Цифровые синтезаторы частоты: классификация и параметры

Синтезом частот (СЧ) называют процесс получения одного или нескольких колебаний с заданными номинальными частотами из конечного числа исходных (опорных, эталонных) колебаний с фиксированными частотами. Устройство, осуществляющее процесс синтеза частот, называется синтезатором частоты (иногда говорят о системе синтеза частоты). Опорное колебание, как правило, является в синтезаторе единственным, полученным от источника со стабильной частотой и малыми фазовыми флуктуациями (шумами).

Современные синтезаторы частот работают в диапазоне от долей герц до десятков и сотен гигагерц. Они используются в аппаратуре различного назначения, заменяя в ней простые автогенераторы. Такая замена даёт следующие преимущества:

· существенно повышается точность настройки и стабильность частоты;

· упрощается процесс настройки аппаратуры;

· появляется возможность программной перестройки частоты и существенно увеличивается скорость изменения рабочей частоты;

· открываются новые возможности цифрового формирования модулированных радиосигналов;

· в некоторых схемах синтезаторов удается улучшить спектральную чистоту сигналов по сравнению с обычными автогенераторами;

· улучшаются массогабаритные характеристики и надежность устройства.

Большинство синтезаторов частот, применяемых в радиоприемных и радиопередающих устройствах, вырабатывают на своем выходе колебание одной заданной пользователем частоты, принадлежащей сетке частот, т.е. множеству возможных частот, соседние из которых отличаются друг от друга на величину фиксированного частотного интервала – шага частоты. Встречаются и другие разновидности синтезаторов, например синтезаторы, вырабатывающие несколько независимых ВЧ колебаний от одного источника опорной частоты.

Реальные выходные колебания синтезаторов частот всегда имеют непостоянство значений амплитуды, частоты и фазы вырабатываемых ими колебаний. Иначе говоря, реальные выходные колебания СЧ являются квазигармоническими со случайно изменяющимися параметрами:

 

,

 

где U ₀ - среднее значение амплитуды колебаний; Δ U(t) - отклонение амплитуды от её среднего значения; ψ(t) - полная текущая фаза колебаний. Случайные функции Δ U(t) и ψ(t) характеризуют паразитную амплитудную модуляцию паразитную и фазовую (частотную) модуляцию, которые всегда имеют место в реальном источнике колебаний.

Мерой «чистоты» спектра выходного сигнала СЧ служат такие характеристики, как паразитное отклонение амплитуды (ПОА), паразитное отклонение частоты и фазы (ПОЧ и ПОФ) [19].

ПОА – это непреднамеренное отклонение мгновенного значения амплитуды колебания Δ U(t) от её среднего значения U ₀.

Уровень ПОА – это отношение среднего квадратичного значения суммы спектральных составляющих ПОА колебания, лежащих в заданной полосе частот, к среднему квадратичному значению колеблющейся величины (в данном случае – выходного тока или напряжения синтезатора), выраженное в децибелах:

 

,

 

где U_C - среднее квадратичное значение u(t); F_H, F_B - нижняя и верхняя границы заданной полосы частот;

 

,

 

где S_A(F) - спектральная плотность среднего квадрата Δ U(t) (энергетический спектр).

Величина ПОЧ – это среднее квадратичное значение суммы спектральных составляющих паразитного отклонения частоты колебания, лежащих в заданной полосе частот:

,

 

где S_f(F) - спектральная плотность среднего квадрата Δ f(t).

Величина ПОФ – это среднее квадратичное значение суммы спектральных составляющих паразитного отклонения фазы колебания, лежащих в заданной полосе частот:

 

,

 

где S_φ(F) - спектральная плотность среднего квадрата Δφ(t), выраженного в радианах.

Побочная спектральная составляющая колебания – это спектральная составляющая колебания СЧ, частота которой лежит за пределами заданной области частот, включающей в себя среднее значение частоты этого колебания [19]. Для оценки используется показатель, называемый уровнем побочных спектральных составляющих.

Уровень побочных спектральных составляющих колебания - это отношение среднего квадратичного значения суммы побочных спектральных составляющих, лежащих в заданной полосе частот, к среднему квадратичному значению колеблющейся величины (выходного тока или напряжения синтезатора), выраженное в децибелах:

 

,

где

 

;

 

f_H - номинальное значение частоты колебания; Δ f - отстройка от f_H; Δ F - ширина заданной полосы частот; S_u(F) − энергетический спектр.

