Цифровой преобразователь частоты Советский патент 1983 года по МПК H03D7/00 

Вхупр

ЦИФРОВОЙ riPiEOBPASOBATEJIIb ЧАСТОТЫ, содержащий смеситель, выход которого является выходом цифрового преобразователя частоты, отличающийся тем/ что, с целью уменьшения фазовых искажений выходного сигнала и снижения уровня паразитных продуктов преобразования, между каждым входом цифрового преобразователя частоты и входом смесителя включен блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала, а смеситель вьлюлнен в виде арифметического блока.

ел

эо 01

Binx J. Изобретение относитс я к радиотех нике и может быть использовано в ра диоприемных и радиопередающих устро ствах, синтезаторах частоты, электроизмерительных приборах. Известен преобразователь частоты выполненный на смесителе двух сигна лов, осуществляющем функцию сумматора импульсных последовательностей Cl. Недостатком известного устройства является присутствие на вькоде устройства частот участвующих в преобразовании, а также и то, что импульсы суммарной частоты имеют фа зовые колебания, что в свою очередь требует в ряде случаев введения в схему преобразователя фильтров. Наиболее близким к предлагаемому является цифровой преобразователь частоты, содержащий смеситель, выхо которого является выходом цифрового преобразователя частоты. Известный -преобразователь частот выполнен как вычитатель импульсньк последовательностей. На его выходе формируется импульсная последовательность разностной частоты, при этом уровень паразитгйлх продуктов преобразования несколько ниже, чем в известном устройстве tl, в частности ослабляется составляющая мень шей из входных частот, отсутствует суммарная частота, ниже колебания фазы выходного сигнала С2 3. Однако известный преобразователь частоты имеет существенные недостат ки; импульсы разностей частоты на выходе преобразователя следуют неравномерно, что приводит к искажению и колебаниям фазы сигнала, в частотном спектре выходного сигнала присутствуют составляющие входных сигналов, что увеличивает уровень паразитных продуктов преобразования . Цель изобретения - уменьшение фа зовых искажений выходного сигнала и снижение уровня паразитных продуктов преобразования. Поставленная цель достигается тем, что в цифровом преобразователе частоты, содержащем смеситель, выхо которого является выходом цифрового преобразователя частоты, между каждым входом цифрового преобразова-. теля частоты и входом смесителя вкл чен блок цифрового сопровождения фа зы периодического сигнала, а смеситель выполнен в виде арифметического блока. На фиг, 1 представлена структур ная электрическая схема предлагаемо цифрового преобразователя; на фиг.2 структурная электрическая схема бло ка цифрового сопровождения фазы периодического сигнала,. Цифровой преобразователь частоты содержит смеситель ( арифметический блок ) 1 I блоки 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала. Блоки 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала содержат детек,тор 4 нулей, измерительный счетчик 5, регистр 6 памяти, параллельный сумматор-накопитель 7, сумматор 8 импульсных посШедовательностей, счетчик 9 импульсов, генератор 10 импульсов. Цифровой преобразователь частоты работает следующим образом. Первая и вторая входные импульсные периодические последовательности подаются на входы соответствующих блоков 2 и 3 цифрового сопровождения фазы периодического сигнала. Блок цифрового сопровождения фазы периодического сигнала работает -следующим образом. Пусть на его вход (фиг. 2) поступает первый периодический сигнсш. Детектор 4 нулей в момент начала положительного импульса этой последовательности вырабатывает импульс, которым содержимое счетчика 5 записывается в обратном коде в регистр б памяти, а затем оба счетчика .5 и 9 устанавливаются в исходное (нулевое) положение. Следует отметить, что в этот момент времени фаза входного сигнала равна О, так как сигнал входной импульсной последовательности переходит от +. Таким образом на выходе блока цифрового сопровождения в момент известного нулевого значения фазы входного сигнала принудительно устанавливается нулевое значение сигнала цифрового сопровождения. Оба счетчика 5 и 9 от генератора 10 заполняются импульсами высокой частоты. При этом частота генератора 10 выбирается так, чтобы при наиболее низких частотах сопровождаемого входного сигнала счетчик 5 полностью не заполняется, В результате в момент появления импульса с детектора 4 из счетчика 5 в регистр б памяти згшишется рассогласование - разность между величинами максимально возможного периода и данного конкретного периода сопровождаемой частоты, Счетчик 9 заполняется от генератора 10 через сумматор 8 ш«1ульсных последовательностей. Одновременно импульсы, продвигающие счетчик 9, стробируют параллельный сумматор-накопиг. тель 7, в который с каждым стробом вводится рассогласование из регистра 6 памяти. В момент переполнения на выходе переноса старшего разряда суквиатора-накопителя 7 появляется импульс, который суммируется в сумматоре 8 импульсных последовательностей с основной последовател ностью импульсов с генератора 10 и дополнительно продвигает на один такт счетчик 9, Одновременно этот импульс проходит на вход стробирования сумматора-накопителя 7 и дополнительно суммирует сигнал рассогласования из регистра 6 с содер жимым сумматора-накопителя. Параллельный сумматор-накопитель 7, сумматор 8 импульсных последовательностей и счетчик 9 функционируют так/ что дополнительный импульс на счетном входе счетчика 9 появляется в тот момент, когда рассогласование цифрового значения .