Широкополосный синтезатор частот

Широкополосный синтезатор частот

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, в измерительной технике, в технике связи, а именно в устройствах, где требуется быстрая перестройка частоты в широких пределах и высокая чистота спектра выходного сигнала.

Известны синтезаторы частот [Приложение №1. Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. Радио и Связь, 1981 г., с.102-111] на основе опорного генератора, формирующего несколько значений фиксированных опорных частот, устройства коммутации сигналов опорных частот и последовательно включенных блоков. Каждый из блоков содержит смеситель, полосовой фильтр (ПФ) и делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления. Перестройка частоты достигается независимой коммутацией частот опорных сигналов в каждом блоке.

Первым недостатком данных синтезаторов является узкая полоса перестройки выходной частоты, так как для получения низкого уровня дискретных составляющих необходимо обеспечивать такое соотношение между преобразуемыми частотами сигналов, поступающих на вход гетеродина и вход ПЧ смесителя, чтобы исключить попадание паразитных спектральных составляющих выходного сигнала смесителя в полосу пропускания ПФ. На практике данное соотношение должно быть не менее 10. Вторым недостатком является необходимость большого количества блоков для получения малого шага перестройки частоты, что делает конструкцию синтезатора достаточно сложной.

Известен синтезатор частот (авторское свидетельство SU №1695488), содержащий опорный генератор, блоки формирования сетки частот и формирователь управляющих сигналов. Каждый блок содержит смеситель, ПФ и делитель с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД). Коэффициент деления переключают с помощью формирователя управляющих сигналов. В каждом блоке на вход ДПКД поступает сигнал с выхода смесителя предыдущего блока, на вход гетеродина смесителя поступает сигнал опорной частоты, на вход промежуточной частоты (ПЧ) поступает сигнал с выхода ДПКД. Для первого блока сигнал опорной частоты поступает одновременно на ДПКД и вход гетеродина смесителя. Перестройка частоты достигается независимым переключением коэффициентов деления ДПКД в каждом блоке. Количество синтезируемых частот определяется количеством сочетаний значений коэффициентов деления ДПКД D_i и увеличивается в геометрической прогрессии при увеличении количества блоков формирования сетки частот. В данном устройстве обеспечивается подавление комбинационных составляющих, возникающих при преобразовании частоты, во всех блоках кроме последнего за счет последующего деления частоты.

Недостатком данного устройства в случае низкого уровня паразитных составляющих и малого шага перестройки частоты является узкий диапазон перестройки частоты. Чем больше минимальное значение коэффициента деления ДПКД D_i,min, тем меньше будет уровень паразитных спектральных составляющих в выходном сигнале синтезатора, но, одновременно, тем меньше будет ширина полосы перестройки у выходной частоты, теоретически не более , где f_{вых max} - максимально возможное значение частоты выходного сигнала, D_min - минимальное значение коэффициента деления ДПКД в последнем блоке. С учетом необходимости обеспечения низкого уровня комбинационных составляющих, возникающих за счет нелинейности смесителя и попадающих в полосу полезного сигнала, соотношение между частотами сигналов, поступающих на вход гетеродина и вход ПЧ, должно быть не менее 10. В результате ширина полосы перестройки частоты выходного сигнала составит несколько процентов от частоты опорного сигнала.

Известен также синтезатор частот (патент US №5495202), который состоит из опорного генератора, цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС), блока преобразования и деления частоты и блока преобразования частоты вверх. Блок преобразования и деления частоты состоит из смесителя, полосового фильтра, делителя с фиксированным коэффициентом деления и фильтра нижних частот. Блок преобразования частоты вверх состоит из смесителя и полосового фильтра. За счет преобразования частоты сигнала ЦСПС в диапазон высоких частот и последующего деления частоты достигается уменьшение уровня паразитных дискретных составляющих в спектре выходного сигнала до желаемого уровня при сохранении высокой скорости перестройки частоты. Блок преобразования частоты вверх обеспечивает перенос выходной частоты блока преобразования и деления частоты в требуемый диапазон частот.

