Синтез частот – это процесс получения одного или нескольких колебаний с нужными значениями частоты из конечного числа исходных колебаний путем преобразования частот. Преобразования частот могут осуществляться с помощью таких операций над колебаниями, как сложение, вычитание частот, их умножение или деление на рациональные числа. Комплекс устройств, осуществляющих синтез частот, называют системой синтеза частот (ССЧ).
Синтезатором частот называют ССЧ, выполняемую в виде конструктивно самостоятельного устройства.
В качестве исходного, опорного колебания используется колебание от высокостабильного генератора. ССЧ, работающие от одного опорного генератора, называют одноопорными. При двух или более опорных генераторах системы называют многоопорными. На выходе ССЧ получают совокупность номинальных значений частот, следующих друг за другом через заданный интервал, которую называют сеткой частот.
В одноопорных ССЧ обычно сначала формируют вспомогательные колебания, частоты которые называют вторичными опорными частотами. Эти частоты получают в датчике опорных частот (ДОЧ). Из этих вспомогательных колебаний в устройстве, называемом датчиком сетки частот (ДСЧ), получают необходимые выходные колебания, частоты которых образуют сетку. При этом либо одно выходное колебание может принимать любое из этих значений частот, либо одновременно на выходе существуют несколько колебаний, частоты которых соответствуют заданной сетке частот. Первый случай находит применение в возбудителях передатчиков и гетеродинах приемников, второй – в многоканальной аппаратуре с частотным разделением каналов.
В соответствии с ОСТ 4.208.012-77, 1979 “Аппаратура синтеза частот для радиосвязи. Термины и определения”, все типы ССЧ делятся на два класса: системы активного синтеза частот и системы пассивного синтеза частот.
Системами активного синтеза частот называют системы когерентного синтеза частот, в которых фильтрация колебаний синтезируемой частоты осуществляется с помощью активного фильтра в виде компенсационного кольца или в виде кольца ФАПЧ.
Системами пассивного синтеза частот называют системы когерентного синтеза, в которых фильтрация колебаний синтезируемой частоты осуществляется без применения кольца ФАПЧ или кольца компенсации.
Системы того и другого класса могут быть выполнены целиком на аналоговых элементах или с широким применением цифровой элементной базы. В последнем случае такие системы называют системами цифрового синтеза.
На рис. 1 изображена структурная схема простейшей системы пассивного синтеза, построенной на аналоговой элементной базе. Колебание опорного генератора ОГ, имеющее частоту f (первичная опорная частота), подается на вход датчика опорных частот ДОЧ. В ДОЧ с помощью умножителя и делителя частоты вырабатываются два колебания с частотами f1 = fM1 и f2 = f/M2 (вторичные опорные частоты), которые подаются на входы двух так называемых генераторов гармоник (ГГ1 и ГГ2). Каждый из генераторов гармоник состоит из формирователя импульсов (ФИ1 и ФИ2) и перестраиваемого полосового фильтра (Ф1 и Ф2). Первый преобразует входное квазигармоническое колебание в последовательность 
Рисунок 1
очень коротких (по сравнению с периодом этого колебания) импульсов той же частоты. Спектр этой последовательности содержит интенсивные высшие г
армоники; фильтр настраивают на нужную из них и выделяют ее. В результате на выходах генераторов гармоник получают квазигармонические колебания с частотами
N1fM1 и
N1f/M2. Оба этих колебания подают на сумматор частот, состоящий из смесителя СМ и перестраиваемого полосового фильтра. Последний выделяет из спектра выходного продукта смесителя квазигармоническое колебание с нужной частотой
f = f(M1N1+N2/M2).
Если, например, M1 = 10, M2 = 2, N1 может принимать значения 1,2,3, а N2 – значения 20, 21, 22,..., 39, система имеет диапазон частот от 20 f до 49,5 f с шагом сетки 0,5 f.
Недостаток рассматриваемой системы – большое число дискретных побочных составляющих выходного колебания, уровни которых трудно сделать достаточно малыми. Действительно, в спектрах выходных колебаний ДОЧ присутствуют дискретные составляющие с частотами n1f и n2f/M2, где n1 и
n2 могут принимать все целочисленные значения. Эти составляющие, кроме составляющих
n1 = M1 и
n2 = 1, являются побочными. Составляющие тех же частот, содержат и спектры выходных напряжений генераторов гармоник. Причем побочными здесь являются все составляющие, кроме соответствующих
n1 = N1M1 и
n2 = N2. Наконец, спектр выходного сигнала всей системы состоит из множества дискретных составляющих с частотами
f(n1+n2/M2), из которых только одна полезная. Уровень всех остальных составляющих, являющихся побочными, зависит главным образом от эффективности фильтров.
Чем больше номер гармоники в спектре импульсов при умножение частоты, тем труднее устранить помехи со стороны соседних гармоник при ее выделении.
На рис. 2 изображена структурная схема простейшей системы активного синтеза с кольцом компенсации.
