Конструкция малошумящего синтезатора частот с низким уровнем побочных спектральных составляющих Российский патент 2025 года по МПК H03L7/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области радиотехники и может применяться в качестве перестраиваемого в широкой полосе частот источника колебаний СВЧ-диапазона волн в составе радиоэлектронной измерительной аппаратуры, в том числе в генераторах сигналов, анализаторах спектра, анализаторах цепей.

Уровень техники

Создание широкополосных малошумящих синтезаторов частоты с низким уровнем побочных спектральных составляющих и малым шагом перестройки частоты представляет собой важную и вместе с тем сложную техническую задачу. Фазовый шум и побочные спектральные составляющие источника колебаний в измерительной аппаратуре отрицательно влияют на динамический диапазон, и, в частности, способны ограничить возможность обнаружения сигналов малого уровня мощности в присутствии мощных сигналов и помех.

Серийно выпускаемые микросхемы широкополосных синтезаторов частот на кольцах фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с делителем с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДКД) в цепи обратной связи и микросхемы прямого цифрового синтеза (ПЦС) находят широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах, но обладают высокими уровнями фазового шума и побочных спектральных составляющих, в связи с чем не могут быть напрямую задействованы в качестве источников сигнала в измерительной аппаратуре.

Ряд методов позволяет улучшить отдельные характеристики синтезаторов частот. Так, например, известен способ снижения фазовых шумов системы ФАПЧ путем замещения делителя частоты в цепи обратной связи смесителем. (Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991. С. 63, рис. 3.2г). Данный метод предполагает наличие малошумящего источника опорного сигнала высокой частоты, подключаемого к внешнему входу смесителя. К недостаткам следует отнести сравнительно узкую полосу формируемого сигнала.

Известен также способ снижения уровня побочных спектральных составляющих путем каскадного включения двух синтезаторов частоты, в котором первый синтезатор из заданной опорной частоты формирует переменную опорную частоту для второго синтезатора (Ченакин А.В., Горевой А.В. Практическое построение синтезаторов частоты СВЧ-диапазона. М.: Горячая линия - Телеком, 2021. С. 151, рис. 4.6). Значение опорной частоты для второго синтезатора выбирается таким, чтобы побочные спектральные составляющие оказались подавлены кольцевым фильтром ФАПЧ. К недостаткам указанного способа следует отнести высокий уровень фазового шума при использовании серийно выпускаемых микросхем синтеза частот.

Другой известный способ уменьшения побочных спектральных составляющих заключается в комбинировании повышающего преобразования частоты с последующим делением частоты (Ченакин А.В., Горевой А.В. Практическое построение синтезаторов частоты СВЧ-диапазона. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. С. 155, рис. 4.11). Относительный уровень побочных спектральных составляющих при этом уменьшается на величину, равную 20*lg(N) дБ, где N - коэффициент деления частоты. При этом также уменьшается в N раз и диапазон генерируемых частот, что является недостатком. Существенного снижения уровня побочных спектральных составляющих данным способом удается достичь преобразованием на очень высокую частоту, либо за счет повторений включения схемы указанным способом.

Одновременно удовлетворить требованиям к полосе рабочих частот, уровням фазового шума и побочных спектральных составляющих, а также времени и шагу перестройки частоты позволяют комбинированные методы синтеза частот с использованием перечисленных выше способов с применением многокольцевых систем ФАПЧ. Примеры таких решений рассмотрены ниже.

Известен гибридный многокольцевой синтезатор частот (RU 2774401), который содержит генератор колебаний опорной частоты, умножитель опорной частоты, цифровой синтезатор с полосовым фильтром на выходе, повышающий преобразователь частоты на смесителе с полосовым фильтром на выходе, умножительное кольцо ФАПЧ с делителем частоты на выходе, кольцо выходной ФАПЧ, состоящее из частотно-фазового детектора, кольцевого фильтра низких частот, управляемого напряжением генератора и включенных в цепь обратной связи двух делителей частоты, полосового фильтра и смесителя. Недостатком данного решения является повышенный уровень фазового шума и побочных спектральных составляющих из-за включения в цепь обратной связи выходного кольца ФАПЧ делителей частоты. Наличие в цепи обратной связи делителя частоты с коэффициентом деления N приводит к росту уровня фазового шума и побочных спектральных составляющих на величину 20*lg(N) дБ. Одним из источников побочных спектральных составляющих в данном решении является цифровой синтезатор, другим - смеситель выходного кольца ФАПЧ, в выходном спектре которого могут образовываться нежелательные комбинации, попадающие в полосу полезного сигнала.