Недостатком данного синтезатора является узкий диапазон перестройки частоты, так как получаемая полоса перестройки выходной частоты меньше диапазона перестройки частоты ЦСПС в D раз, где D - коэффициент деления делителя.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является синтезатор (патент US №4791377), который состоит из четырех формирователей сигналов опорных частот на основе генераторов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), ЦСПС, формирователя команд управления, блоков преобразования и деления частоты и блока преобразования частоты вверх. Каждый блок преобразования и деления частоты состоит из смесителя, полосового фильтра и делителя с фиксированным коэффициентом деления. Блок преобразования частоты вверх состоит из смесителя и полосового фильтра. Данный синтезатор обеспечивает высокую скорость перестройки частоты. Другим достоинством является широкая полоса перестройки частоты выходного сигнала: отношение максимального значения частоты выходного сигнала к минимальному составляет 1,453.

Однако при сохранении широкого диапазона перестройки частоты данное устройство не позволяет получить высокий уровень подавления паразитных спектральных составляющих из-за малого значения коэффициента деления делителей частоты и структуры блоков преобразования и деления частоты, в которых на входы гетеродина и ПЧ смесителей поступают сигналы с некратными частотами. При этом значение частоты сигнала на входе ПЧ смесителей всего в 3 раза меньше значения частоты на входе гетеродина смесителей, что приводит к попаданию комбинационных составляющих низкого порядка, имеющих высокий уровень, в полосу пропускания полосового фильтра на выходе смесителя.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение ширины диапазона перестройки частоты синтезатора при обеспечении высокой чистоты спектра выходного сигнала и высокой скорости перестройки частоты.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в широкополосном синтезаторе частот, содержащем перестраиваемый по частоте источник сигнала, формирователь команд управления и блоки расширения диапазона перестройки частоты, причем вход первого блока соединен с выходом источника сигнала и каждый из блоков содержит смеситель, полосовой фильтр и делитель; в каждом блоке расширения диапазона перестройки частоты делитель выполнен с переключаемым коэффициентом деления и имеет высокочастотный вход и вход управления, при этом в каждом блоке высокочастотный вход делителя и вход гетеродина смесителя соединены со входом блока, вход управления делителя соединен с выходом формирователя команд управления, выход делителя соединен с входом промежуточной частоты смесителя, выход последнего соединен через полосовой фильтр с выходом блока, и блоки соединены так, что вход каждого последующего блока соединен непосредственно с выходом предыдущего.

Кроме того, заявляется широкополосный синтезатор частот, в котором к выходу последнего блока расширения диапазона перестройки частоты подключен дополнительно блок расширения диапазона перестройки частоты посредством выполненных с возможностью управления двух коммутаторов, первый из которых имеет один вход, соединенный с выходом последнего блока, и два выхода, первый из которых соединен с первым входом второго коммутатора, имеющего два входа и один выход, второй - с входом добавленного блока, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора.

Кроме того, заявляется широкополосный синтезатор частот, в состав которого дополнительно введен делитель с переключаемым коэффициентом деления, высокочастотный вход которого соединен с выходом второго коммутатора, вход управления - с выходом формирователя команд управления.

Кроме того, заявляется широкополосный синтезатор частот, в котором перестраиваемый по частоте источник сигнала состоит из формирователя сигналов опорных частот, узла формирования сигналов гетеродина, содержащего смеситель, делитель с переключаемым коэффициентом деления, фильтр нижних частот и полосовой фильтр, узла формирования сетки частот, содержащего цифровой синтезатор прямого синтеза, фильтр, смеситель, полосовой фильтр, делитель с переключаемым коэффициентом деления и фильтр нижних частот, и узла преобразования частоты вверх, содержащего смеситель и полосовой фильтр, при этом в узле формирования сигналов гетеродина, вход которого соединен с формирователем сигналов опорных частот, делитель и вход гетеродина смесителя соединены со входом узла формирования сигналов гетеродина, выход делителя через фильтр нижних частот соединен с входом промежуточной частоты смесителя, выход последнего соединен с полосовым фильтром, выход которого является выходом узла формирования сигналов гетеродина, соединенным с узлом формирования сетки частот, в котором вход цифрового синтезатора прямого синтеза соединен с формирователем сигналов опорных частот, выход - через фильтр с входом промежуточной частоты смесителя, вход гетеродина которого соединен с выходом узла формирования сигналов гетеродина, выход смесителя соединен через полосовой фильтр с делителем, выход которого через фильтр нижних частот соединен с выходом узла формирования сетки частот, соединенным с узлом преобразования частоты вверх, в котором вход промежуточной частоты смесителя соединен с выходом узла формирования сетки частот, вход гетеродина смесителя соединен с формирователем сигналов опорных частот, выход смесителя соединен через полосовой фильтр с выходом узла преобразования частоты вверх, который является выходом перестраиваемого по частоте источника сигнала.