В случае, когда измерение относительного уровня побочных спектральных составляющих производится в области частот, охватывающей основное колебание синтезатора (несущую), получаем отношение сигнал/шум на частоте несущей. В англоязычной литературе отношение сигнал/шум на частоте несущей обозначается CNR (carrier to noise ratio), см. параграф 7.2.

Под уровнем побочной дискретной (отдельной) составляющей понимается отношение среднего квадратичного значения рассматриваемой побочной дискретной спектральной составляющей колебания U_Д к среднему квадратичному значению колеблющейся величины (выходного тока или напряжения синтезатора), выраженное в децибелах:

 

.

 

Если измеряется уровень максимальной (в заданной полосе частот) дискретной паразитной спектральной составляющей D_{Д макс}, то говорят о «свободном от паразитных составляющих динамическом диапазоне», в англоязычной литературе обозначаемом SFDR (spurious free dynamic ratio, см. рис. 7.3.1, где приведен пример - спектр выходного колебания прямого цифрового синтезатора AD9851):

 

SFDR = - D_{Д макс}.

 

Рис. 7.3.1.

 

Под суммарным уровнем высших гармоник выходного колебания от второй до n -й понимают выраженное в децибелах отношение корня квадратного из суммы квадратов средних квадратичных значений всех высших гармоник к среднему квадратичному значению:

 

.

 

Рассмотрим упрощенную классификацию способов синтеза частот.

Как уже было сказано выше, в СЧ выходные рабочие частоты образуются в результате преобразований частоты одного опорного высокостабильного автогенератора. При этом СЧ строятся на основе метода либо прямого, либо косвенного синтеза, а также с использованием комбинации этих методов синтеза частот, см. параграф 7.7.

В синтезаторах, построенных на основе метода прямого синтеза, выходные колебания получаются непосредственно из колебаний опорного генератора с помощью операций сложения, вычитания, умножения и деления эталонной опорной частоты. Этот метод синтеза называют прямым, потому что в нем отсутствует процесс коррекции ошибки. (Иногда в литературе можно встретить другое название прямого метода синтеза частот – пассивный синтез.) Следовательно, качество выходного сигнала напрямую связано с качеством опорного сигнала.

Синтезаторы прямого синтеза используют как аналоговые, так и цифровые методы формирования частот.

Простейший синтезатор прямого синтеза строится на основе аналоговой схемотехники с использованием генератора гармоник (ГГ). В таком синтезаторе (рис. 7.3.2) из колебания эталонного генератора (ЭГ) с помощью ГГ формируются короткие импульсы. Спектр этих импульсов богат гармониками. С помощью узкополосного полосового фильтра (ПФ) из спектра импульсов выделяется сигнал требуемой рабочей частоты kw_эг. Степень подавления нежелательных компонентов на выходе синтезатора определяется ПФ. При большом числе рабочих частот указанный ПФ необходимо перестраивать в широких пределах, что на практике оказывается затруднительным.

 

Рис.7.3.2

 

Для облегчения требований, предъявляемых к ПФ, используется специальная схема с двойным преобразованием частоты, или «схема с вычитанием ошибки» (рис. 7.3.3).

 

Рис. 7.3.3.

 

В первом преобразователе частоты (Смеситель1 + ПФ1) частота всех гармоник, поступающих с ГГ, понижается на частоту ω_г вспомогательного перестраиваемого генератора (ПГ). Узкополосный фильтр (ПФ1) имеет центральную частоту, совпадающую с частотой одной из гармонических составляющих входного сигнала (для примера – с частотой kω_эг-ω_г). Все остальные составляющие подавляются этим фильтром. Далее на выходе второго преобразователя (Смеситель2 + ПФ2) выделяется сигнал с частотой kω_эг. Нестабильность частоты вспомогательного генератора ∆ω_г определяет полосу пропускания фильтра (ПФ1) и не влияет на выходной сигнал второго преобразователя частоты. Для изменения выходной частоты в схеме с “вычитанием ошибки” достаточно менять только частоту генератора ПГ.

 

Рис. 7.3.4.