Известен широкополосный синтезатор частот (RU 2450418), совмещающий в себе прямой цифровой и прямой аналоговый синтез, в котором используются блоки расширения диапазона перестройки частоты, каждый из которых содержит делитель частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа, фильтр низких частот, смеситель и полосовой фильтр. Вход такого блока внутри соединен с первым входом смесителя и с входом делителя частоты, выход делителя частоты соединен с входом фильтра низких частот. Выход фильтра низких частот подключен к второму входу смесителя, выход смесителя соединен с входом полосового фильтра, а выход полосового фильтра является выходом данного блока. В этом же решении применена более широкополосная версия блока расширения диапазона перестройки частоты, в которой используются обе боковые полосы сигнала на выходе смесителя. В связи с чем дополнительно введены переключатели, полосовой фильтр и фильтр нижних частот. Малый шаг перестройки частоты обеспечивается цифровым синтезатором, уровень побочных спектральных составляющих которого снижен комбинацией повышающего преобразования частоты и последующего деления частоты. Недостатком решения является необходимость включения большого числа блоков расширения диапазона перестройки частоты и высокие требования к избирательности фильтров, что значительно усложняет конструкцию. Схожее решение, но полученное косвенным методом синтеза на кольце ФАПЧ, описано в патенте US 11817871. Фильтрующие свойства ФАПЧ позволяют ослабить требования к избирательности полосовых фильтров или даже исключить фильтры из схемы, но и в данном решении для обеспечения широкой полосы и малого шага перестройки частоты требуется большое количество преобразователей, делителей, умножителей частоты и переключателей, приводящее к усложнению конструкции, что является недостатком.

Близким аналогом предлагаемого решения является синтезатор частот СВЧ с низким уровнем фазового шума (RU 2402868). Данное устройство условно можно разделить на 4 функциональные части: 1) источник опорного сигнала; 2) синтезатор частот крупной сетки на кольце ФАПЧ; 3) синтезатор частот мелкой сетки и 4) суммирующее кольцо ФАПЧ. Кольца ФАПЧ выполнены с понижающим преобразованием частоты в цепи обратной связи, благодаря чему достигается низкий уровень фазового шума. Блок-схема устройства за исключением несущественных деталей приведена на фиг. 1. Для наглядности на данной и последующих блок-схемах не указаны такие связующие элементы, как фильтры ФАПЧ, усилители, аттенюаторы, ответвители, цепи питания и управления, наличие которых подразумевается.

Устройство работает следующим образом. С выхода опорного генератора 1 сигнал поступает на входы синтезаторов крупной 2 и мелкой сеток частот 3. В синтезаторе частот крупной сетки 2 сигнал опорного генератора распределяется на вход делителя частоты на четыре 2.4 и на опорный вход стробоскопического преобразователя 2. В стробоскопическом преобразователе гармоника частоты опорного сигнала смешивается с сигналом управляемого генератора 2.2. Разностная частота с выхода стробоскопического преобразователя 2.3 поступает на первый вход частотно-фазового детектора 2.1, на второй вход которого поступает сигнал с выхода делителя частоты на четыре 2.4. На выходе частотно-фазового детектора 2.1 образуется сигнал ошибки, который подстраивает частоту управляемого генератора 2.2 до требуемого значения, кратного частоте сравнения частотно-фазового детектора 2.1 в соответствии с выражением F2 = k*F1/4, где F2 - частота сигнала на выходе управляемого генератора 2.2, k - положительное целое число, F1 - частота опорного генератора. Далее, сигнал с выхода управляемого генератора 2.2 частотой F2 поступает на внешний вход смесителя 4.3 суммирующего кольца ФАПЧ. На другой вход смесителя 4.3 поступает сигнал с первого выхода управляемого генератора 4.2. На выходе смесителя 4.3 образуется разностная частота, которая делится на 2 с помощью делителя частоты 4.4. Сигнал с выхода делителя частоты 4.4 поступает на первый вход частотно-фазового детектора 4.1. На второй вход частотно-фазового детектора 4.1 поступает сигнал частотой F3, сформированный синтезатором частот мелкой сетки 3 из сигнала опорного генератора 1. На выходе частотно-фазового детектора 4.1 образуется сигнал ошибки, который подстраивает частоту управляемого генератора 4.2 до требуемого значения F4 = F2 + 2*s4*F3 и удерживает его, где F4 - выходная частота, F2 - частота сигнала на выходе синтезатора частот крупной сетки 2, s4 - знаковый коэффициент 1 или минус 1 в зависимости от настройки полярности частотно-фазового детектора 4.1, F3 - частота сигнала на выходе синтезатора частот мелкой сетки 3.