Техническим результатом заявляемого изобретения является решение поставленной задачи за счет использования предлагаемого соединения блоков расширения диапазона перестройки частоты на основе делителя с переключаемым коэффициентом деления. Последовательное соединение блоков заявляемой структуры позволяет получить широкую полосу перестройки частоты на выходе синтезатора - порядка 35% (отношение максимального значения частоты выходного сигнала к минимальному - 1,35). Заявляемый синтезатор обеспечивает шаг перестройки частоты меньше точности установки частоты и непрерывную полосу перестройки частоты, что позволяет получить любую частоту выходного сигнала с требуемой точностью. Заявляемая конструкция блоков, в которой на вход гетеродина и вход ПЧ смесителя поступают сигналы с кратными частотами, позволяет подавить все паразитные компоненты в выходном сигнале смесителя до требуемого уровня с помощью полосового фильтра, обеспечивая высокую чистоту спектра выходного сигнала. Кроме того, заявляемая конструкция блоков не снижает скорости переключения частоты, т.е. скорость перестройки частоты выходного сигнала остается равной скорости перестройки частоты источника сигнала из-за использования в конструкции блоков только широкополосных фильтров.

Кроме того, использование на выходе каскада блоков дополнительного блока расширения диапазона перестройки частоты, подключенного через два коммутатора, позволяет дополнительно расширить диапазон перестройки частоты выходного сигнала и получить на выходе суммарную ширину полосы синтезируемых частот, равную октаве.

Использование соединенного с выходом второго коммутатора дополнительного делителя с переключаемым коэффициентом деления обеспечивает дополнительное расширение диапазона перестройки частоты выходного сигнала и позволяет получить на выходе заявляемого устройства любое значение частоты в пределах нескольких октав.

Использование перестраиваемого по частоте источника с шагом меньше требуемой точности установки выходной частоты синтезатора позволяет решить проблему неравномерности шага сетки частот, возникающую при преобразовании частот в каскадах БРДП, и обеспечить возможность получения любой частоты из диапазона перестройки. Предлагаемая схема перестраиваемого по частоте источника позволяет получить диапазон перестройки частоты источника в 5-10 раз больше, чем в устройстве по патенту US №5495202, при том же уровне подавления паразитных спектральных составляющих ЦСПС и сохранении высокой скорости перестройки частоты.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-5, на которых изображено:

на Фиг.1 - базовая схема широкополосного синтезатора частот;

на Фиг.2 - схема широкополосного синтезатора частот с дополнительным блоком

расширения диапазона перестройки частоты (БРДП), подключенным с

помощью двух коммутаторов, и дополнительным делителем с

переключаемым коэффициентом деления (ДПКД);

на Фиг.3 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала БРДП;

на Фиг.4 - диаграмма перестройки частоты выходного сигнала при использовании дополнительного БРДП;

на Фиг.5 - схема источника сигнала;

На Фиг.1, 2 и 5 позициями 1-26 обозначены:

1 - источник сигнала;

2.i - i-й блок расширения диапазона перестройки частоты (БРДП), где i=1,2,3,…,N;

3 - формирователь команд управления (ФКУ);

4.i - делитель с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД)i-го БРДП;

5.i - фильтр нижних частот (ФНЧ) i-го БРДП;

6.i - смеситель i-го БРДП;

7.i - полосовой фильтр (ПФ) i-го БРДП;

8 - первый коммутатор;

9 - второй коммутатор;

10 - ДПКД;

11 - формирователь сигналов опорных частот (ФСОЧ);

12 - узел формирования сигналов гетеродина (УФСГ);

13 - узел формирования сетки частот (УФСЧ);

14 - узел преобразования частоты вверх (УПЧВ);

15 - ДПКД в УФСГ;

16 - ФНЧ в УФСГ;

17 - смеситель в УФСГ;

18 - ПФ в УФСГ;

19 - цифровой синтезатор прямого синтеза (ЦСПС);

20 - фильтр в УФСЧ;

21 - смеситель в УФСЧ;

22 - ПФ в УФСЧ;

23 - ДПКД в УФСЧ;

24 - ФНЧ в УФСЧ;

25 - смеситель в УПЧВ;

26 - ПФ в УПЧВ.