сигнала блока на выходе цифрового сопровояздения фазы и текущего значения фазы периодического сигнала приближается к единице младшего разряда счетчика, т.е. дополнительный импульс сбрасывает накапли вающуюся текущую погрешность. На выходе счетчика в результате будет существовать цифровой сигнал сопровождения фазы входного периодического сигнала с погрешностью, равной единице младшего разряда счетчика вне зависимости от частоты входного сигнала и частоты генератора импульсов. Выходы блоков 2 и 3 цифрового сопровоящения фазы подключены соответственно на первый и второй входы смесителя 1, выполненного в виде арифметического блока. В результате на параллельных входах обоих слагаемых арифметического бл ка существуют цифровые cигнaJaJ,мгн венные значения которых соответств текущим значениям фаз каждого из входных сигналов. В зависимости от значения сигна на входе управления Смеситель 1 (ари({ 1етический блок | либо вычитае из текущих значений первого сигнала сопровождения текущие значения второго, либо суммирует их. Вследствие особенностей организации цифрового сопровождения погрешности цифрового сопровохздеиия каждого из сигналов лежат в интервале от О до 1 дискреты Mnajtoiiero разряда цифрового кода сопровождения. Следовательно, при вычитании погрешность цифровогосопровож дения разностного сигнала не превышает t1 млгщшего разряда. Это соответствует мгновенной фазовой модуляции выходного сигнала на ве личину фазы, определяемую значением млгщшего разря:да выходного ко да. Паразитная фазовая модуляция приводит к паразитной частотной модуляции. Диапазон мгновенного отклонения частоты на выходе преобразователя от р4,,удет равен Л -..,,.. ДГ.., -. -т ... ЧыХ ВЫ выГ- где Гвых период выходной разностной частоты fg,/ 4Т - максимальное колебание длительности периода разностной частоты, обусловленное дрожанием фазы (неточностью J цифрового сопровождения обоих сигналов и равное примерно-,где h - разр5шность Выходного цифрового сигнала.. ДТ -f Учнтьюая, что -тг вых 2 получим, л I вЫ)1 2 , П-ч вых Таким образом, выходной сигнал разностной частоты, будет иметь мгновенные значения частоты в диапазоне f -.« &ЫХ 2 вых Отклонение длительности Ю1пульса выходного сигнала от идеальной обусловлено погрешностью преобразования равной tl дискрете, т.е. равной -i- длительности периода ходНого сигнала. Паразитная фазовая модуляция, осуществляя мгновенные колебания длительности импульса выгходной разностной частоты, -приводит к паразитной акшлитудной модуляции. Глубина паразитной а1 шлитудной моду ляции (1« дуляции длительности импульса) равна t/,-foo%, где 0 - уровень выходного сигнала. Таким образом, без применения фильтра на выходе предлагаемого преобразователя частоты отношение основного сигнала к паразитным составляющим В худшем варианте будет равно , т.е. однозначно определяется точностью цифрового сопровождения фазы, что количественно характеризует чистоту выходного сигнала и уровень паразитной .фазовой модулядин. При использовании 4-разрядных блсхов цифрового сопровождения фазы периодического сигнала биение фазы выходного сигнала без применения фильтра.составляет в случае разностной частоты не более 2%, в . случае суммарной частоты - 10%. При использовании 8-разрядных устройств цифрового сопровождения фазы биение фазы для разностной частоты составит 0,1%, а для суммарной 0,7%. Таким образом, чем выие разрядность блоков цифрового сопровождения фазы, тем меньше уровень шумов преобразователя частоты и выше частота спектра выходного сигнала. С другой стороны увеличение разрядности усложняет техническую реализацию блока и ограничивает частотный и динамический диапазон входного частотно-модулированного сипна ла. Предлагаемый цифровой преобразо ватель частоты позволяет технически достаточно просто получить спектральную чистоту выходного сигнала порядка 40-60 дБ и выие, ас применением простого фильтра 80 90 дБ. Например, при преобразовании дву идеальных сигналов f 250 кГц и fj 150 кГц с 1О-разрядным цифровым сопровождением фазы каждого из сигналов при значении тактовых частот блоков цифрового сопровождения фазы соответственно 500 мГц и330 мГ на выходе преобразователя частоты будем иметь5разностный сигнал часто ты 100 кГц/ разброс мгновенных значений этой частоты будет ±100 Гц; отношение основного сигнала к урозою шума преобразования будет не менее 52 дБ|, глубина паразитной амплитудной и фазовой модуляции менее 0,2%. Если последовательности цифровых сигналов преобразователя частоты подать на вход цифроаналогового преобразователя,преобразуя значения фаз в значения амплг туды синусоидального сигнала, то на выходе цифроаналогового преобразователя образуется в первом случае синусоидальный сигнал разностной частоты, во втором случае - синусоидальный сигнал суммарной частоты. Следует отметить, что фаза синусоидального сигнала, в