8 Синтезаторы частот

Синтезатор частоты — устройство, формирующее заданный набор частот из одной или нескольких опорных частот путем использования операций сложения, вычитания, деления и умножения.

По способу формирования выходного сигнала синтезаторы делятся на пассивные и активные. Иногда эти способы называют прямым и непрямым синтезом частот.

В синтезаторах активного типа фильтрация нужной частоты из набора осуществляется обычно с помощью активного фильтра, например кольцом ФАПЧ, включающим в себя перестраиваемый автогенератор.

В синтезаторах пассивного типа выходной сигнал формируется путем многократного преобразования исходного опорного колебания и фильтрации нужного колебания пассивными фильтрами.

Как правило, чистота спектра у пассивного синтезатора хуже, чем у активного.

8.1 Пассивные некогерентные синтезаторы

Простейший пример пассивного синтеза рассмотрим на примере интерполяционной схемы, изображенной на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Почему так своеобразно выбраны наборы частот кварцевых резонаторов?

Дело в том, что на выходе каждого смесителя образуются комбинации частот: . Если комбинационная частота какого-то порядка попала в полосу пропускания фильтра, стоящего после смесителя, она уже не может быть отфильтрована и присутствует в выходном сигнале синтезатора.

Рис. 8.2

Известно, что уровень комбинационной составляющей тем меньше чем выше ее номер. Задача разработчика так выбрать частоты на входах смесителей, чтобы уровень комбинационных попадающих в полосу фильтра был меньше допустимого по техническому заданию. Для приведенной схемы в полосу пропускания первого фильтра попадает комбинационная составляющая 11-того порядка:-nf₁+mf₂= -55мГц + 66 МГц= 11 МГц, ее уровень в хорошо спроектированных смесителях не превышает – 90 дБ (рис. 8.2).

В синтезаторах рассмотренного типа требуется большое количество кварцевых резонаторов, что усложняет задачу термостатирования. Кроме того, выходное колебание не является когерентным, так как это сумма колебаний нескольких независимых генераторов.

8.2 Пассивные когерентные синтезаторы

8.2.1 Синтезатор с идентичными декадами

Схема синтезатора приведена на рис. 8.3.

Рис. 8.3

Частоты, которые формируются в различных точках структурной схемы, представлены в таблице 8.1.

Пример. Пусть синтезатор состоит из пяти декад k = 5. Последняя декада как и на рис. 7.8 неполная. Пусть также все переключатели находятся в последнем десятом положении:n₅=n₄=n₃=n₂=n₁=9. Опорная частотаf = 1 МГц.

Если все переключатели установлены в нулевое положение,

Таблица 8.1 — Частоты в схеме синтезатора

Номер декады	На выходе фильтра	На выходе делителя
1
2
k

Нижняя частота синтезатора равна f_н = 10f. Верхняя частота равнаf_в  10f+10f . Коэффициент перекрытия по частоте можно определить из соотношения 9f+9f < 10f, откудаf < f/9 или < 1,1.

8.3 Синтезаторы на основе фапч

Основным недостатком синтезаторов пассивного типа является невозможность фильтрации нежелательных комбинационных составляющих ниже уровня – (60—70) дБ. Это определяется возможностями пассивных фильтров.

8.3.1 Простейшим активным фильтром, обеспечивающим фильтрацию более высокого уровня, является система ФАПЧ. На фазовый детектор (рис. 8.4) поступают напряжения от выходного генератора G₂и импульсной последовательности от опорного генератораG₁. Если частоты напряжений на входах ФД равны, его выходное напряжение пропорционально разности их фаз. Это напряжение через управитель частоты поддерживает частоту генератораG₂равной частоте генератораG₁. Условие синхронизма может выполняться, если частота генератораG₂будет кратна частоте генератораG₁. Управителем частоты чаще всего является варикап, включенный в контур генератораG₂. Так как варикап изменяет свою емкость при изменении постоянного управляющего напряжения, проложенного к его обкладкам, то генераторG₂часто называют генератором управляемым напряжением (ГУН).

Рис.8.4

В схеме простейшего цифрового синтезатора с ФАПЧ (рис. 8.5) для перестройки частоты ГУНа между ним и ФД включают делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД).

Рис. 8.5

Условие синхронизма в этом случае запишется следующим образом:

(8.1)

Следовательно, изменяя коэффициент деления ДПКД на единицу можно переключить (перестроить) частоту ГУН на величину равную f₁/m. Эта величина называется шагомfсинтезатора.

8.3.2 Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ

Из структурной схемы (рис. 8.5) следует, что на входах ФД суммируются фазовые шумы ОГ и ГУНа, продукты детектируются, фильтруются, усиливаются и управляют частотой ГУНа, то есть определяют его спектр. Этому соответствует структурная схема по фазовым шумам (рис. 8.6).

Рис. 8.6

Здесь: К1— коэффициент передачи ФД;

К2— коэффициент передачи ФНЧ;

К3— коэффициент передачи управителя ГУН;

U_Ш0— шумы на выходе ГУНа;

U_Ш0Г— шумы опорного генератора.

Для шумов, спектр которых лежит в полосе ФНЧ, можно записать:

(8.2)

знак «–» означает, что обратная связь в кольце ФАПЧ отрицательная. Из (8.2) следует:

(8.3)

Если К1=К2=К3, что возможно при отсутствии ФНЧ

(8.4)

Это уравнение ФНЧ первого порядка или интегратора.

Выводы:

1 Фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания петли ФАПЧ определяются фазовыми шумами опорного генератора.

2 Если частота ГУНа в n-раз выше частоты ОГ (или частоты сравнения), то фазовые шумы синтезатора на 20 lgnвыше фазовых шумов ОГ. То есть медленные изменения частоты РГ полностью отрабатываются кольцом ФАПЧ, увеличиваясь на выходе вn-раз.

Для шумов, лежащих выше полосы фильтра, в частности для шумов ГУНа, запишем:

(8.5)

То есть за полосой пропускания петли ФАПЧ шумы определяются только собственными шумами ГУНа.

8.3.3 Выбор частоты сравнения

Поскольку шаг сетки частот определяется частотой сравнения (8.1), малый шаг требует малой частоты сравнения. При этом ухудшаются две характеристики синтезатора:

- время перехода с частоты на частоту не может быть меньше постоянной времени ФНЧ (последняя определяется условием необходимой фильтрации продуктов частоты сравнения);

- большой коэффициент умножения частоты в петле ФАПЧ означает большое увеличение (на 20 lgn) шумов опорного генератора на выходе синтезатора.

Поэтому однопетлевые синтезаторы применяют только в простейших случаях.

8.3.4 Пример синтезатора приемника CR-300 (Швеция)

Схема была разработана в конце 70-х годов и элементная база того времени наложила ограничение на принятые решения. В частности ДПКД работали на частотах не более 50 МГц, поэтому пришлось сдвигать с помощью смесителей (СМ) сигналы в область их устойчивой работы. Для получения шага сетки 100 Гц и необходимого быстродействия в третьем кольце ФАПЧ выбрана частота сравнения 1 кГц, а после ГУНа поставлен делитель f/10, позволивший уменьшить шаг до 100 Гц. В этом приемнике использована первая ПЧ с частотойf = 139,3 МГц. При указанных на рис. выходных частотах синтезатора (140,8—169,3) МГц, это обеспечивает работу приемника в диапазоне (1,5—30) МГц и малый уровень комбинационных составляющих на выходе смесителя.

Рис. 8.7