СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ Российский патент 2011 года по МПК H03L7/18 

Синтезатор частот относится к радиотехнике и может применяться в системах с двойным преобразованием частоты, обеспечивая перестройку частоты в больших пределах с шагом, определяемым разрешением используемой микросхемы прямого цифрового синтеза DDS.

Известен прибор для синтезирования частот, включающий микросхему прямого цифрового синтеза DDS, фильтр для сигнала с DDS, предназначенный для фильтрации основного сигнала от гармонических составляющих, делитель опорного сигнала, фазовый детектор для обнаружения разности фаз (фазового сдвига) между указанным опорным сигналом и сигналом обратной связи и для обеспечения соответствующего сигнала об ошибке, контурный фильтр (интегратор) для получения указанного сигнала об ошибке, фильтрации шума в указанном сигнале об ошибке и использования отфильтрованного сигнала об ошибке в качестве управляющего сигнала, ГУН генератор, управляемый напряжением ошибки, служащий для генерации конечной частоты, делитель для деления указанного выходного сигнала частоты на N, для обеспечения указанного сигнала обратной связи соответственно частоте выходного сигнала частоты деленного на N. (Патент US 4.965.533 от 23.10.1990, МПК H03L 7/18.) Данное изобретение взято за прототип.

Недостатком известного изобретения является высокий уровень паразитных шумов выходной частоты синтезатора частот. Формула конечной (выходной) частоты F_кон выглядит так:

Fкон=N·Fсравнения=N·Fот синтезатора DDS/M=(N/М)·Fdds

Этап "деления на-М" фиксированным делителем, который выбирает конкретный частотный диапазон, в то время как DDS обеспечивает точное разрешение по частоте в пределах этого диапазона. Уровень Spur (паразитных сигналов) DDS будет снижен на этапе "деления на-М", но затем увеличен на N в выходной частоте Fкон (так как обычно Fвых всегда больше, чем частота тактирования - в нашем случае Fdds, то коэффициент деления N будет всегда больше, чем коэффициент М.

N=Fкон/Fcpaвн

то есть все паразитные шумы от DDS синтезатора будут сначала уменьшены в М раз на частоте сравнения синтезатора ФАПЧ, а потом увеличены в N раз при выходной частоте Fкон).

Целью заявленного изобретения является достижение дискретного изменения частоты с шагом в 0,1 Гц в широком диапазоне частот для точной установки частоты приемника, улучшение чистоты выходного сигнала от паразитных сигналов синтезатора DDS и, соответственно, улучшение фазового шума выходного сигнала, снижение энергопотребления в работе и себестоимости устройства при производстве.

Технический результат достигается тем, что синтезатор частот, содержащий блок управления, синтезатор первой промежуточной частоты, синтезатор второй промежуточной частоты, отличается тем, что содержит в синтезаторе второй промежуточной частоты синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты, синтезирующей фиксированную опорную частоту, DDS синтезатор с перестраиваемой в заданном диапазоне частотой, фильтр частоты DDS синтезатора, смеситель опорной частоты синтезатора с ФАПЧ и DDS синтезатора, выходная частота которого равняется сумме опорной частоты синтезатора с ФАПЧ и частоты DDS синтезатора, полосовой фильтр для фильтрации выходной частоты смесителя, а также содержит для первой промежуточной частоты ГУН с переключающимися поддиапазонами в области рабочих частот с помощью поляризованных реле, потребляющих ток только в динамике (при переключении).

На чертежах изображено

На фиг.1 - блок схема, содержащая смеситель первой промежуточной частоты (1ПЧ) и смеситель второй промежуточной частоты (2ПЧ).