Широкополосный синтезатор частот содержит источник сигнала 1, перестраиваемый по частоте, N блоков расширения диапазона перестройки частоты (БРДП) 2 и формирователь команд управления (ФКУ) 3. Каждый БРДП 2.i состоит из делителя с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД) 4.i, фильтра нижних частот (ФНЧ) 5.i, смесителя 6.i и полосового фильтра (ПФ) 7.i. Вход БРДП 2.i соединен через разветвление с ВЧ входом ДПКД 4.i и входом гетеродина смесителя 6.i. Выход ДПКД 4.i через ФНЧ 5.i соединен с входом ПЧ смесителя 6.i, выход которого соединен с ПФ 7.i. Выход ПФ 7.i является выходом БРДП 2.i. Входы управления всех ДПКД 4.i соединены с выходом ФКУ 3.

К выходу последнего блока БРДП 2.N предусмотрено подключение дополнительного БРДП 2.N+1 с помощью первого 8 и второго 9 коммутаторов (Фиг.2). Первый коммутатор 8 имеет один вход и два выхода. Второй коммутатор 9 имеет два входа и один выход. Вход первого коммутатора 8 соединен с выходом БРДП 2.N. Первый выход первого коммутатора 8 соединен с первым входом второго коммутатора 9. Второй выход первого коммутатора 8 соединен со входом БРДП 2.N+1. Выход БРДП 2.N+1 соединен со вторым входом второго коммутатора 9. Первый 8 и второй 9 коммутаторы выполнены с возможностью управления посредством ФКУ 3.

Широкополосный синтезатор может дополнительно содержать ДПКД 10, ВЧ вход которого соединен с выходом второго коммутатора 9 (Фиг.2). Вход управления ДПКД 10 соединен с выходом ФКУ 3.

Источник сигнала 1 может быть выполнен в соответствии со схемой, изображенной на Фиг.5. Она состоит из соединенных формирователя сигналов опорных частот (ФСОЧ) 11, узла формирования сигналов гетеродина (УФСГ) 12, узла формирования сетки частот (УФСЧ) 13 и узла преобразования частоты вверх (УПЧВ) 14. УФСГ 12 состоит из ДПКД 15, ФНЧ 16, смесителя 17 и ПФ 18. Вход УФСГ 12, соединенный с одним из выходов ФСОЧ 11, соединен через разветвление с ВЧ входом ДПКД 15 и входом гетеродина смесителя 17. Выход ДПКД 15 через ФНЧ 16 соединен с входом ПЧ смесителя 17, выход которого соединен с ПФ 18. Выход ПФ 18 является выходом УФСГ 12. УФСЧ 13 состоит из цифрового синтезатора прямого синтеза (ЦСПС) 19, фильтра 20, смесителя 21, ПФ 22, ДПКД 23 и ФНЧ 24. Опорный вход ЦСПС 19 соединен с одним из выходов ФСОЧ 11. Выход ЦСПС 19 соединен через фильтр 20 с входом ПЧ смесителя 21, вход гетеродина которого соединен с выходом УФСГ 12. Выход смесителя 21 соединен через ПФ 22 с ВЧ входом ДПКД 23. Выход ДПКД 23 соединен с ФНЧ 24, выход которого является выходом УФСЧ 12. Узел преобразования частоты вверх (УПЧВ) 14 состоит из смесителя 25 и ПФ 26. Вход ПЧ смесителя 25 соединен с выходом УФСЧ 13. Вход гетеродина смесителя 25 соединен с одним из выходов ФСОЧ 11. Выход смесителя 25 соединен с ПФ 26, выход которого является выходом УПЧВ 14. Выход последнего является выходом источника сигнала 1. Входы управления ДПКД 15, ДПКД 23 и ЦСПС 19 соединены с выходом ФКУ 3.

Устройство работает следующим образом.

С помощью источника сигнала 1, перестраиваемого по частоте в узком диапазоне (порядка 1%), формируют сигнал с частотой f_вх. Данный сигнал поступает на вход первого БРДП 2.1, в котором, разветвляясь, поступает на ВЧ вход ДПКД 4.1 и вход гетеродина смесителя 6.1. Коэффициент деления D₁ ДПКД 4.1 задают посредством ФКУ 3 в диапазоне от D_1min до D_1max. С выхода ДПКД 4.1 через ФНЧ 5.1 сигнал с частотой f_вх/D₁ поступает на вход ПЧ смесителя 6.1. На выходе смесителя 6.1 полезный сигнал имеет частоту:

, где f_вх - частота сигнала, формируемого источником сигнала 1, D₁ - значение коэффициента деления ДПКД 4.1.