В качестве синтезатора частот мелкой сетки 3 предложено использовать стандартные микросхемы прямого цифрового синтеза или ФАПЧ. Микросхемы ФАПЧ с целочисленным коэффициентом деления частоты в цепи обратной связи не позволяют достичь мелкого шага перестройки частоты, так как для этого приходится существенно уменьшать частоту сравнения, что приводит к росту фазового шума и замедлению скорости перестройки частоты. Реализовать мелкий шаг перестройки частоты без необходимости уменьшения частоты сравнения позволяют микросхемы ФАПЧ с дробным коэффициентом деления частоты. Последним свойственен высокий уровень побочных спектральных составляющих, что является существенным недостатком данного решения. Тот же недостаток характерен и для микросхем прямого цифрового синтеза.

Другим источником побочных спектральных составляющих в представленном решении являются комбинационные продукты на выходе смесителя 4.3, частоты которых могут быть найдены из выражения F(m,n) = |m*F2 + n*F4|, где m и n - целые числа (..., минус 2, минус 1, 0, 1, 2, …), F2 и F4 - частоты сигналов на входах смесителя 4.3. При отсутствии кратности между частотами крупной и мелкой сеток, отдельные продукты комбинаций могут проникать в полосу полезного сигнала суммирующего кольца ФАПЧ и вызывать паразитную модуляцию. Уровень побочных спектральных составляющих данного типа зависит от порядка комбинации p, где p = |m| + |n|. При увеличении порядка уровень комбинационных составляющих снижается (Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981. С. 52). Так как в рассматриваемом устройстве каждое значение выходной частоты единственным образом представляется суммой частот крупной и мелкой сеток, либо их разностью, то отдельные участки диапазона рабочих частот оказываются поражены продуктами комбинаций в том числе и малых порядков, что является существенным недостатком данного решения.

Также к недостаткам данного решения следует отнести наличие делителя частоты 4.4 в цепи обратной связи суммирующего кольца ФАПЧ, что приводит к росту уровней фазового шума и побочных спектральных составляющих на выходе устройства. В общем случае делитель частоты 4.4 в цепи обратной связи суммирующего кольца ФАПЧ может быть исключен из схемы за счет расширения диапазона выходных частот синтезатора мелкой сетки или за счет уменьшения шага крупной сетки.

Синтезатор частот крупной сетки, кроме указанного в представленном решении способа, может быть выполнен и другими известными способами: например, умножением частоты на малошумящем кольце ФАПЧ, генерацией гармоник на диоде с накоплением заряда или с помощью нелинейной линии передач с последующим выделением нужной гармоники. В общем случае частота на выходе синтезатора частот крупной сетки может быть выражена как F2 = k*dF = k*F1*A/B, где k - номер гармоники частоты шага сетки dF; F1 - частота опорного генератора; A - совокупный коэффициент умножения частоты опорного сигнала, B - совокупный коэффициент деления частоты опорного сигнала (A и B - натуральные числа). Так как формируемые синтезатором крупной сетки частоты кратны заданному шагу dF, то синтезатор частот крупной сетки не является непосредственным источником побочных спектральных составляющих и, следовательно, его внутренняя структура может быть исключена из детального рассмотрения в целях улучшения восприятия блок-схемы предлагаемого решения. Тогда совокупность блоков, выполняющих синтез частот крупной сетки, можно обозначить единым блоком в составе схемы устройства, обозначив его как СЧКС.

Таким образом, ближайший аналог (прототип) можно представить в обобщенном виде блок-схемой, изображенной на фиг. 2.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения состоит в усовершенствовании архитектуры широкополосных синтезаторов частот с целью снижении уровня побочных спектральных составляющих при сохранении низкого уровня фазового шума и малого шага перестройки частоты.