Представленный синтезатор совмещает в себе методы прямого цифрового синтеза DDS и синтеза частоты с фазовой автоподстройкой частоты ФАПЧ. Данный синтезатор может применяться в системах с двойным преобразованием частоты и обеспечивать перестройку частоты в больших пределах с шагом, определяемым разрешением используемой микросхемы прямого цифрового синтеза DDS. Функционально он состоит из двух независимых синтезаторов частоты. Для обеспечения перестройки по частоте в больших пределах с малым шагом и для упрощения схемотехники синтезатора применяется метод с двумя перестраиваемыми промежуточными частотами (далее ПЧ). Метод заключается в том, что на вход первого смесителя в качестве гетеродина подается сигнал синтезатора в полном частотном диапазоне с шагом перестройки 10 кГц, а на вход гетеродина второго смесителя подается сигнал синтезатора с частотой, равной частоте 2ПЧ и изменяемой в пределах от 0 до 9,9999 кГц с шагом перестройки порядка 0,1 Гц (определяется шагом перестройки используемой микросхемы прямого цифрового синтеза DDS) - фиг.1. В результате дискретного изменения частоты по 1 ПЧ с шагом в 10 кГц и по 2 ПЧ с шагом в 0.1 Гц достигается возможность перестройки частоты в широком диапазоне частот, определяемым синтезатором 1 ПЧ, и с шагом, определяемым синтезатором 2 ПЧ.

Из-за того что частота гетеродина 1 ПЧ выше частоты входного сигнала, то при преобразовании в 1 ПЧ происходит инверсия сигнала. Во второй ПЧ инверсии сигнала не происходит, поэтому полосовым фильтром после 2 ПЧ необходимо выделить инвертированную нижнюю боковую полосу.

Сокращения: Fсинт 1 - частота синтезатора 1 гетеродина (66.5-95 МГц),

Fпч1 - частота 1-й ПЧ,

Fпч2 - частота 2-й ПЧ,

Fсинт 2 - частота синтезатора 2 гетеродина (59.990-60 МГц),

Fсигн - частота принимаемого сигнала.

В (2) подставим (1). Fпч2=Fсинт 1-Fсинт 2-Fсигн или для сигнала Fсигн=Fсинт 1-Fсинт 2-Fпч2.

Зная частоту настройки Fсигн и частоту Fпч2, устанавливаем частоту синтезатора 1 ПЧ Fсинт 1 с шагом 10 кГц, а частоту настройки синтезатора 2ПЧ Fсинт 2 с шагом в 0.1 Гц.

На фиг.2 - блок-схема синтезатора первой промежуточной частоты и синтезатора второй промежуточной частоты, которая содержит синтезатор 1 частоты с ФАПЧ для второй промежуточной частоты (2ПЧ), интегратор 2, генератор 3, управляемый напряжением (ГУНЗ), для 2ПЧ, смеситель 4, буферный усилитель 5, DDS синтезатор 6 на основе DDS микросхемы, фильтр низкой частоты 7 (ФНЧ), два полосовых фильтра 8, включенных последовательно, буферные усилители 9 частоты, поступающей с выхода полосового фильтра 8, блок управления 10, синтезатор 11 частоты с ФАПЧ для первой промежуточной частоты (1ПЧ), интегратор 12, генератор 13, управляемый напряжением, для 1ПЧ, буферные усилители 14.

Синтезатор для первой промежуточной частоты представляет собой обычный синтезатор частот с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) - фиг.2. Код частоты в микросхему синтезатора частоты с ФАПЧ 11 записывается блоком 10 управления. Сигнал управления варикапом для захвата частоты интегрируется интегратором 12 и поступает на генератор 13, управляемый напряжением (ГУН). С выхода генератора 13 сигнал поступает на буферные усилители 14, которые служат для усиления и развязки выходного сигнала. Далее, усиленный до уровня, необходимого для работы в качестве гетеродинного, сигнал подается на смеситель 1ПЧ - фиг.1. ГУН 13 представляет из себя широкодиапазонный генератор с переключаемыми частотозадающими элементами. Каждый частотозадающий элемент перекрывает определенный поддиапазон частот. В генераторе используется 7 поддиапазонов, которые перекрывают диапазон частот от 66.5 до 95 МГц. В качестве переключаемых частотозадающих элементов взяты переменные конденсаторы, изменяя емкость которых можно подстраивать частоту в каждом поддиапазоне. Коммутация конденсаторов происходит поляризованными реле, которые в статическом режиме работы не потребляют энергии. Управление этими реле в зависимости от установленной частоты осуществляет блок управления 10. Установку точной частоты в каждом поддиапазоне выполняет варикап, управляемый петлей ФАПЧ синтезатора 11.

