5. Методы формирования и стабилизации сетки частот

Этот раздел посвящён методам построения структурных схем синтезаторов частот. Как известно, для удовлетворения возросших требований к синтезаторам частот было разработано целое семейство новых методов – методов когерентного синтеза частот.

Их можно разбить на две группы:

1) методы прямого синтеза;

2) методы косвенного синтеза;

В синтезаторах прямого синтеза выходное колебание формируют непосредственно из эталонного, выделяя нужную частоту узкополосными фильтрами.

В синтезаторах непрямого (косвенного) синтеза выходной сигнал вырабатывают в перестраиваемом по частоте генераторе (ПГ), текущая частота которого непрерывно сравнивается с эталонной и поддерживается с высокой точностью с помощью системы частотной или фазовой автоподстройки частоты.

Обычно синтезаторы сетки частот состоят из двух блоков:

датчика опорных частот (ДОЧ) и датчика сетки частот (ДСЧ). В ДОЧ формируются вспомогательные колебания опорных частот, из которых в ДСЧ синтезируются выходные колебания с заданной частотой.

В радиопередающей аппаратуре наиболее широко используются синтезаторы с шагом сетки Fс = 10k Гц, где k — целое положительное или отрицательное число или нуль. При этом значения частот, образующих сетку, описываются соотношением

(27)

где все ni могут принимать целочисленные значения от 0 до 9, m — число значащих цифр в относительном значении максимальной частоты на выходе синтезатора.

Пассивные синтезаторы (метод прямого синтеза частот)

Метод прямого синтеза частот основан на использовании операций сложения, вычитания, умножения и деления частот, формируемых от одного высокостабильного кварцевого генератора.

Примером простейшего является синтезатор, структура которого приведена на рис. 7.1. Из колебаний эталонного кварцевого задающего генератора ЗГ с помощью нелинейного преобразователя (генератора гармоник) формируют последовательность

очень коротких прямоугольных импульсов. Если длительность этих импульсов во много раз меньше их периода повторения, то их спектр богат гармониками.

Рис. 7.1 — Структурная схема датчика опорных частот с умножителем частоты

С помощью узкополосных фильтров в селекторе гармоник выделяется сигнал требуемой частоты. Степень подавления нежелательных компонент на выходе синтезатора определяется параметрами фильтров.

В более сложных синтезаторах, построенных по методу прямого синтеза, используется декадный синтезатор (рис. 7.2). Полосовые фильтры выделяют сигналы суммарной частоты. Далее частота выделенного сигнала уменьшается в 10 раз делителем.

(28)

m — коэффициент кратности частоты.

Рис. 7.2 — Декадный синтезатор частот

Добавление каждой новой декады уменьшает шаг формируемой сетки в 10 раз и во столько же раз увеличивает число формируемых частот.

Синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты (косвенный метод)

Выделить нужную гармоническую составляющую с помощью резонансных систем простыми способами не удается, поэтому для выделения частотной составляющей в широком диапазоне частот применяют системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Структура кольца ФАПЧ показана на рис. 7.3, где обозначено: ДПКД — делитель с переменным коэффициентом деления, ФД — фазовый детектор, УЭ — управляющий элемент (варикап генератора), ПГ — перестраиваемый генератор.

Рис. 7.3 — Кольцо ФАПЧ в синтезаторе по методу непрямого синтеза сетки частот

Выходное напряжение фазового детектора определяется разностью фаз напряжений, действующих на его входах. Выходное напряжение ФД через ФНЧ воздействует на УЭ, который изменяет частоту ПГ таким образом, что в установившемся режиме частота его колебаний равна Nfзг, где fзг — частота задающего генератора, N — коэффициент деления ДПКД. В качестве примера нарисунке 7.4 приведена схема синтезатора, где используется два делителя — с коэффициентами деления R и N.

В схеме на рис. 7.4 отношение частоты выходного сигнала к

частоте кварцевого автогенератора равно N/R. При этом можно

считать, что в схеме обеспечивается дробный коэффициент умножения частоты, если N и R — взаимно простые пары чисел. Такую схему синтезатора называют «интерполяционной».

Рис. 7.4 Синтезатор частот с двумя делителями

Широко распространены синтезаторы с дробными N-делителями в цепи обратной связи (например — в передатчиках ADF7010, ADF7012, синтезаторах ADF4153, ADF4154, SAA8028).

