Что такое синтезатор в радиотехнике

Синтезаторы частоты

К гетеродинам современных радиоприемных устройств в настоящее время предъявляются требования обеспечивать стабильность частоты такую как могут обеспечить только кварцевые генераторы. При этом они должны обеспечивать перестройку с одной частоты на другую. Эти требования могут быть совмещены только в особых устройствах — синтезаторах частот.

Синтезаторы частот, применяемые в качестве гетеродинов радиоприемников, в настоящее время в основном реализуются при помощи схемы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Это связано с тем обстоятельством, что диапазон перестройки гетеродинов в приемниках мобильной связи УКВ диапазона достаточно мал.

Рассмотрим основные блоки, входящие в структурную схему фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Структурная схема ФАПЧ приведена на рисунке 1

Рисунок 1. Структурная схема цепи фазовой автоподстройки частоты (синтезатора частот)

В состав этой структурной схемы входит фазовый детектор (ФД), формирующий сигнал ошибки формируемого колебания. Выходное колебание вырабатывается генератором, управляемым напряжением (ГУН). Образцовое колебание в этой схеме формирует опорный генератор (ОГ). Еще одним неотъемлемым звеном цепи фазовой автоподстройки частоты является фильтр нижних частот (ФНЧ), позволяющий избежать самовозбуждения всей схемы в целом.

В зависимости от элементов, использованных в схеме фазовой автоподстройки частоты, она может быть аналоговой (при использовании аналоговых схем фазового детектора), цифровой (при использовании в качестве фазового детектора логических цепей) и полностью цифровой (при реализации фильтра низкой частоты в цифровом виде).

В результате работы схемы, приведенной на рисунке 1, мы в идеальном случае можем получить точно такое же колебание, что и колебание опорного генератора. Но тогда зачем нужна вся схема? Ведь можно было бы просто взять сигнал с выхода опорного генератора.

Первая задача, которую можно решить при использовании схемы фазовой автоматической подстройки частоты — это реализация детектирования частотно-модулированного сигнала. Если снимать напряжение с выхода ФНЧ, входящего в состав схемы фазовой автоподстройки частоты, то его уровень будет пропорционален отклонению частоты опорного генератора от номинального значения.

Однако мы собирались использовать схему ФАПЧ для генерации заданного набора частот. То есть нам требуется научиться изменять частоту генератора управляемого напряжением. Для этого включим в цепь обратной связи делитель частоты, как это показано на рисунке 2. Частота сигнала на выходе этого делителя уменьшится по сравнению с входным значением в коэффициент деления раз. Но ведь на входе фазового детектора частоты должны быть равными друг другу. Для этого мы увеличим частоту ГУН в коэффициент деления раз. При попытке частоты ГУН измениться относительно этого значения, цепь фазовой автоподстройки будет возвращать ее к номинальному значению.

Рисунок 2. Структурная схема цифрового синтезатора частот

В структурной схеме, приведенной на рисунке 2, использован делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Изменяя коэффициент деления N делителя ДПКД, можно перестраивать выходную частоту генератора. В этой схеме в качестве фазового детектора может быть применен как цифровой фазовый детектор, так и фазовый компаратор. Применение фазового компаратора позволяет расширить частотный диапазон захвата петли фазовой автоматической подстройки частоты синтезатора частот.

Как мы уже знаем из курса цифровой схемотехники, коэффициент деления цифрового делителя частоты может достигать несколько тысяч. Выбрав достаточно низкую опорную частоту f_оп можно получить шаг перестройки синтезатора, удовлетворяющий требованиям к перестраиваемому генератору частот. Шаг перестройки синтезатора в схеме ФАПЧ получается равным частоте опорного генератора.

Обычно в радиотехнических схемах требуется малый шаг перестройки генератора. Величина этого шага составляет сотни герц или, в крайнем случае, единицы килогерц. В системах мобильной радиосвязи шаг перестройки синтезатора частот должен быть равен ширине канала связи. В результате возникает новая проблема. Мы не можем использовать для формирования такой частоты кварцевый генератор, ведь приемлемые по габаритам и стоимости кварцевые резонаторы могут работать только в диапазоне частот от 1 до 30 МГц.