Синтезатор для 2 ПЧ состоит из синтезатора 1 частот с ФАПЧ, который управляется блоком 10 управления. В этот синтезатор блок управления 10 записывает фиксированную частоту Fфикс 58.990 МГц. Сигнал управления после интегратора 2 поступает на варикап генератора 3, управляемого напряжением. ГУН 3 выполнен по обычной схеме емкостной трехточки. Сигнал с генератора 3 поступает на смеситель 4 в качестве гетеродина. Сигналом на смеситель 4 через фильтр 7 низкой частоты с частотой среза 1.2 МГц поступает частота порядка 1 МГц с перестройкой в диапазоне 10 кГц от DDS синтезатора 6. Частоту микросхемы DDS задает блок 10 управления. После смесителя 4 сигнал поступает на пару высокочастотных полосовых кварцевых фильтров 8 с полосой пропускания 20 кГц на частоте 59.995 МГц. В результате после фильтров 8 остается одна боковая частота 59.995 МГц с отстройкой от центральной частоты ±5 кГц в зависимости от частоты настройки DDS синтезатора 6. Другая преобразованная в смесителе 4 боковая частота 57.990 МГц ослабляется полосовыми фильтрами 8 до уровня порядка 70 дБ.

После полосовых фильтров 8 сигнал поступает на буферные усилители 9, которые служат для усиления и развязки сигнала. Далее усиленный до необходимого для работы в качестве гетеродинного сигнала смесителя 2ПЧ подается на блок 2ПЧ - фиг.1.

Все микросхемы синтезаторов 1, 6, 11 тактируются от одного опорного высокостабильного генератора.

Включение DDS микросхемы на низкой частоте с последующим преобразованием в высокую частоту при помощи сигнала подставки от синтезатора 1 с ФАПЧ вызвано тем, что на более высоких частотах необходимы более высокоскоростные, дорогостоящие и потребляющие больше мощности DDS микросхемы, что приводит к удорожанию устройства и увеличению потребляемого им тока. В данном устройстве используется более дешевая и простая микросхема DDS синтезатора 6.

В соответствии с заявленным изобретением были изготовлены синтезаторы частот, в которых синтезатор частот 2СЧ выдает частоту в диапазоне 59,990-60 МГц с шагом перестройки вплоть до 0,01 Гц - определяется возможностью разрешения по частоте, применяемой микросхемой DDS синтезатора 6. Функционально СЧ состоит из синтезатора 1 с ФАПЧ на фиксированную частоту, которая в смесителе 4 складывается с частотой DDS синтезатора 6. После чего фильтрами 8 выделяется одна боковая полоса преобразования (верхняя) и после усиления в буферном усилителе 9 поступает на гетеродинный вход смесителя 2ПЧ - фиг.1.

Синтезатор 1 фиксированной частоты 58.990 МГц представляет собой микросхему с ФАПЧ управлением. Сигнал управления варикапом для захвата частоты ГУНа 3 интегрируется в интеграторе 2. Далее, сигнал фиксированной частоты поступает на смеситель 4. В качестве гетеродина на смеситель 4 поступает сигнал от DDS синтезатора 6. Частота гетеродина выбрана в диапазоне 1-1,009999,9 МГц с шагом перестройки в 0,1 Гц.

Для фильтрации паразитных гармонических составляющих сигнал гетеродина дополнительно фильтруется в фильтре 7 низкой частоты с частотой среза 1.2 МГц. Частоты в синтезаторы 1 и 6 записываются блоком управления 10 (микропроцессором). Опорная частота на синтезаторы поступает от высокостабильного термостатического кварцевого генератора. Буферный усилитель 5 служит для усиления синусоидального сигнала опорной частоты до уровня, необходимого для работы DDS синтезатора 6 на DDS микросхеме. На выходе смесителя 4 получаются две частоты 59,990-59,999999 МГц и 57,990-57,999999 МГц. Верхняя боковая частота 59,990-59.999999 МГц проходит через узкополосные кварцевые полосовые фильтры 8, а все лишние частоты подавляются этими фильтрами до уровня не менее 70-80 дБ. Отфильтрованный сигнал частотой 59,990-59,999999 МГц поступает на буферные усилители 9, где после усиления до уровня, необходимого для работы в качестве гетеродинного сигнала смесителя, поступает на входы 2ПЧ соответственно первого и второго каналов приемника.

