Синтезаторы частоты. Лекция 17 презентация

Литература
1. Ворона В. А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета: учеб. пособие для вузов - М. : Горячая линия - Телеком, 2007. - 384 с.
2. Куликов Г. В. Радиовещательные приёмники : учеб. пособие для вузов / Г. В. Куликов, А. А. Парамонов - М. : Горячая линия - Телеком, 2011. - 120 с.
3. Ситников В.А. - Ростов н/Д : РАС ЮРГУЭС, 2009. - 196 с. Устройства приема и обработки сигналов : крат. текст лекций для студ. всех форм обучения МТФ по спец. "БРА" и "САСКТ".

1-й вопрос: Назначение и параметры синтезатора частот. Методы синтеза частот.
Понятие синтеза частот.
Актуальность синтеза частот.
Характеристики синтезаторов частот.
Современный подход к синтезу частот.
Методы синтеза частот.
Сущность синтезаторов частот на неидентич- ных декадах.
Сущность синтезаторов частот на идентичных декадах.

Понятие синтеза частот
Синтез частот - формирование дискретного множества частот из одной или нескольких опорных частот fon. Опорной называется высокостабильная частота автогенератора, обычно кварцевого.
Синтезатор частот (СЧ) - устройство, реализую- щее процесс синтеза. Синтезатор используется в радиоприёмных и радиопередающих устройст- вах систем радиосвязи, радионавигации, радио- локации и другого назначения.

Актуальность синтеза частот
Стабильная работа радиосредств в отведенном диапазоне может быть обеспечена путём перестройки стабильных возбудителей и гетеродинов.
В свою очередь, стабильные возбудители и гетеродины имеют кварц, а у кварца крайне узкий диапазон частот настройки.
Возникает проблема:
Как обеспечить перекрытие отведенного диапазона?
Ответ прост: набором кварцев. Однако это очень дорого и очень громоздкие схемы.
Решение лежит на пути создания высокостабильной сетки частот.
Эту задачу решают синтезаторы частот, которые широко используются как в приёмниках, так и в передатчиках.

Характеристики синтезаторов частот
1. Диапазон рабочих частот
2. Коэффициент перекрытия диапазона
3. Число фиксированных частот в диапазоне Df c частотным интервалом FИ (шаг сетки)
4.Стабильность рабочей частоты f
∆f и δf
5.Подавление побочных частот
В = 20 lg 1 + γ 2 Q 2
где γ - относительная расстройка побочных частот;
Q - добротность контура
6. Время перестройки с одной частоты на другую
7. Надёжность, габариты, вес, энергоёмкость
8. Технологичность и ремонтопригодность.

Современный подход к синтезу частот
Диапазон частот синтезатора меняется в боль- ших пределах в зависимости от назначения ап- паратуры, в которой он используется. На первой стадии развития синтезатор частот состоял из большого числа кварцевых автогенераторов, с помощью которых, путём суммирования и умно- жения частот сигналов с их дальнейшей фильт- рацией, удавалось создать определённую сетку частот. В настоящее время один из основных способов построения синтезатора основывается на применении схем автоподстройки частоты и элементов вычислительной техники.

Методы синтеза частот
В настоящее время наиболее широко использу- ются следующие методы синтеза частот:
1. Построение синтезаторов частот на неидентич- ных декадах.
2. Построение синтезаторов частот на идентич- ных декадах.
3. Построение цифровых синтезаторов частот.
Синтезаторы первых двух типов называют интерполяционными.

Сущность синтезатора частот на неидентичных декадах
На основе высокостабильных кварцевых гене- раторов сетка высокостабильных частот форми- руется путём использования умножителей час- тоты, делителей частоты, смесителей и фильтров. При этом коэффициенты деления и умножения частот могут быть произвольными целыми чис- лами. Рабочая частота получается в результате смешения комбинационных частот. Шаг сетки частот постоянен.

Сущность синтезатора частот на идентичных декадах
Для формирования сетки рабочих частот исполь- зуется ограниченное число КГ. Умножители и делители частоты имеют коэффициенты умноже- ния или деления кратные десяти. Шаг сетки частот не постоянен, а изменяется от декады к декаде. Весь диапазон рабочих частот Dfp разбивается на q, поддиапазонов:
где FИ - шаг формируемой сетки частот;
n - число декадных преобразователей.

Сущность цифровых синтезаторов частот
В основу построения цифровых синтезаторов частот положено использование методов цифровой автоподcтройки частоты (АПЧ).
Принцип цифровой АПЧ основан на свойствах кольца фазовой автоматической подстройки частоты перестраиваемого генератора с дели- телем частоты с переменным коэффициентом деления в цепи обратной связи.

2-й вопрос: Интерполяционные синтезаторы частоты. Цифровые методы формирования сетки частот.
Синтезатор частот на неидентичных декадах.
Формирование диапазона частот синтезатора на неидентичных декадах.
Анализ технических характеристик синтезатора.
Достоинства, недостатки и особенности синтезаторов.
Цифровой синтезатор частот.
Устройство и работа цифрового синтезатора.
Недостатки цифрового синтезатора.