Подавление паразитных спектральных компонент сигнала осуществляют с помощью ПФ 7.1, который может быть настроен на суммарную (f_вх+f_вx/D₁) или разностную (f_вх-f_вx/D₁) компоненту частоты сигнала с выхода смесителя 6.1. Далее для определенности будем учитывать, что фильтры настраивают на суммарную компоненту сигнала на выходе смесителей. Данный выбор не влияет на работу заявляемого устройства.

Диаграмма перестройки выходной частоты БРДП 2.1 для различных коэффициентов деления ДПКД 4.1 и осуществления перестройки входной частоты изображена на Фиг.3. На выходе БРДП 2.1 обеспечивается формирование любой частоты в диапазоне от f_{вых min} до f_{вых mах}. Для этого необходимо, чтобы при коэффициенте деления D₁ и минимально необходимой частоте источника сигнала 1 f_{вх min} значение частоты выходного сигнала было меньше или равно значению выходной частоты при увеличенном на единицу коэффициенте деления, т.е. при D₁+1, и максимальной частоте источника сигнала 1 f_{вх max}. Для стыковки участков перестройки при D_1min и D_1min+1 требуется наибольший диапазон перестройки частоты источника сигнала 1 f_вх. Математически условие непрерывной перестройки частоты определяется выражением:

f_1вых(D_1min, f_{вх min})≤f_1вых(D_1min+1, f_{вх max}).

Выбирая знак равенства в выражении для непрерывной перестройки частоты, можно получить минимально и максимально необходимые значения перестройки входной частоты БРДП 2.1 при обеспечении непрерывной перестройки по частоте выходного сигнала БРДП 2.1. Отношение максимального к минимальному значению входной частоты БРДП 2.1 определяется с помощью формулы:

Данная формула справедлива для всех БРДП 2.i. В этом случае в качестве значения коэффициента деления используют коэффициент D_{i min}, соответствующий выбранному блоку, f_{вх max} и f_{вх min} соответствуют минимальному и максимальному значениям частоты выходного сигнала предыдущего блока БРДП 2i-1.

Отношение максимального значения диапазона перестройки частоты на выходе БРДП 2.1 к минимальному рассчитывается по формуле:

Чем больше максимальное значение коэффициента деления, тем больше полоса перестройки на выходе БРДП 2.1, но тем выше требования к избирательности ПФ 7.1 на выходе смесителя 6.1. Максимальное значение коэффициента деления выбирается из условия реализуемости ПФ 7.1.

Эффективность расширения диапазона перестройки частоты с помощью одного БРДП2.1 оценивается с помощью коэффициента расширения K_расш, выраженного как отношение ширины полосы перестройки на выходе к ширине полосы перестройки на входе:

где f_{1 вых max(min)} - максимальное (минимальное) значение частоты выходного сигнала БРДП2.1, f_{1 вых max(min)} - (минимальное) значение частоты входного сигнала БРДП 2.1.

Величину коэффициента расширения K_расш можно выразить через минимальный D_1min и максимальный D_1max коэффициент деления ДПКД 4.1:

.

Если принять, что отношение максимального к минимальному коэффициенту деления ДПКД 4.1 D_max/D_min равно 2, то выражение для коэффициента расширения примет вид:

.

При коэффициенте деления D_1min, равном 2, коэффициент расширения K_раш будет равен 3,5, при D_1min, равном 16, K_расш составит 10,0625. Однако, несмотря на то, что с увеличением D_1min коэффициент расширения K_расш тоже растет, абсолютное значение полосы перестройки будет невелико, так как для больших значений коэффициента деления D_1min требуется узкая полоса перестройки частоты входного сигнала. Например, для D_1min, равного 16, ширина полосы перестройки частоты входного сигнала должна удовлетворять выражению:

.

Соответственно, ширина полосы перестройки частоты выходного сигнала будет равна:

f_{1вых max}-f_{1вых min}≈0,035·f_{вх min}.

Использование последовательного соединения нескольких БРДП 2.i, имеющих идентичную конструкцию и отличающихся задаваемыми коэффициентами деления и полосами пропускания фильтров, позволяет получить широкую полосу перестройки.