Техническим результатом заявляемого решения является выполнение поставленной задачи за счет добавления синтезатора частот неравномерной сетки, за счет предлагаемого способа построения синтезатора частот мелкой сетки и за счет указываемого порядка соединения блоков.

Блок-схема предлагаемого решения изображена на фиг. 3.

Сущность технического решения состоит в том, что в синтезатор частот, содержащий опорный генератор 1, синтезатор частот крупной сетки 2, синтезатор частот мелкой сетки 3 и суммирующее кольцо ФАПЧ 4, включающее в себя последовательно соединенные в замкнутую цепь частотно-фазовый детектор 4.1, управляемый генератор 4.2 и смеситель 4.3, дополнительно введен синтезатор неравномерной сетки частот 5, включающий в себя частотно-фазовый детектор 5.1, управляемый генератор 5.2, смеситель 5.3 и делитель частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 5.4, а синтезатор частот мелкой сетки 3 выполнен на кольце ФАПЧ дробного типа из последовательно соединенных в замкнутую цепь частотно-фазового детектора 3.1, управляемого генератора 3.2 и делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления 3.4, дополненных цепью обратной связи с понижающим преобразованием частоты на смесителе 3.3 и делителем частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 3.5 на выходе, при этом выход опорного генератора 1 соединен с входом синтезатора частот крупной сетки равномерного шага 2, первый выход которого соединен со входом синтезатора частот мелкой сетки 3, а второй выход - с входом синтезатора частот неравномерной сетки 5, выход синтезатора частот мелкой сетки 3 соединен с внешним входом частотно-фазового детектора суммирующего кольца ФАПЧ 4.1, выход синтезатора частот неравномерной сетки 5 соединен с внешним входом смесителя суммирующего кольца ФАПЧ 4.3, причем: в синтезаторе частот мелкой сетки 3 входом является первый вход смесителя 3.3, выход смесителя 3.3 соединен с первым входом частотно-фазового детектора 3.1, второй вход частотно-фазового детектора 3.1 соединен с выходом делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления 3.4, выход частотно-фазового детектора 3.1 соединен с входом управляемого генератора 3.2, первый выход управляемого генератора 3.2 соединен с входом делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления 3.4, второй выход управляемого генератора 3.2 соединен со вторым входом смесителя 3.3, третий выход управляемого генератора 3.2 соединен с входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 3.5, выход которого является выходом синтезатора частот мелкой сетки 3; в синтезаторе частот неравномерной сетки 5 входом является первый вход смесителя 5.3, выход смесителя 5.3 соединен с первым входом частотно-фазового детектора 5.1, второй вход частотно-фазового детектора 5.1 соединен с выходом делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 5.4, выход частотно-фазового детектора 5.1 соединен с входом управляемого генератора 5.2, первый выход управляемого генератора 5.2 соединен с входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 5.4, второй выход управляемого генератора 5.2 соединен с вторым входом смесителя 5.3, а третий выход управляемого генератора 5.2 является выходом синтезатора частот неравномерной сетки 5.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

На фиг. 1 использованы следующие обозначения:

1 - опорный генератор (ОГ)

2 - синтезатор частот крупной сетки (СЧКС), содержащий:

2.1 - частотно-фазовый детектор (ЧФД)

2.2 - управляемый генератор (УГ)

2.3 - стробоскопический преобразователь (СП)

2.4 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления на 4 (ДЧ /4)

3 - синтезатор частот мелкой сетки

4 - суммирующее кольцо ФАПЧ (СК), содержащее:

4.1 - частотно-фазовый детектор (ЧФД)

4.2 - управляемый генератор (УГ)

4.3 - смеситель (См.)

4.4 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления на 2 (ДЧ /2)

На фиг. 2 использованы следующие обозначения:

1 - опорный генератор (ОГ)

2 - синтезатор частот крупной сетки (СЧКС)

3 - синтезатор частот мелкой сетки (СЧМС)

4 - суммирующее кольцо ФАПЧ (СК), содержащее:

4.1 - частотно-фазовый детектор (ЧФД)

4.2 - управляемый генератор (УГ)

4.3 - смеситель (См.)

На фиг. 3 использованы следующие обозначения:

1 - опорный генератор (ОГ)

2 - синтезатор частот крупной сетки (СЧКС)

3 - синтезатор частот мелкой сетки (СЧМС), включающий в себя:

3.1 - частотно-фазовый детектор (ЧФД)

3.2 - управляемый генератор (УГ)

3.3 - смеситель (См.)

