4. Синтезаторы частот

Синтез частот – это процесс получения одного или нескольких колебаний с нужными значениями частоты из конечного числа исходных колебаний путем преобразования частот. Преобразования частот могут осуществляться с помощью таких операций над колебаниями, как сложение, вычитание частот, их умножение или деление на рациональные числа. Комплекс устройств, осуществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот (ССЧ).

Синтезатором частот называют ССЧ, выполняемую в виде конструктивно самостоятельного устройства.

В качестве исходного, опорного колебания используется колебание от высокостабильного генератора. ССЧ, работающие от одного опорного генератора, называют одноопорными. При двух или более опорных генераторах системы называют многоопорными. На выходе ССЧ получают совокупность номинальных значений частот, следующих друг за другом через заданный интервал, которую называют сеткой частот.

В одноопорных ССЧ обычно сначала формируют вспомогательные колебания, частоты которые называют вторичными опорными частотами. Эти частоты получают в датчике опорных частот (ДОЧ). Из этих вспомогательных колебаний в устройстве, называемом датчиком сетки частот (ДСЧ), получают необходимые выходные колебания, частоты которых образуют сетку. При этом либо одно выходное колебание может принимать любое из этих значений частот, либо одновременно на выходе существуют несколько колебаний, частоты которых соответствуют заданной сетке частот. Первый случай находит применение в возбудителях передатчиков и гетеродинах приемников, второй – в многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов.

В соответствии с ОСТ 4.208.012-77, 1979 “Аппаратура синтеза частот для радиосвязи. Термины и определения”, все типы ССЧ делятся на два класса: системы активного синтеза частот и системы пассивного синтеза частот.

Системами активного синтеза частот называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебаний синтезируемой частоты осуществляется с помощью активного фильтра в виде компенсационного кольца или в виде кольца ФАПЧ.

Системами пассивного синтеза частот называют системы когерентного синтеза, в которых фильтрация колебаний синтезируемой частоты осуществляется без применения кольца ФАПЧ или кольца компенсации.

Системы того и другого класса могут быть выполнены целиком на аналоговых элементах или с широким применением цифровой элементной базы. В последнем случае такие системы называют системами цифрового синтеза.

На рис. 12 изображена структурная схема простейшей системы пассивного синтеза, построенной на аналоговой элементной базе. Колебание опорного генератора ОГ, имеющее частоту (первичная опорная частота), подается на вход датчика опорных частот ДОЧ. В ДОЧ с помощью умножителя и делителя частоты вырабатываются два колебания с частотами и (вторичные опорные частоты), которые подаются на входы двух так называемых генераторов гармоник (ГГ1 и ГГ2).Каждый из генераторов гармоник состоит из формирователя импульсов (ФИ1 и ФИ2) и перестраиваемого полосового фильтра (Ф1 и Ф2). Первый преобразует входное квазигармоническое колебание в последовательность очень коротких (по сравнению с периодом этого колебания) импульсов той же частоты. Спектр этой последовательности содержит интенсивные высшие гармоники; фильтр настраивают на нужную из них и выделяют ее. В результате на выходах генераторов гармоник получают квазигармонические колебания с частотами и . Оба этих колебания подают на сумматор частот, состоящий из смесителя СМ и перестраиваемого полосового фильтра. Последний выделяет из спектра выходного продукта смесителя квазигармоническое колебание с нужной частотой .

Рис. 12

Если, например, , , может принимать значения 1,2,3, а – значения 20, 21, 22, ..., 39, система имеет диапазон частот от до с шагом сетки .

Недостаток рассматриваемой системы – большое число дискретных побочных составляющих выходного колебания, уровни которых трудно сделать достаточно малыми. Действительно, в спектрах выходных колебаний ДОЧ присутствуют дискретные составляющие с частотами и ,где и могут принимать все целочисленные значения. Эти составляющие, кроме составляющих и , являются побочными. Составляющие тех же частот, содержат и спектры выходных напряжений генераторов гармоник. Причем побочными здесь являются все составляющие, кроме соответствующих и . Наконец, спектр выходного сигнала всей системы состоит из множества дискретных составляющих с частотами , из которых только одна полезная. Уровень всех остальных составляющих, являющихся побочными, зависит главным образом от эффективности фильтров.

Чем больше номер гармоники в спектре импульсов при умножение частоты, тем труднее устранить помехи со стороны соседних гармоник при ее выделении. Так, например, если частота генератора = 100 кГц, то при выделении пятой гармоники относительная расcтройка сосед- них (четвертой и шестой) равна 0,2 и подавление их может обеспечиваться при помощи несложных фильтров. Если же нужно выделить двухсотую гармонику, т. е. частоту 20 МГц, то относительная расcтройка соседних (201 и 199) гармоник будет составлять 0,005 и простыми фильтрами не представляется возможным отфильтровать соседние гармоники.