В этом случае с выхода БРДП 2.1 полезный сигнал с частотой поступает на вход следующего БРДП 2.2. Минимальный коэффициент деления ДПКД 4.2 в БРДП 2.2 выбирают исходя из диапазона перестройки выходной частоты БРДП 2.1, используя выражение (*) с учетом замены D_1min на D_2min. При правильном D_2min рассчитанное по формуле (*) значение должно быть меньше или равно . С учетом преобразования частоты в БРДП 2.2 значение частоты выходного сигнала рассчитывается по формуле:

, где D₂ - коэффициент деления второго ДПКД 4.2. Для N последовательно соединенных БРДП 2.i выходная частота может быть рассчитана по формуле:

, где D_N - коэффициент деления ДПКД 4.N в БРДП 2.N.

Оценим максимально возможный диапазон перестройки выходной частоты сигнала на выходе N БРДП 2.i. Минимальное значение коэффициента деления ДПКД 4.i не может быть меньше 2. Максимальное значение выбирают равным 4, чтобы отношение D_imax/D_imin не превышало значения 2. Максимально возможное отношение выходной частоты сигнала к входной в N-м БРДП 2.N в соответствии с формулой составит: , т.е не более 35% от минимального значения выходной частоты. При этом на выходе предпоследней ячейки БРДП 2.N-1 обеспечивают отношение максимального значения частоты к минимальному, равное 9/8.

Полезной особенностью схемы БРДП 2.i является возможность подавить все паразитные спектральные составляющие выходного сигнала, возникающие из-за нелинейных свойств смесителя, до любого необходимого уровня за счет того, что в преобразовании частоты участвуют сигналы с кратными частотами. Объясним это. Традиционным при преобразовании частоты является использование некратных частот на входах гетеродина и ПЧ смесителя. Значение частоты на входе ПЧ смесителя можно представить в виде , где f - частота на входе гетеродина смесителя, K - целое число, δf - отстройка значения реальной частоты от ближайшего кратного значения. В общем случае на выходе смесителя образуются спектральные составляющие, частоты которых соответствуют формуле:

, где m и n - целые числа.

Амплитуда образующихся на выходе смесителя спектральных составляющих тем выше, чем меньше сумма n и m, являющихся порядком нелинейности и приводящих к образованию соответствующих компонент в спектре выходного сигнала. Частота одной из наиболее близких к частоте полезного сигнала комбинационных составляющих выходного сигнала смесителя может быть представлена формулой:

.

Частота полезного сигнала будет иметь вид:

.

При малых δf паразитная компонента спектра будет расположена в непосредственной близости к полезному сигналу и не может быть отфильтрована ПФ, а при малых К будет иметь большую амплитуду, т.к. является продуктом нелинейности низкого порядка. Аналогичная проблема возникает с паразитной составляющей вида , которая соответствует К+1 гармонике сигнала, поступающего на вход ПЧ смесителя. Для преодоления данной проблемы значение отношения частот сигналов, участвующих в преобразовании, должно быть величиной больше 10(K≥10), что приводит к ограничению диапазона перестройки выходной частоты в синтезаторах прямого синтеза, построенных по известным схемам (Приложение №2. А.Ченакин. Частотный синтез: текущие решения и новые тенденции. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, январь 2008, стр.92-97).

Схема преобразования частоты в заявляемом устройстве лишена описанного выше недостатка, так как при кратности частот на входе гетеродина и входе ПЧ смесителя 6.i все возможные комбинационные составляющие его выходного сигнала могут быть описаны формулой:

f_{СМвых m,n}=f_вх|m±n/D_i|.

Из формулы видно, что наименьшая отстройка ближайшей паразитной спектральной составляющей от полезной составляет . ПФ 7.i с соответствующими полосами пропускания и заграждения позволяет подавить все паразитные спектральные компоненты до требуемого уровня. Выбор полосы пропускания и полосы заграждения ПФ 7.i зависит от отношения коэффициентов деления ДПКД 4.i D_1max/D_1min. Если данное отношение меньше 1,5, на выходе смесителя 6.i достаточно одного ПФ 7.i. Если значения отношения D_max/D_min находятся в интервале от 1,5 до 2, то для подавления паразитных спектральных компонент на выходе смесителя необходимо использовать два переключаемых полосовых фильтра. При этом верхняя граница полосы пропускания более низкочастотного фильтра должна совпадать с нижней границей полосы пропускания более высокочастотного фильтра. При еще больших значениях D_1max/D_1min количество необходимых фильтров возрастает.

