ЦИФРОВОЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ Российский патент 2006 года по МПК H03B21/02 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) метрового и дециметрового диапазона волн в качестве гетеродина.

Важнейшими тенденциями развития радиолокационных систем является переход к использованию сложных сигналов, синхронных и когерентных систем, освоение новых, более высоких диапазонов частот. Наиболее актуальными для современной радиолокации являются следующие вопросы:

- селекция движущихся целей;

- радиоэлектронное противодействие;

- увеличение разрешающей способности по дальности;

- распознавание целей.

Реализация этих проблем требует существенного повышения стабильности формируемых частот и сигналов, повышения спектральной чистоты сигналов, а также обеспечения быстрой смены рабочих частот, т.е. высокого быстродействия.

До недавнего времени перечисленные проблемы решались с помощью источников сигналов, построенных из большого количества кварцевых генераторов, функционально выполненных в виде модулей и называемых генераторами высокой частоты (ГВЧ). Однако такие системы обладали рядом недостатков: большие массогабаритные характеристики, редкий шаг сетки частот, значительное время смены рабочих частот.

Развитие цифровой техники в последние несколько лет сделало возможным использование синтезаторов частот (СЧ), предназначенных для получения одного или нескольких колебаний, когерентных колебанию высокостабильного эталонного источника сигнала.

Основная проблема техники синтеза частот - сложность одновременного обеспечения высокого быстродействия и спектральной чистоты генерируемых колебаний при заданном шаге сетки выходных частот.

Среди когерентных методов создания сетки частот с разрешением (шагом сетки) меньшим десятков килогерц, при одновременно жестких требованиях к спектральной чистоте выходного сигнала, наибольшее распространение получили прямые системы цифрового вычислительного синтеза частот (ЦВС) и системы косвенного синтеза с использованием схем импульсной фазовой автоподстройки частоты (КССЧ с ИФАПЧ). Широкое распространение получают также комбинированные системы, сочетающие в себе достоинства и недостатки каждого из указанных классов синтезаторов.

В литературе [5] приводится ряд комбинированных схем синтезаторов частот, наиболее известная из них схема с последовательно соединенными ЦВС и кольцами ИФАПЧ. Недостаток схемы состоит в том, что в полосе пропускания ИФАПЧ паразитные составляющие и шумы с выхода ЦВС будут увеличиваться пропорционально квадрату коэффициента деления (М) в петле ИФАПЧ.

Схемы комбинированных СЧ, свободных от указанного недостатка, основаны на использовании смесителей и колец ИФАПЧ без делителей. Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является цифровой синтезатор частоты (ЦСЧ) [5].

Структурная схема синтезатора-прототипа (фиг.1) состоит из цифрового вычислительного синтезатора 1, фильтра нижних частот (ФНЧ) 2, импульсного фазового детектора (ИФД) 3, ФНЧ 4, генератора, управляемого напряжением (ГУН) 7, соединенных последовательно, смесителя 5, первый вход которого соединен с выходом ГУН 7, а выход - со вторым входом ИФД 3, гетеродина 6, выход которого соединен со вторым входом смесителя 5.

Недостатком данной схемы является то, что она имеет низкое быстродействие, а также не обеспечивает требуемого подавления побочных дискретных составляющих (ПДС) в спектре выходного сигнала ЦВС.

Технический результат предлагаемого изобретения - увеличение быстродействия системы и повышение спектральной чистоты выходного сигнала при сохранении его фазовой стабильности.

Это достигается тем, что в структурную схему ЦСЧ, взятого в качестве прототипа, состоящего из ЦВС, ФНЧ, соединенных последовательно, смесителя и гетеродина, введены последовательно соединенные фильтр сосредоточенной селекции по промежуточной частоте, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, смеситель и первый высокочастотный многоканальный переключатель, выходы которого соединены с входами N высокочастотных фильтров сосредоточенной селекции, где N не менее двух, выходы которых соединены с N входами второго высокочастотного многоканального переключателя, а также М гетеродинов, где М не менее двух, выходы которых соединены с М входами третьего высокочастотного многоканального переключателя, выход которого соединен со вторым входом смесителя.

На фиг.1 представлена структурная схема цифрового синтезатора частот - прототипа;

На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого цифрового синтезатора частот,

где приняты следующие обозначения:

1 - цифровой вычислительный синтезатор;

2, 4 - фильтр нижних частот;

3 - импульсный фазовый детектор;

5 - смеситель;

6 - гетеродины 1...М;

7 - генератор, управляемый напряжением;

8 - фильтр сосредоточенной селекции по промежуточной частоте;

9 - первый высокочастотный многоканальный переключатель;

10 - высокочастотные фильтры сосредоточенной селекции;

11 - второй высокочастотный многоканальный переключатель;

12 - третий высокочастотный многоканальный переключатель.