обоих случайх будет однозначно определяться фазами входных сигналов с точностью, оп ределяемой разрядностью блока 2 и 3 цифрового сопровождения фазы. Если использовать только старягшй ВЫХОДНОЙ разряд арифметического бло ка, то на выходе этого разряда образуется периодический сигнал разностной или суммарной частоты прямо угольной формы. Фаза этого сигнала также однозначно определяется фазами входных сигналов с точностью, определяемой разр51дностью блоков 2 и 3. Предлагаемый преобразователь час тоты легко реализуется на элеменTa jf микроэлектронной техники. Совре менная t элементная база позволяет . реализовать икифровой преобразователь с точностью представления фазы разностного или суммарного перио дического сигнала на его выходе 1% при частоте сигнала до 10 мГц. Снижение частоты входных сигналов приводит к повышению стабильности выходного сигнала. : Так, например, восьмиразрядный цифровой арифметический блок, выполняется на четырех микросхемах средней интеграции: 155ИПЗ.и 155ИР1.Во время распространения переноса на выходе сумматора выходные сигналы могут иметь дребезг, который принципиально устраняется стробированием. Сигнал стробирования осуществляет вывод результата суммирования или вычитания на вьосод преобразователя с некоторой задержкой от момента возможной смены BxoiiHoro кода на входах сумматора. Эта задержка для указанных выше микросхем составляет ориентировочно 70-100 не. Вместо стробирования можно подключить конденсаторы небольшой емкости к выходам разрядов смесителя 1. Различие частот входных сигналов на входах цифрового преобразователя частоты практически неограничено. При различии частот более чем в 2 раза необходимо согласование обслуживающих частот с генератора 10 импульсов. Так, например, при частотах входных сигналов 10 МГц и 1 Гц и точности представления фазы выходного сигнала 1% тактовые частоты обслуживания блоков цифрового сопровождения должны быть соответственно около и . Наиболее просто согласование тактовых частот достигается при автоматическом подиапазонном переключении частоты обслуживания. Предлагаемый цифровой преобразователь частоты позволяет осуществлять с высокой точностью совместные преобразования более чем двух частот. Для этого необходимо выход первого цифрового преобразователя частоты подключить на вход второго Преобразователя, на другой вход которюго подключить сигнал цифрового сопровождения фазы третьей частоты, -и т.д. При построении подобных пирамид преобразования многих частот следует обратить внимание на то, что на выходе цифрового преобразователя частоты фактически существует цифровой сигнал сопровождения разностной или суммарной выходной частоты. Поэтому в следующем каскаде по этому тракту нет необходимости в блоке цифрового сопровождения фазы, а сигнал с выхода предыдущего преобразователя следует подавать в следующем каскаде цифрового преобразования прямо на один из входов смесителя, выполненного в виде арифметического блока. Одновременно следует отметить, что длина последовательной цепочки, преобразований частот ограничена точностью блоков цифрового сопровождения фазы первичных сигналов, так как в каждом каскаде цифрового преобразования частоты уменьшается точность представления фазы выходного сигнала и соответст венно увелячивается биение фазы суммарного или разностного сигнала Предлагаемый цифровой преобраз ватель частоты может быть нспользован в качестве широкоплосного фа одвигающего устройства, для чего вместо второго сигнгша цифрового сопровождения достаточно на ческий блок 1 подать постоянное дв ичное число равное необходимому фазовому сдвигу Также предлагае «л цифровой преобразователь частоты ью жет (йать использован в схеме радир приемного устройства с синхронным детектированием и двойным преобразованием частоты в тракте несущей. В этом случае появляется возможность обеспечения приема широкоВ ещательяых радиостанций во всем диапазоне их работы без необходимости пе ре строй и фильтров. Предлагаемый цифровой преобразо ватель частоты ьюжет быть использован в широком классе радиотехнических устройств, например, при приеме и передаче частотно-модулированных Ьигналов, синтезаторах частот, измерительных приборах и т.д., особенно там, где необходимо сохранение фазы входного сигнала. При этом использование пр едла гаемого цифрового преобразователя частоты позволяет отказаться от применения сложных селективных частотных элементов, В уыкояяом спектре преобразованного сигнала Отсутствуют паразитные продукты-преобразования, частоты участвующие в преобразовании и т.д. Сам выходной сигнал представлен в удобной для дальнейших преобразований цифровой форме, из которой легко получить как импульсный, так и синусоидальный сигнал разностной или сукб арной частоты. Выходной цифроврй сигнал допускает дальнейшие частотнее и фазовые преобразования. В результате лр11менения данного цифрового преобразователя частоты охшовременно преобразовывать HecKOjra Ko сигналов различных частот и совершать точные фазовые операции с этими преобразованшши сигналами. Такш4, образом, предлагае еой цифровой преобразователь .частота . имеет- {в ньшие фазовые искажения и меньшие паразитные продукты преобразования в выходном сигнале.