Заявляемая схема широкополосного синтезатора обладает еще одним достоинством - высокой скоростью перестройки частоты независимо от шага перестройки. При преобразовании частоты сигнала в БРДП 2.1 время перестройки частоты увеличивается незначительно, и его увеличение связано с прохождением ПФ 7.1, полоса которого в несколько раз шире полосы перестройки источника сигнала 1. Время переходного процесса при изменении частоты на входе определяется длительностью импульсной характеристики фильтра, так как сигнал на выходе полосового фильтра является сверткой входного сигнала с импульсной характеристикой полосового фильтра. Для фильтров длительность импульсной характеристики обратно пропорциональна ширине полосы пропускания. Поэтому длительность импульсной характеристики ПФ 7.1 будет в несколько раз меньше длительности импульсной характеристики фильтров, используемых в источнике сигнала 1 и являющихся более узкополосными. Длительность импульсной характеристики фильтров в остальных БРДП 2.i еще меньше, поэтому основной вклад в величину времени перестройки частоты будет вносить наиболее узкополосный фильтр в каскаде БРДП 2. В конечном счете, скорость перестройки выходной частоты синтезатора будет определяться скоростью перестройки сигнала на выходе источника сигнала 1.

Подключение БРДП 2.N+1 к выходу N-го БРДП 2.N через первый 8 и второй 9 коммутаторы, как изображено на Фиг.2, позволяет дополнительно расширить диапазон перестройки частоты выходного сигнала синтезатора.

При одном положении переключателей коммутаторов 8 и 9 на выход второго коммутатора 9 поступает сигнал с выхода БРДП 2.N без преобразования. При другом положении на выход второго коммутатора 9 поступает сигнал, полосу перестройки которого дополнительно расширяют с помощью дополнительного БРДП 2.N+1. Данная схема дает возможность использовать в совокупности диапазон перестройки частоты выходного сигнала последнего БРДП 2.N и диапазон, получаемый на выходе БРДП 2.N+1. Полученные полосы частот, дополняя друг друга, образуют суммарно диапазон перестройки больший, чем максимально возможный диапазон перестройки выходного сигнала блока БРДП 2.N.

На Фиг.4 наглядно проиллюстрирован механизм непрерывной перестройки частоты сигнала на выходе второго коммутатора 9. По оси абсцисс отложена частота сигнала на выходе N-го БРДП 2.N, нормированная на ее минимальное значение, по оси ординат - частота сигнала на выходе второго коммутатора 9, также нормированная на минимальное значение частоты выходного сигнала N-го БРДП 2.N. Диаграмма построена для значений коэффициентов деления 2 и 4 ДПКД 4.N+1 (коэффициент деления 3 не используют). Линия «транзит» соответствует положению переключателей коммутаторов 8 и 9, при которых сигнал идет в обход БРДП 2.N+1, т.е. перестройке частоты сигнала в схеме N последовательно соединенных БРДП 2.i, обеспечивая диапазон перестройки выходной частоты в диапазоне от 1 до 4/3.

Для получения перестройки частоты на выходе синтезатора от 4/3 до 3/2 схему из N БРДП 2.i настраивают так, чтобы на ее выходе получить диапазон перестройки от 16/15 до 6/5, а коэффициент деления ДПКД 4.N+1 устанавливают с помощью ФКУ 3 равным 4, обеспечивая преобразование частоты в соответствии с выражением: , где f_вых - частота сигнала с выхода БРДП 2.N+1, f_вх - частота входного сигнала БРДП 2.N+1.

Для получения диапазона перестройки выходной частоты от 3/2 до 2 схему из N БРДП 2.i настраивают таким образом, чтобы на ее выходе получить диапазон перестройки частоты от 1 до 4/3. Коэффициент деления ДПКД 4.N+1 устанавливают с помощью ФКУ 3 равным 2, обеспечивая преобразование частоты в соответствии с выражением: .

В совокупности три участка перестройки частоты на Фиг.4 образуют непрерывную полосу перестройки выходной частоты с шириной, равной октаве.

Для построения синтезатора частот с диапазоном перестройки частоты больше октавы в соответствии с Фиг.3 к выходу второго коммутатора 9 подключают ДПКД 10 с переключаемым с помощью ФКУ 3 коэффициентом деления, равным 2^p при p=0,1,2…p_mах. Коэффициент деления ДПКД 10, равный единице при p=0, соответствует прямому прохождению сигнала с выхода второго коммутатора 9 без преобразования. При задании коэффициента деления, равным 2, нормированное значение нижней граничной частоты диапазона перестройки будет равно , а верхнее будет равно 1 и будет совпадать с минимальным значением при коэффициенте деления равном 1, обеспечивая непрерывность диапазона перестройки выходной частоты в полосе от до 2. Аналогично будет обеспечена стыковка участков перестройки выходной частоты при больших значениях коэффициента деления, равных 2^p. В результате общий диапазон возможных значений выходной частоты составит от до 2.