Делением частоты с помощью счётчиков невозможно обеспечитьдробный коэффициент деления, поэтому используют следующийприём Пусть требуется получить коэффициент деления N+q/M, где N, q и M — целые числа, причём M > q, N — целая

часть коэффициента деления, q/M — его дробная часть. В течение первых q циклов деления коэффициент деления ДКПД устанавливается равным N+1, а в последующих M – q циклах — равным N. Тогда средний за M циклов коэффициент деления

Nср = {(N+1)q+N(M – q)}/M = N+q/M. (29)

При этом сигнал на выходе синтезатора будет иметь нужную частоту, но с некоторым колебанием фазы, изменяющейся по периодическому закону. Следовательно, спектр его будет содержать побочные составляющие, причём уровень этих составляющих не будет превышать 20lg(ΔT / Tср) = 20lg(ΔT·fср), где ΔT — разность между максимальным и минимальным значениями периода генерируемых колебаний, Tср и fср=1/Tср —средние значения периода и частоты соответственно.

Один из примеров структуры синтезатора с дробным делителем приведён на рис. 7.5. В состав дробного делителя входят цифровой накопительный сумматор с объёмом М, счётчик с объёмом q и цифровой делитель частоты N / (N+1). Коэффициент деления N или N+1 зависит от управляющего сигнала на выходе счётчика СЧ.

Рис. 7.5 — Структурная схема PLL-синтезатора с дробным делителем частоты в цепи обратной связи: ОГ — опорный генератор; ФЧД — фазочастотный детектор;

ФНЧ — фильтр нижних частот; ГУН — генератор, управляемый напряжением; НС — накопительный сумматор; N/(N+1) — делитель частоты; СЧ — счетчик импульсов.

Делитель с дробным коэффициентом деления работает следующим образом. Пусть в некоторый момент времени в накопительном сумматоре НС и в счётчике СЧ записаны нули. Импульсы с выхода ГУН поступают на делитель N/N+1, а с его выхода — на счётчик СЧ и на ФЧД. До тех пор, пока число в счётчике не превышает значение q, коэффициент деления делителя равен N+1. При переполнении счётчика СЧ после

прохождения q импульсов на его выходе в точке 4 появляется сигнал, под действием которого коэффициент деления делителя изменяется и становится равным N. Для последующих М – q импульсов коэффициент деления делителя остаётся равным N.

Когда заполнится ёмкость накопительного сумматора НС, его выходной импульс переполнения (в точке 2) сбрасывает счётчик в исходное состояние и процесс начинается вновь. Таким образом, за М периодов следования импульсов опорного генератора в точке 5 проходит q периодов сигнала с частотой f/(N+1) и M – q периодов с частотой f/N. Это логическое условие выражается следующим равенством:

M/f0 = q(N+1)/f + (M – q)N/f. (30)

Выразив отсюда выходную частоту через входную, получим fвых = (N+q/M)f0.

Пример. М = 105, N = 123, q = 45678, f0 = 105 Гц, Δf = 1 Гц.

Преимущества синтезаторов с дробным коэффициентом деления:

– значительное уменьшение фазового шума;

– значительное уменьшение времени установления (переходного процесса); например, дробный делитель ИС ADF4252 позволяет получить время переходного процесса < 20 мкс, при целом коэффициенте деления N время установления порядка 250 мкс;

– малый шаг сетки частот.

Недостатком PLL-синтезаторов с дробными делителями является повышенное содержание паразитных составляющих, т.к.хотя и средний коэффициент деления корректен, мгновенное деление — некорректно.

Сравнение методов синтеза частот

Методы прямого синтеза предпочтительны в тех случаях, когда на выходе синтезатора требуется несколько когерентных сигналов с разными частотами. В прямых методах можно обеспечить сколь угодно малый шаг сетки частот выходного сигнала (до

тысячных долей герца) при использовании, например, метода идентичных декад. Время переключения с одной частоты на другую может быть доведено до единиц наносекунд.

Недостатки синтезаторов прямого синтеза — трудно получить сигнал с высокой чистотой спектра: при преобразовании, умножении и делении частот возникают побочные составляющие, увеличиваются шумовые компоненты. Для повышения чистоты спектра приходится использовать большое число фильтров, не всегда поддающихся микроминиатюризации.

При косвенных методах (активный синтез) выходной сигнал получают от перестраиваемого генератора без каких-либо нелинейных преобразований. Поэтому основное преимущество косвенных методов — низкий уровень побочных спектральных составляющих, достигающий — 115 дБ. Основные узлы активных синтезаторов легче реализовать на интегральных микросхемах.

Недостатками методов активного синтеза являются: сравнительно большое время перестройки с одной частоты на другую, трудности уменьшения шага сетки частот, возможность генерации выходного сигнала, частота которого не соответствует установленной органами управления (при выходе из строя кольца ФАПЧ, при ложных захватах по частоте системой ФАПЧ). [2]