3.4 - делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДКД)

3.5 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа (ДПКД)

4 - суммирующее кольцо ФАПЧ (СК), включающее в себя:

4.1 - частотно-фазовый детектор (ЧФД)

4.2 - управляемый генератор (УГ)

4.3 - смеситель (См.)

5 - синтезатор частот неравномерной сетки (СЧНС), включающее в себя:

5.1 - частотно-фазовый детектор (ЧФД)

5.2 - управляемый генератор (УГ)

5.3 - смеситель (См.)

5.4 - делитель частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа (ДПКД)

На фиг. 4 представлен пример неравномерной сетки, получаемой из набора частот 4800, 4900, 5000, 5100 и 5200 МГц сетки крупного шага. Сокращения отсутствуют, пояснения содержатся в разделе «Осуществление изобретения».

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Опорный генератор 1 вырабатывает частоту F1. Синтезатор частот крупной сетки равномерного шага 2 из сигнала опорного генератора 1 формирует частоту в соответствии с выражением F2 = k*dF = F1*A/B, где k - номер гармоники шага синтезатора частот крупной сетки dF, А - совокупный коэффициент умножения частоты опорного сигнала в синтезаторе частот крупной сетки, B - совокупный коэффициент деления частоты опорного сигнала в синтезаторе частот крупной сетки (A и B - натуральные числа). Сигнал с выхода синтезатора частот крупной сетки 2 распределяется на входы синтезатора частот мелкой сетки 3 и синтезатора частот неравномерной сетки 5. На выходе синтезатора частот мелкой сетки 3 формируется сигнал частотой F3 = (F2/(1+ s3/N3))/D3, где s3 - знаковый коэффициент, который может принимать значения 1 или минус 1 в зависимости от настройки полярности частотно-фазового детектора 3.1; N3 - коэффициент деления частоты дробно-переменного делителя 3.4 в цепи обратной связи; D3 - коэффициент деления частоты делителя 3.5 по выходу синтезатора частот мелкой сетки. На выходе синтезатора частот неравномерной сетки 5 формируется частота F5 = F2/(1 + s5/N5), где s5 - знаковый коэффициент, который может принимать значения 1 или минус 1 в зависимости от настройки полярности частотно-фазового детектора 5.1; N5 - коэффициент деления частоты делителя 5.4 целочисленного типа. Сигнал с выхода синтезатора частот неравномерной сетки 5 поступает на внешний вход смесителя 4.3 суммирующего кольца ФАПЧ. На другой вход смесителя 4.3 поступает сигнал с выхода управляемого генератора 4.2. Разностная частота, образованная на выходе смесителя 4.3, поступает на первый вход частотно-фазового детектора 4.1, на другой (внешний) вход которого поступает сигнал с выхода синтезатора частот мелкой сетки 3. На выходе частотно-фазового детектора 4.1 образуется сигнал ошибки, который подстраивает частоту управляемого генератора 4.2 до требуемого значения и удерживает его в соответствии с выражением F4 = F5 + s4*F3, где F4 - частота на выходе управляемого генератора 4.2, F5 - частота сигнала на выходе синтезатора частот неравномерной сетки 5; F3 - частота на выходе синтезатора частот мелкой сетки 3; s4 - знаковый коэффициент, принимающий значения 1 или минус 1 в зависимости от настройки полярности частотно-фазового детектора 4.1. Частота F4 является также частотой выходного сигнала устройства.

