за которое частота прибли­жается к новому дискретному значению, отличающемуся от исход­ного на ∆fс допустимой погрешностью. Для некоторых схем СЧ допускается быстрая модуляция частоты при стабилизации среднего ее значения. В таком случае допустимую скорость перестройки характеризуют частотой модуляции F_M, при которой девиация выход­ной частоты уменьшается в раз по сравнению с квазистатиче­ским изменением управляющего сигнала.