На рис. 13 изображена структурная схема простейшей системы активного синтеза с кольцом компенсации.

Рис. 13

Эта система, по существу, представляет собой генератор гармоник, отличающийся от генераторов, входящих в ССЧ, рассмотренных выше, тем, что основная фильтрация в нем осуществляется с помощью эффективного полосового фильтра Ф1, настроенного на фиксированную частоту . Кольцо компенсации включает в себя, кроме Ф1, еще и плавно перестраиваемый генератор Г и два смесителя. На вход первого смесителя подаются поток импульсов с частотой и колебания от Г, который настраивают на частоту

,

где – номер гармоники, которую нужно выделить. Фильтр Ф1 выделяет из спектра выходного продукта первого смесителя составляющую с частотой и эффективно подавляет все остальные составляющие. В выходном продукте второго смесителя наиболее интенсивны составляющие с частотами и . Фильтр Ф2 настраивают на частоту так, что он выделяет вторую и подавляет первую из этих составляющих, отстоящую от второй на . Если ., то подавить первую составляющую легче, чем составляющие с частотами и в умножителе без кольца компенсации. Эффект компенсации состоит в том, что отклонение разности от вследствие некоторой неточности настройки генератора устраняется во втором смесителе, так как

.

На рис. 14 показана структурная схема простейшей системы активного синтеза с кольцом ФАПЧ, построенной на аналоговой элементной базе.

В данной схеме выходное колебание с частотой вырабатывается генератором УГ, который плавно перестраивается с помощью реактивного элемента РЭ, управляемого напряжением. Это управляющее напряжение подается на него через фильтр нижних частот ФНЧ. Совокупность генератора и реактивного элемента образует так называемый генератор, управляемый напряжением ГУН.

Рис. 14

ДОЧ вырабатывает три напряжения колебаний со вторичными опорными частотами , и . Колебание с частотой подается на генератор гармоник, на выходе которого получается квазигармоническое колебание с частотой , где может принимать некоторый ряд целочисленных значений. Колебания с частотами и подаются на устройство, называемое трактом приведения частот. Это такой тракт преобразования частот, в котором диапазон частот входного колебания (в данном случае колебания ГУН) преобразуется в более узкий диапазон частот выходного колебания или в одну частоту, которая в данном случае равна . В рассматриваемой схеме этот тракт состоит из двух сумматоров частот, каждый из которых включает в себя смеситель и выходной фильтр. На выходах сумматоров получают колебания с частотами соответственно и . Колебания с частотами и подаются на вход фазового дискриминатора. В результате работы кольца ФАПЧ устанавливается равенство

.

Следовательно

.

Если, например, = 75, = 2, = 5, а может принимать значения 20, 21, 22, ..., 39, то система имеет диапазон частот от до с шагом сетки .

Спектр колебаний на выходе тракта приведения частот изобилует дискретными побочными составляющими. Но кольцо ФАПЧ работает как эффективный полосовой фильтр и сильно понижает уровни побочных спектральных составляющих выходного колебания тракта приведения, частоты которых не очень близки к .

Структурная схема простейшей системы активного цифрового синтеза изображена на рис.15.

Рис. 15

Источником выходного колебания с частотой является ГУН. Колебания этого генератора, кроме выхода, подается на нелинейный каскад – формирователь импульсов ФИ, преобразующий его в поток импульсов той же частоты, который поступает на вход делителя частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД, построенного на цифровой элементной базе и работающего по принципу счета импульсов. Коэффициент деления этого делителя можно устанавливать равным любому целочисленному значению в пределах от до . Поток импульсов с частотой и аналогичный поток с частотой , сформированный из колебаний опорного генератора, подается на импульсно-фазовый дискриминатор ИФД. Его выходное напряжение через фильтр нижних частот поступает на управляющий элемент УЭ ГУН. Таким образом, замыкается кольцо ФАПЧ, в результате работы которого устанавливается равенство или .

Данная система работает как умножитель частоты. Ее частотный диапазон простирается от до , а шаг сетки частот равен . Возможность получения очень больших коэффициентов умножения сочетается в этой системе с хорошими фильтрующими свойствами.

Перекрытие диапазона с помощью группы управляемых генераторов

В рассмотренных выше системах активного синтеза частот с кольцом ФАПЧ управление частотой выходного генератора осуществлялось с помощью включения в его колебательный контур УЭ, реактивное сопротивление которого может изменяться при воздействии на него напряжения. Однако следует отметить, что используемые в настоящее время УЭ (варакторы) имеют ограниченные пределы изменения реактивности. В диапазонных синтезаторах частот величина перекрытия диапазона достигает значения . Добиться такого же перекрытия диапазона с помощью УЭ практически невозможно, ибо их коэффициент перекрытия составляет 1,2–2,0.

