Основные характеристики синтезаторов частоты

ОБЗОР ПАРАМЕТРОВ И СХЕМ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ

 

Построить возбудитель с высокой стабильностью частоты и фазы, чистым спектром и малым временем перестройки в широком диапазоне непрерывной шкалы рабочих частот технически очень трудно, так как перечисленные требования противоречивы [3]. Поэтому в последнее время в качестве возбудителей передатчиков и гетеродинов приемников часто используют синтезаторы частот, которые представляют собой устройства, генерирующие колебания дискретной шкалы частот, синтезируемые из колебаний лишь нескольких или даже одного эталонного генератора с прецизионной стабильностью эталонной частоты f _э.

 

Основные характеристики синтезаторов частоты

 

При проектировании синтезаторов частоты выжны следующие характеристики [1 - 3]:

1. Диапазон рабочих частот [ f _н… f _в]. Для узкополосных синтезаторов характерен малый коэффициент перекрытия по частоте , для широкодиапазонных . Диапазон рабочих частот возбудителя в современных радиопередатчиках чаще всего совпадает с диапазоном рабочих частот радиопередатчика. Иногда возбудитель строят в диапазоне частот, отличающемся в целое число раз (в меньшую сторону) от диапазона рабочих частот передатчика, для упрощения технической реализации возбудителя. В таких случаях первые каскады радиочастотного усиления мощности передатчика приходится использовать в режиме умножения частоты.

2. Относительная нестабильность рабочей частоты возбудителя определяется (не более или равна) допустимой нестабильностью частоты передатчика. В простейших синтезаторах частот с недорогими кварцевыми резонаторами , в наиболее совершенных и сложных синтезаторах, работающих в совокупности с квантовыми эталонами частоты, . При этом различают кратковременную и долговременную нестабильность частоты. Медленные изменения мгновенной частоты (из-за старения радиодеталей, медленно изменяющихся внешних воздействий и т.д.) обуславливают ее долговременную нестабильность. Быстрые изменения мгновенной частоты происходят в следствии пульсации напряжения источников питания, резких изменений нагрузки, вибраций, из-за тепловых и дробовых шумов автогенератора и других каскадов. Рациональным выбором структурной схемы (желательно минимальное количество или полное отсутствие умножителей частоты, смесителей частот, желателен один вместо нескольких опорный генератор) можно ограничить степень ухудшения нестабильности выходной частоты возбудителя по сравнению со стабильностью частоты опорного генератора.

3. Шаг дискретной сетки частот (минимальный частотный интервал между соседними рабочими частотами – от долей герца до десятков мегагерц, в зависимости от назначения передатчика, ширины полосы частот при заданных видах работы, диапазона рабочих частот, условий эксплуатации и т.д.) или объем рабочих частот синтезатора (от 10 до 10⁴…10⁵). Он либо выбирается в соответствии с ГОСТом, либо определяется техническими требованиями на проектирование возбудителя.

Известно, что обеспечение высокой стабильности частоты и необходимость перестройки частоты в широком диапазоне находятся во взаимном противоречии. Поэтому при проектировании диапазонных источников высокостабильных колебаний (синтезаторов частот, возбудителей) приходится чаще всего отказываться от непрерывной плавной перестройки частоты и переходить к дискретной, допускающей возможность получения в заданном диапазоне любой произвольной частоты с шагом . Если шаг сетки частот мал и соизмерим с абсолютной нестабильностью частоты или меньше ее, дискретность перестройки частоты не имеет существенного значения для качества обработки сигнала на приемной стороне. Кроме того, при дискретной перестройке частоты точность установки частоты повышается (по сравнению с плавной перестройкой) за счет устранения неточности градуировки шкалы частот и ограниченной разрешающей способности механизма плавной установки рабочей частоты по шкале. Важно отметить простоту дистанционного, програмного управления частотой возбудителя при ее дискретной перестройке.

4. Коэффициент подавления паразитных колебаний , характеризующий отношение мощности рабочего колебания к мощности паразитного на выходе синтезатора. Побочные составляющие на выходе синтезатора являются продуктами нелинейных преобразований (смешения, умножения частот). Несовершенство фильтров на выходе смесителей, умнжителей частот, недостаточная развязка по цепям питания, электромагнитная связь (недостаточное экранирование) различных каскадов и узлов – основные причины наличия побочных составляющих на выходе возбудителя. При этом паразитные колебания могут иметь сплошной спектр (например, тепловой шум автогенератора) или дискретный (за счет фона сетевого напряжения, эффектов импульсного квантования в цифровых устройствах синтезаторов частот и т.д.). По действующим нормам обычно дБ, а в особых случаях дБ. Очевидно, при малом шаге сетки столь высокие требования к фильтрации особенно трудно выполнить для частот, соседних с рабочей.

Мерой «чистоты» спектра выходного сигнала синтезатора частот в отсутствие модуляции служат такие характеристики как паразитные отклонения частоты, фазы и амплитуды, которые оцениваются среднеквадратическим значением суммы спектральных составляющих паразитного отклонения соответствующего параметра, лежащих в заданной полосе частот. Стоит отметить, что энергетический спектр при одновременной амплитудной и частотной (фазовой) паразитной модуляции симметричен относительно средней частотылишь в отсутствии корреляции между флуктуациями амплитуды и частоты (фазы). Реально такая корреляция часто имеет место, что приводит к некоторой ассиметрии результирующего энергетического спектра, а значит, и к дополнительному смещению от номинала среднего значения рабочей частоты возбудителя. Наличие паразитной АМ нежелательно также потому, что АМ преобразуется в фазовую (частотную) модуляцию в варакторных умножителях частоты, в фильтрах с электронной перестройкой, смесителях, амплитудных ограничителях, в усилителях, во всевозможных устройствах с амплитудно-фазовой конверсией применяемых при построении различных синтезаторов. Известно, что в общем спектре шумов доля мощности амплитудных шумов обычно существенно меньше доли мощности частотных (фазовых): паразитная АМ легко уменьшается рациональным выбором метода синтеза.

5. Время перехода с одной рабочей частоты на другую (инерционность перестройки). Эта характеристика важна для быстродействующих устройств с дискретным множеством частот (ДМЧ), в которых используют весь объем рабочих частот синтезатора (или его часть) для формирования широкополосного ЧМ сигнала. В зависимости от назначения аппаратуры допускается инерционность перестройки частоты от единиц секунд до единиц микро- и даже наносекунд. Наиболее жесткие требования к допустимой инерционности перестройки частоты возбудителя предъявляют в подвижной радиосвязи, в системах передачи информации сигналами типа частотно-временной матрицы и т.п. Проблема повышения быстродействия синтезатора частот наряду с проблемой улучшения спектральной чистоты выходного колебания – основные и к тому же взаимосвязанные проблемы в теории и технике синтеза частот, темпы решения которых далеко не всегда соответствуют темпам ужесточения технических требований заказчика вновь разрабатываемой радиоаппаратуры.

6. Уровень мощности колебаний рабочей частоты на выходе синтезатора частот. Обычно мВт, поскольку удовлетворить перечисленным требованиям гораздо легче на низком уровне мощности. Поэтому усиление мощности производят не в синтезаторе, а в других каскадах передатчика.

Если требуется осуществлять модуляцию в самом возбудителе, роль которого играет синтезатор частот, то задают дополнительные условия на тип и параметры модуляции в синтезаторе. Кроме того, обычно также задаются эксплуатационные, технологические и экономические требования.