Синтезатор частот неравномерной сетки 5 из крупной сетки частот формирует уплотненную сетку. Учитывая, что F2 = k*dF, частоту сигнала на выходе синтезатора неравномерной сетки частот можно представить как F5 = k*dF/(1 + s5/N5), где k - номер гармоники шага крупной сетки dF, s5 - знаковый коэффициент, принимающий значения 1 или минус 1 в зависимости от настройки полярности частотно-фазового детектора 5.1, N5 - целочисленный коэффициент деления частоты делителя 5.4 в цепи обратной связи. Основой синтезатора частот неравномерной сетки служит кольцо ФАПЧ с цепью обратной связи, содержащей делитель с переменным коэффициентом деления частоты целочисленного типа 5.4. Дополнительная цепь обратной связи с понижающим преобразованием частоты на смесителе 5.3 приводит общий коэффициент умножения схемы ФАПЧ к значению близкому к 1. В связи с чем уровень фазового шума на выходе управляемого генератора 5.2 практически не увеличивается относительно частоты сравнения частотно-фазового детектора 5.1 (Banerjee D. PLL Performance, Simulation and Design, 4^th ed. - Indianapolis: Dog Ear Publishing, 2006. С. 104-105). Так как N5 - целое число, то в выходном сигнале синтезатора частот неравномерной сетки не образуется побочных спектральных составляющих. На фиг. 4 приведена иллюстрация примера, где dF = 100 МГц, k меняется в диапазоне от 48 до 52 включительно, N5 меняется в диапазоне от 50 до 100 включительно, s5 принимает значения 1 и минус 1. Исходная сетка крупного шага в данном примере состоит из частот 4800, 4900, 5000, 5100 и 5200 МГц. Уплотнение сетки создает избыточность в возможных сочетаниях частот F3 и F5 для получения частоты выходного сигнала F4, благодаря чему возможно подобрать такую пару значений F3 и F5, что нежелательные комбинационные составляющие малых порядков, образующиеся на выходе смесителя 4.3 суммирующего кольца ФАПЧ, окажутся вне полосы полезного сигнала. Кроме того, плотная сетка позволяет не использовать делители частоты в цепи обратной связи суммирующего кольца ФАПЧ, что в противном случае вело бы к росту уровней фазового шума и побочных спектральных составляющих. Синтезатор частот неравномерной сетки может быть изготовлен на основе серийно выпускаемых микросхем ФАПЧ.

Синтезатор частот мелкой сетки вырабатывает сигнал, частота которого может меняться с шагом много меньшим шага крупной сетки, обеспечивая тем самым необходимую точность установки частоты сигнала на выходе устройства. Основой синтезатора частот мелкой сетки является кольцо ФАПЧ с дробно-переменным коэффициентом деления частоты в цепи обратной связи 3.4. Снижение уровня побочных спектральных составляющих достигается введением дополнительной цепи обратной связи с понижающим преобразованием частоты на смесителе 3.3 и установкой на выходе данного синтезатора делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 3.5. Указанный способ исполнения синтезатора частот мелкой сетки аналогичен методу снижения уровня побочных спектральных составляющих комбинацией повышающего преобразования частоты с последующим делением частоты. В предлагаемом решении существенно облегчается задача выделения полезного сигнала за счет фильтрующих свойств кольца ФАПЧ. Выражение для выходной частоты синтезатора частот мелкой сетки F3 = (k*dF/(1 + s3/N3))/D3, где k - положительное целое число, dF - шаг крупной сетки, s3 - знаковый коэффициент, принимающий значения 1 или минус 1 в зависимости от настройки полярности частотно-фазового детектора 3.1, N3 - коэффициент деления частоты в цепи обратной связи, содержащей делитель частоты дробно-переменного типа 3.4, D3 - коэффициент деления частоты на выходе синтезатора частот мелкой сетки 3.5. Дополнительная цепь обратной связи с понижающим преобразованием частоты на смесителе 3.3 приводит коэффициент умножения схемы ФАПЧ к значению близкому к 1. В связи с чем уровни фазового шума и побочных спектральных составляющих на выходе управляемого генератора 3.2 практически не увеличиваются относительно частоты сравнения частотно-фазового детектора 3.1. Дополнительное снижение уровней фазового шума и побочных спектральных составляющих на величину 20*lg(D3) дБ происходит вследствие прохождения сигнала через выходной делитель частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа 3.5. Синтезатор частот мелкой сетки может быть изготовлен на основе серийно выпускаемых микросхем ФАПЧ.