Синтезатор частот на неидентичных декадах

Формирование диапазона частот синтезатора на неидентичных декадах
Источником ВЧ колебаний является КГ G1 с δfc = 10-7÷ 10-8
С помощью преобразователя U1 образуется f = 10 f0
c помощью U4 – 0,1 f0, U6 - 0,01 f0
Преобразователи U2 , U3, U5 и U7 являющиеся умножителями частоты, позволяют получить на их выходах исходную сетку, содержащую десятки f0, единицы f0 десятые и сотые доли f0.
Используя эти частоты, с помощью преобразователей частоты можно получить комбинационные частоты вида:
n 10 f0 ± m f0 (на выходе U8)
n 10 f0 ± m f0 ± 0,1 kfo (на выходе U9)
n 10 f0 ± m f0 ± 0,1 k f0 ± 0,001 ℓ f0 (на выходе U10)
Число частот на выходе U8
N1 = 2mn
N2 = 4mnk (U9)
N3 = N2 2ℓ = 8mnk ℓ (на выходе U10)
При декадном способе построения число частот будет 8·104 =80000.
Реально рабочий диапазон синтезатора выбирают уже.

Анализ технических характеристик синтезатора
Требуемая комбинация частот на выходе каждого перестраиваемого фильтра z 1 , z2 и z3 значительно уже, т.е. фильтры задают полосу требуемых частот.
Фильтры же должны подавлять побочные колебания.
Если в качестве фильтра используется перестраиваемый резонансный контур, то при настройке на рабочую частоту fp подавление побочных частот будет равно:
В = 1 + (γQ)2
где Q - добротность контура;
γ - относительная расстройка побочной частоты
γ =
Наименьшее подавление будет для частот, соседних с рабочей частотой, относительная расстройка, которых будет равна:
γсосед = γ =
где Kи - коэффициент интерполяции, при этом Kи =
где Fи- шаг дискрета (частота интерполяции синтезатора)
С ростом рабочей частоты Ки растет.

С ростом частоты в пределах одной декады, а также с уменьшением шага сетки (т.е. при переходе от высших декад к низшим), относительная расстройка уменьшается, а условия фильтрации ухудшаются.
Это видно из формулы подавления рабочих частот:
При этом:
Относительная нестабильность рабочей частоты рассмотренной схемы равна относительной неста- бильности эталонного генератора.

Достоинства, недостатки и особенности синтезаторов
Д о с т о и н с т в а интерполяционных синтезаторов:
1. Возможность формирования сетки частот в любом диапазоне и с любым шагом.
2. Возможность предварительного набора частот и быстрой перестройки.
3. Прямой отсчёт при установке частот.
Н е д о с т а т к и :
Большое число побочных составляющих, для подавления которых требуется большое число сложных перестраиваемых фильтров.
В настоящее время применяют модифицированные схемы интерполяционных синтезаторов. Используют генератор плавного диапазона (широкополосный) и систему ФАПЧ.
О с н о в н ы е о с о б е н н о с т и синтезатора с неидентичными декадами:
1. Шаг сетки различен в каждой декаде, а требования по подавлению побочных колебаний одинаковы.
2. С уменьшением шага сетки сложность фильтрации возрастает.
3. Шаг сетки изменяется путём наращивания.

Цифровой синтезатор частот

Устройство и работа цифрового синтезатора
В основу построения положено использование методов цифровой АПЧ. Принцип цифровой АПЧ основан на свойствах кольца ФАПЧ перестраи­ваемого генератора с делителем частоты с переменным коэффициентом де­ления в цепи ОС.
Делители с дробным переменным коэффициентом деления строятся с использованием элементов цифровой техники, а в качестве чувствительных элементов используются импульсно-фазовые детекторы (ИФД). Поэтому такие синтезаторы называют цифровыми.
Источником рабочих напряжений является сигнал с перестраиваемого генератора G2. Стабилизация его частоты производится по частоте КГ G1 .
Напряжение от G2 поступает на чувствительный элемент U3 (ИФД) через делитель частоты c переменным коэффициентом деления (ДПКД) U5 . Т.к. ДПКД работает по принципу счета импульсов, то предварительно синусоидальные колебания генератора G2 с помощью преобразователя преобразуются в последовательность прямоугольных импульсов. На выходе ДПКД образуется последовательность импульсов c частотой,
где k - коэффициент деления ДПКД.

Устройство и работа цифрового синтезатора
Последовательность импульсов с частотой поступает на вход U3, а на другой вход подается высокостабильная последовательность импульсов, сформированных из f0 .
Делитель частоты U1 определяет шаг сетки частот Fи.
При неравенстве частот импульсных последовательностей и на выходе ИФД появляется управляющее напряжение, величина и знак которого зависит от отклонения частот и . Это управляющее напряжение через ФНЧ z1 воздействует на управляющий элемент, который изменяет частоту G2 до обеспечения равенств:
при этом рабочая частота fp определяется:
fp = f0
Перестройка рабочей частоты осуществляется изменением коэффициента деления ДПКД, а изменение шага сетки - изменением коэффициента деления частоты f0