Тем не менее, для получения низкой частоты сравнения на входах фазового детектора, на выходе опорного генератора можно поставить еще один цифровой делитель частоты с постоянным коэффициентом деления, как это выполнено в схеме, приведенной на рисунке 3. В этой схеме мы можем выбирать значения частот сравнения f_ср, опорной частоты f_оп и выходного колебания f в достаточно широком диапазоне.

Рисунок 3. Структурная схема цифрового синтезатора частот с малым шагом перестройки частоты

В качестве примера давайте определим требования к блокам, входящим в структурную схему синтезатора, вырабатывающего частоты в диапазоне от 146 до 174 МГц. Пусть в схеме будет использован генератор опорной частоты 6,4 МГц. Такие высокостабильные генераторы предлагаются многими фирмами в качестве готовых модулей, например модуль 6.4 MHz CFPT-9006-FC-1B фирмы C-MAC.

Шаг перестройки по частоте в заданном диапазоне частот определяется разносом радиоканалов по частоте (шириной канала). В настоящее время в этом диапазоне частот МККР рекомендует строить аппаратуру с шириной полосы радиоканала 12,5 кГц. Пусть наш синтезатор частот будет обладать именно таким шагом настройки частоты. Тогда частота сравнения на входе фазового детектора тоже должна соответствовать этому значению. Отсюда можно определить коэффициент деления постоянного делителя ПД:

Теперь определим максимальное и минимальное значение коэффициентов деления ДПКД:

Все полученные коэффициенты деления легко реализуются одной из схем делителей частоты (цифровых счетчиков), рассмотренных нами в предыдущих главах. Теперь можно приступать к разработке принципиальной схемы синтезатора. Единственным блоком, не рассмотренным в предыдущих главах, остался блок определения ошибки по частоте. Остановимся на этом блоке подробнее.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Источник

СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТЫ

Практические схемы синтезаторов частот весьма разнообразны. Несмотря на это разнообразие, можно отметить общие принципы, лежащие в основе построения современных синтезаторов:

— все синтезаторы основаны на использовании одного высокостабильного опорного колебания с некоторой частотой f₀, источником которого обычно является опорный кварцевый генератор;

— синтез множества частот осуществляется широким использованием делителей, умножителей и преобразователей частоты, обеспечивающих использование одного опорного колебания для формирования сетки частот;

— обеспечение синтезаторами частот декадной установки частоты возбудителя.

По методу формирования выходных колебаний синтезаторы подразделяются на две группы: выполненные по методу прямого (пассивного) синтеза и выполненные по методу косвенного (активного) синтеза.

К первой группе относятся синтезаторы, в которых выходные колебания формируются путём деления умножения частоты опорного генератора с последующим сложением и вычитанием частот, полученных в результате деления и умножения.

Ко второй группе относятся синтезаторы, формирующие выходные колебания в диапазонном автогенераторе гармонических колебаний с параметрической стабилизацией частоты, нестабильность которого устраняется системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) по эталонным (высокостабильным) частотам.

Синтезаторы обоих групп могут быть выполнены с использованием аналоговой или цифровой элементной базы.

Синтезаторы, выполненные по методу прямого синтеза.

Высокостабильный кварцевый генератор ОГ формирует колебания с частотой f₀, которые поступают на делители и умножители частоты ДЧ и УЧ.

Делители частоты понижают частоту ОГ f₀ в целое число раз (d), а умножители частоты увеличивают её в целое число раз (к). Частоты, полученные в результате деления и умножения частоты опорного генератора (f₀), используются для формирования опорных частот в специальных устройствах, которые называют датчиками опорных частот ДОЧ. Общее количество датчиков опорных частот в синтезаторе частот СЧ зависит от диапазона формируемых синтезатором частот и интервала между соседними частотами: чем шире диапазон частот СЧ и меньше интервал, тем больше количество ДОЧ требуется. При декадной установке частоты каждый ДОЧ формирует десять опорных частот с определённым интервалом между соседними частотами. Общее количество необходимых датчиков определяется количеством цифр (разрядов) в записи максимальной частоты синтезатора.