Цифровой синтезатор частот содержит соединенные последовательно ЦВС 1, ФНЧ 2, ФСС-ПЧ 8, смеситель 5, первый высокочастотный многоканальный переключатель 9, выходы которого соединены с N входами ФСС-ВЧ 10.1...10.N, выходы которых соединены с N входами второго высокочастотного многоканального переключателя 11, М гетеродинов 6.1...6.М, выходы которых соединены с входами третьего высокочастотного многоканального переключателя 12, выход которого соединен со вторым входом смесителя 5.

Устройство работает следующим образом.

Дискретный сигнал промежуточной частоты, сформированный ЦВС 1, подвергается двойной частотной фильтрации: вначале фильтром ФНЧ 2, а затем ФСС-ПЧ 8. Далее отфильтрованный сигнал промежуточной частоты преобразуется в высокочастотную область с помощью смесителя 5 и М гетеродинов 6.1...6.М, коммутируемых многоканальным высокочастотным переключателем 12. После смесителя ВЧ 5 сигнал подвергается многоканальной узкополосной фильтрации с помощью двух высокочастотных многоканальных переключателей 9,11 и N высокочастотных фильтров сосредоточенной селекции 10.1...10.N.

Повышение спектральной чистоты выходного сигнала в предлагаемом устройстве достигается за счет оптимальной обработки дискретного сигнала с выхода ЦВС 1, где ФСС ПЧ 8 служит для более качественной фильтрации сигнала промежуточной частоты с выхода ЦВС 1 от ПДС, а использование М гетеродинов 6.1...6.М вместо одного позволяет избежать попадания комбинационных и гармонических составляющих (КС и ГС), возникающих в смесителе 5, в рабочий диапазон частот, применение ФСС-ВЧ 10.1...10.N обеспечивает необходимое подавление КС и ГС за пределами рабочего диапазона.

Так как предлагаемое устройство не содержит колец ИФАПЧ, заметно повышается быстродействие системы. Отсутствие в данном устройстве умножителей частоты позволяет сохранить фазовую стабильность, которая является определяющим фактором в радиолокации для реализации алгоритмов селекции движущихся целей (СДЦ).

Вопрос СДЦ применительно к цифровому синтезатору является одним из самых актуальнейших в радиолокации. Испытания, проведенные на опытном образце РЛС 1 Л 119 и на комплексном стенде с применением в качестве гетеродина цифрового синтезатора частот показали возможность применения данного изобретения в радиолокационных станциях метрового и дециметрового диапазона волн.

Литература

1. Прямой цифровой синтез и его применение. - "Application News", 2002 г.

2. Принципы построения источников сигналов на основе цифрового вычислительного синтеза. - "Электросвязь", №12, 1999 г.

3. Современные системы фазовой синхронизации для устройств радиосвязи и вещания. - В.В.Шахгильдян, А.В.Пестряков, "Электросвязь", №2, 2001 г.

4. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов: Учебное пособие. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. - 80 с.: ил.

5. Методы построения синтезаторов частот в СВЧ-диапазоне. - В.А.Левин, А.А.Черкашин, "Электросвязь", №2, 2004 г.

6. Техника синтеза частот для телекоммуникационных систем. - В.В.Шахгильдян, А.В.Пестряков", Электросвязь", №11, 2003 г.

7. Fractional-N и двойные Fractional-N/Integer-N синтезаторы частоты. - "Chip News", пер с англ., О.Стариков, Украина, 2003 г.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных станциях в качестве гетеродина. Достигаемый технический результат - увеличение быстродействия и повышение спектральной чистоты выходного сигнала при сохранении его фазовой стабильности. Цифровой синтезатор частот содержит цифровой вычислительный синтезатор, фильтр нижних частот, смеситель, фильтр сосредоточенной селекции по промежуточной частоте, три высокочастотных многоканальных переключателя, N высокочастотных фильтров сосредоточенной селекции, М гетеродинов. 2 ил.

Цифровой синтезатор частот, состоящий из цифрового вычислительного синтезатора, фильтра нижних частот, соединенных последовательно, и смесителя, отличающийся тем, что введены фильтр сосредоточенной селекции по промежуточной частоте, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а выход - с первым входом смесителя, первый высокочастотный многоканальный переключатель, вход которого соединен с выходом смесителя, N высокочастотных фильтров сосредоточенной селекции, где N не менее двух, входы которых соединены с N выходами первого высокочастотного многоканального переключателя, второй высокочастотный многоканальный переключатель, вход которого соединен с N выходами высокочастотных фильтров сосредоточенной селекции, а выход является выходом цифрового синтезатора частот, а также М гетеродинов, где М не менее двух, выходы которых соединены с входами вновь введенного третьего высокочастотного многоканального переключателя, выход которого соединен со вторым входом смесителя.