Последовательное соединение БРДП 2.i обеспечивает преобразование частоты источника сигнала 1, эквивалентное умножению частоты в дробное число раз. При переключении коэффициента деления шаг перестройки частоты на выходе синтезатора становится неравномерным.

Для обеспечения эквидистантного шага перестройки выходной частоты перестройку входной частоты необходимо осуществлять с неравномерным щагом, зависящим от коэффициентов деления D_i ДПКД 4.i. Таким образом, для практической реализации необходимо использовать входной сигнал, перестраиваемый до частоте с шагом, меньшим, чем требуемая точность задания частоты в раз.

Данное требование может быть удовлетворено при выполнении источника сигнала 1, например, в соответствии со схемой на Фиг.5.

Формирователь сигналов опорных частот (ФСОЧ) 11 обеспечивает формирование трех когерентных сигналов фиксированной частоты.

Один из сигналов ФСОЧ 11 с частотой f_ОП2 поступает на вход УФСГ 12, схема которого аналогична схеме БРДП 2.L Так как частота f_ОП2 фиксирована, то на выходе УФСГ 12 количество формируемых частот будет соответствовать количеству коэффициентов деления D1 ДПКД 15. Значения частот на выходе УФСГ 12 определяются формулой f_ОП2(1+1/D1). Шаг перестройки частоты будет наибольшим для значений D1=D1_min и D1=D1_min+1 и может быть рассчитан по формуле .

С выхода УФСГ 12 сигнал поступает на вход гетеродина смесителя 21 узла формирования сетки частот (УФСЧ) 13, на вход ПЧ которого через фильтр 20 поступает сигнал, формируемый ЦСПС 19 в соответствии с формулой:

,

где S - разрядность накапливающего сумматора ЦСПС 19; R - значение кода, управляющего частотой ЦСПС 19, поступающего на вход управления ЦСПС 19 с выхода ФКУ 3, f_ОП3 - тактовая частота ЦСПС 19, поступающая на опорный вход ЦСПС 19 с выхода ФСОЧ 11. Сигналы с выхода смесителя 21 будут иметь частоту:

f_СМ2=f_ОП2(1+1/D1)±f_ЦСРС.

С помощью ПФ 22 выделяют один из сигналов с выхода смесителя 21, подавляя все нежелательные комбинационные составляющие. В дальнейшем будем считать, что этим сигналом является сигнал с частотой f_ОП2(1+1/D1)±f_ЦСПС.

Если ширина полосы перестройки ЦСПС 19 равна Δf_ЦСПС, то на выходе смесителя 21 будет возможно сформировать сигнал с любым значением частоты в полосе:

.

При обеспечении условия Δf_ЦСПС≥Δf_УФСГ перестройка частоты на выходе смесителя 21 будет непрерывной.

Ширина полосы частот данного сигнала будет шире, чем полоса перестройки ЦСПС 19, за счет возможности изменения коэффициента деления D1 ДПКД 15 в УФСГ 12. Из-за особенностей работы ЦСПС 19 в его выходном сигнале содержатся паразитные составляющие вблизи частоты полезного сигнала (Приложение №3. Макаренко В. Компоненты для построения беспроводных устройств связи, часть 7. Синтезаторы частоты прямого цифрового синтеза. ЭКиС, №1, январь 2010 г., рис.5), которые также будут содержаться и в сигнале на выходе ПФ 22. Их уровень понижают с помощью деления частоты. Объясним это.

Паразитные составляющие слабого уровня могут быть представлены в виде компонент, образующихся за счет паразитных амплитудной и угловой модуляций. Паразитная амплитудная модуляция может быть подавлена за счет ограничения амплитуды сигнала на ВЧ входе ДПКД. При делении частоты сигнала флуктуация фазы за счет паразитной угловой модуляции сохраняется по абсолютной величине, однако период выходного сигнала возрастает в D раз (где D - коэффициент деления) что приводит к снижению индекса паразитной угловой модуляции, величина которого определяет уровень паразитных спектральных