Опорные частоты, сформированные в датчиках, подаются на смесители. Полосовые переключаемые фильтры, включённые на выходе смесителей, выделяют в данном примере суммарную частоту: на выходе первого f₁ + f₂, на выходе второго f₁ + f₂ + f₃, на выходе третьего f₁ + f₂ + f₃ + f₄.

Частота на выходе возбудителя при декадной установке определяется положениями переключателей каждой декады.

Относительная нестабильность частоты на выходе синтезатора равна нестабильности ОГ. Недостатком такого типа синтезаторов является наличие на его выходе большого числа комбинационных частот, что объясняется широким использованием смесителей.

Синтезаторы частот, построенные по методу косвенного синтеза

В синтезаторах, выполненных по методу косвенного синтеза, источником выходных колебаний является диапазонный автогенератор гармонических колебаний, автоматически подстраиваемый по высокостабильным частотам, формируемым в блоке опорных частот БОЧ.

Суть автоматической подстройки частоты АПЧ состоит в том, что колебания автогенератора с помощью высокостабильных частот преобразуются к некоторой постоянной частоте f_АПЧ, которая сравнивается с эталонным значением частоты. В случае несовпадения сравниваемых частот формируется управляющее напряжение, которое подается на управляемый реактивный элемент и изменяет величину его реактивности (ёмкости или индуктивности).

Управляемые реактивные элементы включаются в контур, определяющий частоту АГ. Частота АГ изменяется до тех пор, пока f_АПЧ не приблизится к эталонной частоте с достаточно малой остаточной расстройкой.

В зависимости от устройства сравнения все системы АПЧ можно разделить на три вида:

— системы с частотной автоподстройкой частоты ЧАП, в которой в качестве сравнивающего устройства используются частотные детекторы ЧД;

— системы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, использующие в качестве сравнивающего устройства фазовые детекторы ФД;

— системы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты ИФАП, в которых сравнивающим устройством являются импульсно-фазовые детекторы ИФД.

Синтезаторы с фазовой автоподстройкой частоты ФАП, в отличие от

синтезаторов с ЧАП, не имеют остаточной расстройки. В системе ФАП сравнивающим устройством является фазовый детектор ФД. Управляющее напряжение на выходе ФД пропорционально разности фаз двух поданных на него колебаний, частоты которых в установившемся режиме равны.

Если f_ПР и f₀ близки по величине, то с выхода ФД управляющее напряжение скомпенсирует расстройку УГ и f_ПР = f₀, в системе устанавливается стационарный режим. Однако система ФАП работает в очень узкой полосе частот, не превышающей единиц кГц. Чтобы обеспечить перестройку УГ во всём его диапазоне частот, в синтезаторе с ФАП применяют систему автопоиска, которая, изменяя частоту УГ во всем диапазоне частот, обеспечивает её попадание в полосу охватывания системы ФАП. Система автопоиска представляет собой автогенератор пилообразного напряжения, который запускается при отсутствии управляющего напряжения на выходе ФНЧ. Как только частоты УГ попадают в полосу схватывания системы ФАП, генератор поиска выключается, система входит в режим автоподстройки с динамическим равновесием f_ПР=f₀.

Использование логических элементов в СЧ обусловило появление новых типов синтезаторов, которые называются цифровыми. Они обладают значительными преимуществами по сравнению с аналоговыми. Они более просты, надёжны в эксплуатации, имеют меньшие габариты и массу.

Применение логических интегральных схем в ЦСЧ позволило почти полностью исключить преобразование частоты УГ, заменив преобразователи делителем частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД.

Структурная схема синтезатора с одним кольцом фазовой автоподстройки частоты

Согласно шаг сетки частот Df_ш=f_эт/М. Меняя управляемое значение N, устанавливают требуемое значение частоты стабилизируемого генератора, который с помощью управляющего элемента может перестраиваться в требуемом диапазоне частот.

Источник

Синтезаторы сетки частот в радиопередатчиках и в гетеродинах радиоприемников.

Синтезом частот называется формирование дискретного множества частот из одной или нескольких опорных частот. Опорной называется высоко­стабильная частота автогенератора.