Конечно, величину можно увеличить путем введения в контур генератора дополнительных постоянных или переменных реактивных элементов – емкостей, индуктивностей. Этот метод широко применяется в диапазонных передатчиках и гетеродинах всеволновых приемников. Однако он обладает рядом недостатков:

введение дополнительных конденсаторов с целью увеличения приводит к тому, что снижается эффективность управляющего воздействия, а, следовательно, и всей системы ФАПЧ. При этом такие показатели, как полоса захвата и удержания, будут зависеть от рабочего участка диапазона;

при высоких значениях трудно обеспечить постоянство таких характеристик управляемого генератора, как неизменность амплитуды выходного напряжения на нагрузке, постоянство полосы пропускания контура генератора и т. д.;

использование в системах перестройки механических или электро- механических приводов снижает оперативность управления частотой синтезатора, так как увеличивает время перехода с частоты на частоту и усложняет систему дистанционного управления.

Таким образом, величину коэффициента перекрытия желательно ограничить. Однако брать его меньше, чем УЭ нецелесообразно. Иногда задача перекрытия может быть решена следующим путем. Весь диапазон разбивается на поддиапазоны с коэффициентом перекрытия, соответствующим коэффициенту перекрытия УЭ, и путем введения нескольких управляемых генераторов для перекрытия каждого участка можно добиться перекрытия всего диапазона. Введение в работу того или иного генератора целесообразно производить с помощью подачи на него напряжения питания. Это обеспечит достаточно быстрое время установления амплитуды и фазы колебания после включения, измеряемое порядком 100 периодов рабочего колебания. Пример построения такого синтезатора с использованием активного цифрового синтеза приведен на рис. 16, на котором, кроме ДПКД, в канал опорного сигнала и в канал приведения введены делители (Д1 и Д2) с постоянными коэффициентами деления.

Сравнивая системы пассивного и активного синтеза, можно отметить, что системы пассивного аналогового синтеза частот обладают следующими важными достоинствами. Структуры этих систем в принципе просты. Они могут включать в себя большое количество операционных узлов, но все узлы пассивные. Их инерционность сравнительно невелика. Поэтому время установления частоты выходных колебаний может быть доведено до микросекунд, десятков и даже единиц наносекунд. Так как в этих системах нет автогенераторов, вероятность появления на выходе колебаний с частотой, отличной от установленного значения, мала.

Рис. 16

Но таким системам присущи и серьезные недостатки. В них трудно получить выходные колебания с высокой чистотой спектра. Повышение чистоты спектра достигается применением большого количества высокоэффективных фильтров в операционных узлах ССЧ. При современном уровне развития техники нужные фильтры далеко не на всех частотах поддаются микроминиатюризации. В результате увеличиваются габариты, масса и стоимость аппаратуры, усложняется ее производство.

В таких системах, как правило, используется большое число вспомогательных частот колебаний, к которым предъявляются требования более жестокие, чем требования к выходному колебанию всей системы. Это усложняет и удорожает ССЧ.

Уровень побочных спектральных составляющих на выходе аналоговых систем пассивного синтеза частот при = 3 кГц обычно снижается на 60–80 дБ. С помощью специальных узкополосных перестраиваемых усилителей эта величина может быть доведена до 130–140 дБ. Но следует иметь ввиду, что применение таких селекторов усложняет систему и, что еще важнее, растет время установления частоты колебаний, т.е. система лишается своего основного достоинства.

Системы пассивного цифрового синтеза обеспечивают такую же высокую скорость перестройки, как и системы пассивного аналогового синтеза. Но, в отличие от аналоговых, современные цифровые ССЧ выполняются, как правило, на интегральных и больших интегральных схемах, что уменьшает габариты и упрощает производство.

Общим достоинством систем пассивного синтеза частот является то, что уменьшение шага сетки достигается в них без особых затруднений.

Основным достоинством систем активного синтеза является высокая спектральная чистота выходных колебаний. В этих системах уровень побочных составляющих при = 3 кГц удается снизить на 100–120 дБ, причем с увеличением отстройки этот уровень понижается.

Однако уменьшение уровня побочных спектральных составляющих достигается за счет увеличения времени установления частоты колебаний. Также возрастает вероятность появления на выходе системы колебаний с частотой, не соответствующей установленному значению, например при разрыве кольца ФАПЧ автогенератора. Верхняя граничная частота цифровых активных ССЧ, как и пассивных цифровых, определяется быстродействием используемых элементов.

Сокращение шага сетки частот ( < 200 Гц) в активных ССЧ, как правило, сопряжено с определенными трудностями.

Выбор того или иного метода синтеза частот зависит от требований, предъявляемых к конкретному устройству. Если основным требованием является высокая скорость перестройки, то предпочтение отдается системам пассивного синтеза; если же требуется обеспечить высокую спектральную чистоту выходных колебаний, то предпочтение должно быть отдано активному синтезу. Однако сегодня во всех случаях предпочтение, как правило, отдается цифровым системам.

В реальных ССЧ очень часто для удовлетворения противоречивых требований используют одновременно несколько методов синтеза.