Эта система, по существу, представляет собой генератор гармоник, отличающийся от генераторов, входящих в ССЧ, рассмотренных выше, тем, что основная фильтрация в нем осуществляется с помощью эффективного полосового фильтра Ф1, настроенного на фиксированную частоту f1. Кольцо компенсации включает в себя, кроме Ф1, еще и плавно перестраиваемый генератор Г и два смесителя. На вход первого смесителя подаются поток импульсов с частотой f и колебания от Г, который настраивают на частоту
fг = Nf + f1,
где N – номер гармоники, которую нужно выделить. Фильтр Ф1 выделяет из спектра выходного продукта первого смесителя составляющую с частотой f1 = fг – Nf и эффективно подавляет все остальные составляющие. В выходном продукте второго смесителя наиболее интенсивны составляющие с частотами fг+f1 и fг–f1 = Nf. Фильтр Ф2 настраивают на частоту f = Nf так, что он выделяет вторую и подавляет первую из этих составляющих, отстоящую от второй на 2f1. Если 2f1>>f, то подавить первую составляющую легче, чем составляющие с частотами (N–1)f и (N+1)f в умножителе без кольца компенсации. Эффект компенсации состоит в том, что отклонение разности fг–Nf от f1 вследствие некоторой неточности настройки генератора fг устраняется во втором смесителе, так как
fг + ∆fг – (fг +∆ fг – Nf) = Nf.
Рисунок 2
На рис. 3 показана структурная схема простейшей системы актив
ного синтеза с кольцом ФАПЧ, построенной на аналоговой элементной базе.
В данной схеме выходное колебание с частотой f вырабатывается генератором УГ, который плавно перестраивается с помощью реактивного элемента РЭ, управляемого напряжением. Это управляющее напряжение подается на него через фильтр нижних частот ФНЧ. Совокупность генератора и реактивного элемента образует так называемый генератор, управляемый напряжением ГУН. ДОЧ вырабатывает три напряжения колебаний со
Рисунок 3
вторичными опорными частотами f0M1, f0/M2 и f0M3. Колебание с частотой f0/M2 подается на генератор гармоник, на выходе которого получается квазигармоническое колебание с частотой N2f0/M2, где N2 может принимать некоторый ряд целочисленных значений. Колебания с частотами f0M1 и N2f0/M2 подаются на устройство, называемое трактом приведения частот. Это такой тракт преобразования частот, в котором диапазон частот входного колебания (в данном случае колебания ГУН) преобразуется в более узкий диапазон частот выходного колебания или в одну частоту, которая в данном случае равна f0M3. В рассматриваемой схеме этот тракт состоит из двух сумматоров частот, каждый из которых включает в себя смеситель и выходной фильтр. На выходах сумматоров получают колебания с частотами соответственно f–f0M1 и f–f0M1–N2f0/M2. Колебания с частотами f0M3 и f–f0M1–N2f0/M2 подаются на вход фазового дискриминатора. В результате работы кольца ФАПЧ устанавливается равенство
f–f0M1–N2f0/M2 = f0M3.
Следовательно
f = f0(M1+M3+N2/M2).
Если, например, M1 = 75, M2 = 2, M3 = 5, а N2 может принимать значения 20, 21, 22,..., 39, то система имеет диапазон частот от 90 f0 до 99,5 f0 с шагом сетки 0,5 f0.
Спектр колебаний на выходе тракта приведения частот изобилует дискретными побочными составляющими. Но кольцо ФАПЧ работает как эффективный полосовой фильтр и сильно понижает уровни побочных спектральных составляющих выходного ко
лебания тракта приведения, частоты которых не очень близки к
f.
Структурная схема простейшей системы активного цифрового синтеза изображена на рис. 4.
Рисунок 4
Источником выходного колебания с частотой f является ГУН. Колебания этого генератора, кроме выхода, подается на нелинейный каскад – формирователь импульсов ФИ, преобразующий его в поток импульсов той же частоты, который поступает на вход делителя частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД, построенного на цифровой элементной базе и работающего по принципу счета импульсов. Коэффициент деления N этого делителя можно устанавливать равным любому целочисленному значению в пределах от N1 до N2. Поток импульсов с частотой f/N и аналогичный поток с частотой f0, сформированный из колебаний опорного генератора, подается на импульсно-фазовый дискриминатор ИФД. Его выходное напряжение через фильтр нижних частот
поступает на управляющий элемент УЭ ГУН. Таким образом, замыкается кольцо ФАПЧ, в результате работы которого устанавливается равенство
f/N = f0 или
f = Nf0.
Данная система работает как умножитель частоты. Ее частотный диапазон простирается от N1f0 до N2f0, а шаг сетки частот равен f0. Возможность получения очень больших коэффициентов умножения сочетается в этой системе с хорошими фильтрующими свойствами.
Выберем метод непрямого (активного) синтеза частот. В синтезаторах непрямого синтеза выходной сигнал генерируется самостоятельно перестраиваемым по частоте автогенератором (ПГ), текущая частота которого непрерывно сопоставляется с эталонной частотой (или с другой частотой, получаемой из эталонной в ДОЧ) при помощи системы автоматической подстройки частоты. Систему АПЧ выберем фазовую ввиду большей точности ее работы по сравнению с частотной АПЧ. Преимущество активных синтезаторов частот в низком уровне дискретных побочных спектральных составляющих, а также - основные узлы синтезатора частот легче реализовать на цифровых микросхемах.