Основными параметрами синтезатора являются: диапазон частот вы­ходного сигнала, количество и шаг сетки частот, долговременная и кратко­временная нестабильность частоты, уровень побочных составляющих в вы­ходном сигнале и время перехода с одной частоты на другую.

В настоящее время один из основных способов построения синтезатора частот основывается на применении схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты и элементов вычислительной техники.

В результате действия фазовой автоподстройки частоты устанавлива­ется равенство частот сигналов, поступающих на вход импульсно-фазового дискриминатора:f1=f2,что позволяет записать следующее соотношение для частот стабилизируемого и эталонного автогенераторов с учетом значений коэффициентов деления:

Шаг сетки частот возбудителя — минимальный частотный интер­вал между соседними рабочими частотами. Если шаг сетки частот мал и соизмерим с абсолютной нестабильностью частоты или меньше ее, дискретность перестройки частоты не имеет существенного значения для качества об­работки сигнала на приемной стороне. Кроме того, при дискретной пе­рестройке частоты точность установки частоты повышается (по сравне­нию с плавной перестройкой) за счет устранения неточности градуиров­ки шкалы частот и ограниченной разрешающей способности механизма плавной установки рабочей частоты по шкале. Важно отметить просто­ту дистанционного, программного управления частотой возбудителя при ее дискретной перестройке. Шаг сетки частот возбудителя зависит от многих условий: назначения передатчика, ширины полосы частот при заданных видах работы, диапазона рабочих частот, условий эксплуата­ции и т.д. и может принимать значения от десятков мегагерц до 10 Гц.

Согласно формуле шаг сетки частот . Меняя управляемое значе­ние N, устанавливают требуемое значение частоты стабилизируемого генера­тора, который с помощью управляющего элемента может перестраиваться в требуемом диапазоне частот.

Одной из причин нестабильности частоты настройки в РПУ является изменение во времени параметров электрических цепей вследствие изменения внешних условий, старения, механических сотрясений и вибраций и т. д. Однако этот фактор нестабильности в современных РПУ достаточно легко устраним. Главной причиной частотной нестабильности в РПУ до настоящего времени остаются случайные изменения частот гетеродинов, ведущие к изменениям промежуточных частот. При многократном преобразовании общая нестабильность приемника определяется отклонением самой низкой ПЧ.

Использование в гетеродинах РПУ диапазонных стабилизированных LC-генераторов не позволяет реализовать стабильность выше 10

Отметим, что высокостабильиый кварцевый ОГ совместно с устройством тормостатирования генерирующий колебание одной частоты, представляет собой достаточно сложное и дорогое устройство. Поэтому, естественно, нецелесообразно использовать в РПУ для приема сигнала каждой станции отдельный кварцевый генератор, так как в этом случае РПУ в целом было бы чрезвычайно дорогим.

Наиболее широкое использование в РПУ для стабилизации частот нашла система частотного синтеза частот. Синтезатор частот, схема которого дана на рис. , включает в себя высокостабильный ОГ, генератор гармоник частоты ОГ ГГ и систему синтеза выходных частот (синтезатор С). В дальнейшем систему синтеза частот будем называть синтезатором частот (СЧ); при этом ряд специалистов не причисляет к СЧ опорный генератор. Применение СЧ в современных ПРПУ наряду с существенным повышением стабильности частоты настройки и уменьшением ее времени позволило автоматизировать настройку ПРПУ, т. е. настроить ПРПУ по заданной программе при местном и дистанционном управлении, повысить надежность приемников.

В простейшем СЧ напряжение от ОГ подается на ГГ ( рисунок), напряжение на выходе которого обогащается высшими гармоническими составляющими. После ГГ ставится узкополосный фильтр, выделяющий требуемую рабочую частоту. При этом частота колебаний на выходе СЧ всегда кратна частоте ОГ, а стабильность определяется стабильностью его частоты. Однако такие СЧ работоспособны при ограниченном числе рабочих частот. Естественно, при использовании этих колебаний в качестве гетеродинных напряжений приемник сможет осуществлять прием только определенных радиостанций, работающих на фиксированных частотах. Однако в нем может быть предусмотрена возможность плавной подстройки частоты. Эта подстройка необходима как для ликвидации ухода частоты передатчика, так и для настройки приемника на частоты, находящиеся в промежутке между дискретными значениями частот на выходе СЧ. Перестройка ОГ для этих целей нежелательна, так как при этом ухудшается его стабильность.