Заявленное изобретение полностью решает поставленную задачу. Принцип перестройки по гетеродинам двух ПЧ дает возможность точной установки частоты приемника. Данная схема синтезатора частот обеспечивает низкий уровень паразитных составляющих от DDS-синтезатора 6 благодаря использованию DDS микросхемы в очень узкой полосе частот с последующей фильтрацией сигнала в фильтре 7 низкой частоты, в полосовых кварцевых фильтрах 8 при использовании высокостабильных элементов позволяет получить фазовые шумы в полосе 300-3400 Гц не хуже 95 дБ (по ухудшению чувствительности в 2 раза) при паразитном отклонении частоты (ПОЧ) не более 0.1 Гц. Включение DDS синтезатора на низкой частоте позволяет отказаться от дорогостоящих высокочастотных DDS микросхем и снижает себестоимость устройства, а также снижает энергопотребление, как и применение поляризованных реле, потребляющих ток только при переключении.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть применено в системах с двойным преобразованием частоты, обеспечивая перестройку частоты в больших пределах с шагом, определяемым разрешением используемой микросхемы прямого цифрового синтеза DDS. Технический результат - повышение точности установки частоты приемника и уменьшение фазовых шумов выходного сигнала. Для этого синтезатор частот, содержащий блок управления, синтезатор первой промежуточной частоты, синтезатор второй промежуточной частоты, отличается тем, что содержит в синтезаторе второй промежуточной частоты синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты, синтезирующей фиксированную опорную частоту, DDS синтезатор с перестраиваемой в заданном диапазоне частотой, фильтр низкой частоты DDS синтезатора, смеситель опорной частоты синтезатора с ФАПЧ и DDS синтезатора, выходная частота которого равняется сумме опорной частоты синтезатора с ФАПЧ и частоты DDS синтезатора, полосовой фильтр для фильтрации выходной частоты смесителя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Синтезатор частот, содержащий блок управления, синтезатор первой промежуточной частоты, синтезатор второй промежуточной частоты, отличающийся тем, что содержит в синтезаторе второй промежуточной частоты синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), синтезирующей фиксированную опорную частоту, DDS синтезатор с перестраиваемой в заданном диапазоне частотой, фильтр низкой частоты DDS синтезатора, смеситель опорной частоты синтезатора с ФАПЧ и частоты DDS синтезатора, поступающей на смеситель через фильтр низкой частоты, выходная частота смесителя равняется сумме опорной частоты синтезатора с ФАПЧ и частоты DDS синтезатора, полосовой фильтр для фильтрации выходной частоты смесителя, опорный высокостабильный генератор, от которого тактируются микросхемы синтезатора частоты с ФАПЧ для второй промежуточной частоты, DDS синтезатора, синтезатора частоты с ФАПЧ для первой промежуточной частоты.

2. Синтезатор частот по п.1, отличающийся тем, что синтезатор первой промежуточной частоты содержит ГУН с переключающимися поддиапазонами в области рабочих частот с помощью поляризованных реле, потребляющих ток только в динамике (при переключении).

3. Синтезатор частот по п.1, отличающийся тем, что содержит буферные усилители частоты, поступающей с выхода полосового фильтра.

4. Синтезатор частот по п 1, отличающийся тем, что полосовой фильтр выполнен в виде двух полосовых фильтров, включенных последовательно.

5. Синтезатор частот по п.1, отличающийся тем, что DDS синтезатор содержит микросхему прямого цифрового синтезатора DDS с шагом перестройки 0,1 Гц.