Расчет параметров, необходимых для синтеза частоты F4, может быть осуществлен следующим образом. Из предварительно составленной таблицы частот неравномерной сетки отбираются значения, которые образуют с выходной частотой разностные частоты F3[i] = |F4 - F5[i]|, укладывающиеся в диапазон выходных частот синтезатора мелкой сетки от F3_min до F3_max (i - порядковый номер отобранных частот). Для каждой отобранной частоты F5[i] вычисляются порядок и отстройка продуктов комбинаций с помощью итерационного представления цепными дробями отношения частот F5[i] к F3[i] (Kroupa V.F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. New York: Willey, 2003. P. 262-264). На основании критерия минимизации уровня комбинационных продуктов, заключающегося в том, что меньшим уровнем обладают продукты высокого порядка и находящиеся за пределами полосы пропускания фильтра ФАПЧ, выбирается частота F5 синтезатора неравномерной сетки и соответствующая ей частота синтезатора мелкой сетки F3, а также номер гармоники k шага крупной сетки и знаковые коэффициенты s4 и s5. Далее вычисляется коэффициент деления частоты на выходе синтезатора частот мелкой сетки как D3 = round(k*dF/F3), где round означает операцию округления до ближайшего целого числа. Определяется знак s3, исходя из того, с какой стороны происходит округление. Затем находится коэффициент деления частоты в цепи обратной связи синтезатора частот мелкой сетки: N3 = |1/((k*dF/(F3*D3)) - 1)|. При необходимости корректируется значение D3 для приведения N3 в диапазон допустимых значений. N3 представляется в виде подходящей дроби Z3 + X3/Y3, где Z3 - целая часть N3, а X3 и Y3 - соответственно числитель и знаменатель, выражающие дробную часть коэффициента деления N3.

Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в качестве источника СВЧ-колебаний в радиоизмерительной аппаратуре. Технический результат – снижение уровня побочных спектральных составляющих в выходном сигнале с сохранением низкого уровня фазового шума и малого шага перестройки частоты. Такой результат обеспечивается за счет того, что синтезатор частоты содержит опорный генератор, синтезатор частот крупной сетки, синтезатор частот мелкой сетки, суммирующее кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и характеризуется исполнением синтезатора частот мелкой сетки в виде соединения замкнутых в кольцо смесителя и дробного синтезатора ФАПЧ, образующих цепь обратной связи с понижающим преобразованием частоты с делителем частоты с переменным коэффициентом деления, установленным на выходе дробного синтезатора ФАПЧ, а также включением между синтезатором частот крупной сетки и суммирующим кольцом ФАПЧ дополнительного кольца ФАПЧ синтезатора частот неравномерной сетки, выполненного со смесителем в цепи обратной связи. 4 ил.

Малошумящий синтезатор частот с низким уровнем побочных спектральных составляющих, содержащий опорный генератор, синтезатор частот крупной сетки равномерного шага, синтезатор частот мелкой сетки и суммирующее кольцо ФАПЧ, включающее в себя соединённые последовательно в замкнутую цепь частотно-фазовый детектор, управляемый генератор и смеситель, отличающийся тем, что в схему дополнительно введён синтезатор неравномерной сетки частот, включающий в себя частотно-фазовый детектор, управляемый генератор, смеситель и делитель частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа, а также тем, что синтезатор частот мелкой сетки выполнен на кольце ФАПЧ дробного типа из соединённых последовательно в замкнутую цепь частотно-фазового детектора, управляемого генератора и делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления, дополненных цепью обратной связи с понижающим преобразованием частоты на смесителе и делителем частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа на выходе, при этом выход опорного генератора соединён с входом синтезатора частот крупной сетки равномерного шага, первый выход которого соединён со входом синтезатора частот мелкой сетки, а второй выход - с входом синтезатора частот неравномерной сетки, выход синтезатора частот мелкой сетки соединён с внешним входом частотно-фазового детектора суммирующего кольца ФАПЧ, выход синтезатора частот неравномерной сетки соединён с внешним входом смесителя суммирующего кольца ФАПЧ, где внешний выход управляемого генератора является выходом устройства, причём в синтезаторе частот мелкой сетки входом является первый вход смесителя, выход которого соединён с первым входом частотно-фазового детектора, второй вход частотно-фазового детектора соединён с выходом делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления, выход частотно-фазового детектора соединён с входом управляемого генератора, первый выход управляемого генератора соединён с входом делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления, второй выход управляемого генератора соединён со вторым входом смесителя, третий выход управляемого генератора соединён с входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа, выход которого является выходом синтезатора частот мелкой сетки; в синтезаторе частот неравномерной сетки входом является первый вход смесителя, выход которого соединён с первым входом частотно-фазового детектора, второй вход которого соединён с выходом делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа, выход частотно-фазового детектора соединён с входом управляемого генератора, первый выход управляемого генератора соединён с входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления целочисленного типа, второй выход управляемого генератора соединён с вторым входом смесителя, а третий выход управляемого генератора является выходом синтезатора частот неравномерной сетки.