Билет № 16

1. Устройства предварительной селекции и высокочастотные усилители.

Селективность – это способность приемника отделять полезный сигнал от мешающих – основана на использовании признаков различия между полезными и мешающими сигналами.

Преселектор ГТП (главный тракт приема) состоит из входного устройства, аттенюатора и усилителя высокой частоты.

Входное устройство (типовая схема)

Аттенюатор. Для расширения динамического диапазона между антенной и входом РПУ включается аттенюатор.

Усилитель высокой частоты.

Требования к УВЧ: малый коэф-т шума и высокая линейность. Способы разработки УВЧ с высокой степенью линейности:

1. выбор схемы включения транзисторов и принципиальной схемы;

2. разработка специальных новых транзисторов;

3. выбор оптимального режима транзисторов по постоянному току и динамического режима усилителя;

4. выбор типа транзистора;

5. введение линейной отрицательной обратной связи;

6. применение нелинейных корректирующих цепей;

7. подача сигнала вперед;

8. использование динамической нагрузки;

9. сравнение способов повышения линейности усилителей

2. Системы фазовой автоподстройки частоты в радиоприемниках. Фа́зовая автоподстро́йка частоты (ФАПЧ) — система автоматического регулирования, подстраивающая частоту управляемого генератора так, чтобы она была равна частоте опорного сигнала. Регулировка осуществляется благодаря наличию отрицательной обратной связи. Выходной сигнал управляемого генератора сравнивается на фазовом детекторе с опорным сигналом, результат сравнения используется для подстройки управляемого генератора.

Система ФАПЧ используется для частотной модуляции и демодуляции, умножения и преобразования частоты, частотной фильтрации, выделения опорного колебания для когерентного детектирования и в других целях.

ФАПЧ сравнивает фазы входного и опорного сигналов и выводит сигнал ошибки, соответствующий разности между этими фазами. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и используется в качестве привода для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной, то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.

ФАПЧ широко используется в радиотехнике, телекоммуникациях, компьютерах и других электронных устройствах. Данная система может генерировать сигнал постоянной частоты, восстанавливать сигнал из зашумлённого коммуникационного канала или распределять сигналы синхронизации в цифровых логических схемах.

Билет № 17

1. Формирование и преобразование радиосигналов.

В радиотехнике различают:

Для краткости под словом «сигнал» будем понимать не только собст­венно сам сигнал, но и электрические колебания.

Классификация сигналов возможна по нескольким признакам.

В зависимости от вида функции, описывающей сигнал: детермини­рованные и случайные. Детерминированный сигнал описывается функци­ей времени в форме аналитического выражения или графика, что позво­ляет определить его параметры в любой момент. Случайный сигнал относится к числу случайных процессов, его параметры в любой момент можно определить только с определенной степенью вероятности.

Детерминированные сигналы могут носить периодический характер с периодом повторения Т или быть представлены в форме одиночного, непериодического колебания.

В зависимости от вида модуляции различают сигнал с амплитудной, частотной, фазовой, импульсной и другими видами модуляции. При моду­ляции спектр сигнала расширяется. При этом в зависимости от ширины спектра различают узкополосные и широкополосные сигналы.

Среди детерминированных выделяют ортогональные и тестовые сигналы. Ортогональными называют два сигнала, разнесенные во време­ни или имеющие неперекрывающиеся частотные спектры. Тестовые сиг­налы предназначены для анализа и проверки радиотехнических устройств. Например, в качестве тестового может использоваться синусоидальный сигнал или сигнал в виде единичного скачка напряжения. Сигналы, ме­шающие нормальному приему полезных сигналов, называются помехами.

Сигналы претерпевают различные преобразования в радиотехниче­ских устройствах. К ним относятся: умножение, деление, увеличение или уменьшение частоты сигнала, модуляция и демодуляция сигнала, увели­чение мощности сигнала, обработка сигнала, его выделение из смеси раз­ных сигналов, фильтрация и излучение сигнала.

Источник