 

Существуют более сложные синтезаторы прямого синтеза, использующие принцип «прямого аналогового синтеза» (DAS – direct analog synthesis). Как правило, такие синтезаторы строятся на основе каскадного соединения звеньев, состоящих из смесителя и полосового фильтра, либо из смесителя, полосового фильтра и делителя частоты. Структурная схема первого из названных вариантов DAS-синтезатора показана на рис.7.3.4, принцип ее работы понятен из этого рисунка. На основе второго варианта (с делителями частоты на 10 после каждого преобразователя частоты) строятся так называемые декадные синтезаторы, отличающиеся тем, что частота выходного колебания такого устройства может быть представлена в виде [18, 19]:

 

где k – число декад, n_i – номер положения переключателя в i -ой декаде.

Недостатком синтезаторов, построенных по методу идентичных декад, является необходимость применения значительного числа преобразователей и фильтров, что в конечном итоге усложняет получение подавления уровня побочных частот на выходе синтезатора более чем на 60…80 дБ. Декадные синтезаторы в настоящее время считаются устаревшими и практически не применяются, в связи с чем подробно здесь не рассматриваются.

Общим недостатком, присущим всем рассмотренным методам аналогового синтеза частот, является невозможность получить большое количество возможных частот колебания (или малого шага частот).

В последнее время в связи с широким распространением цифровых методов в измерительных и коммуникационных системах, метод генерации набора частот от источника опорной частоты, реализуемый в цифровой форме, получил широкое распространение. Данный метод получил название прямого цифрового синтеза (direct digital synthesis - DDS) и имеет несколько вариантов построения СЧ:

· синтезатор, построенный на основе суммирования импульсных последовательностей;

· синтезатор с цифровым формированием отсчётов синтезируемого колебания.

Последний упомянутый вариант синтезатора частот получил широкое распространение, и именно за ним закрепилось название «прямого цифрового синтезатора», т.е. DDS. Подробное описание работы такого синтезатора приводится в параграфе 7.5.

На практике очень часто используются и другой тип синтезаторов – синтезаторы, построенные по методу косвенного синтеза. Такие синтезаторы содержат в своём составе подстраиваемый по частоте автогенератор, охваченный петлёй фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ или PLL – phase locked loop). Петля ФАПЧ осуществляет коррекцию ошибки перестраиваемого генератора, подстраивая его частоту и фазу по эталонной частоте и фазе образцового генератора, благодаря чему данный метод синтеза и получил название «косвенного» (другое название метода – активный синтез частот). Подробное описание работы такого синтезатора приводится в следующем параграфе 7.4.

Синтезаторы с ФАПЧ и DDS являются на сегодня основными типами синтезаторов частот, выпускаемых для применения (в виде интегральных микросхем) для телекоммуникационной и приемопередающей аппаратуры. В табл.7.3.1 даны сравнительные характеристики этих двух типов синтезаторов частоты.

 

Табл.7.3.1.

Преимущества синтезаторов DDS	Преимущества синтезаторов с ФАПЧ
1. Перекрытие по частоте - синтезируется частота от долей Гц до десятков МГц, тогда как у синтезаторов с ФАПЧ частотный диапазон составляет 10-3...10-1 от центральной частоты.	1. Чистота спектра выходного сигнала: SFDR до -120 дБ за счет малого уровня фазовых шумов (у DDS до -75 дБ).
2. Точность установки частоты - сотые или тысячные доли Гц, а у синтезаторов с ФАПЧ - десятки Гц на тех же рабочих частотах.	2. Высокая рабочая частота - до единиц ГГц, у DDS - десятки МГц.
3. Шаг (разрешение) по частоте - тысячные доли Гц.	3. Потребляемая мощность - единицы-десятки мВт (DDS - сотни мВт, даже около 1 Вт).
4. Скорость перестройки частоты - один период тактовой частоты DDS (5...40 нс), а у синтезаторов с ФАПЧ - сотые доли секунды при равных условиях	4. Низкая стоимость по сравнению с DDS (стоимость DDS - 15...25$).
5. Цифровое управление частотой и фазой, частотная и фазовая модуляция без разрыва фазы, у косвенных синтезаторов - прямое управление только частотой.
6. Синтез квадратурных сигналов с цифровой точностью фазового сдвига 90о.
7. Квадратурная АМ.
8. Габариты - всё в одном корпусе ИМС.

 

Таким образом, синтезаторы с косвенным синтезом (на основе петли ФАПЧ) незаменимы в ОВЧ-СВЧ-генераторах, гетеродинах высокочувствительных приемников и передатчиков, к которым предъявляются жесткие требования по чистоте спектра сигнала, а также в аппаратуре с батарейным питанием. В остальных областях применения прямые цифровые синтезаторы составляют серьезную конкуренцию ФАПЧ-синтезаторам.