Простое и эффективное формирование сигналов при помощи синтезаторов прямого цифрового синтеза частот

В чем профит?

Ко­неч­но, сей­час сбор­ка собс­твен­ного ради­опри­емни­ка лишена эко­номи­чес­кой целесо­образнос­ти. Более того, с раз­вити­ем интерне­та ради­ове­щание сегод­ня уже потеря­ло былую акту­аль­ность. Даже FM-диапа­зон замет­но поредел, не говоря уже о корот­ких вол­нах. И все же ради­опри­ем на корот­ких вол­нах, как сей­час при­нято выражать­ся, дает ощу­щение «теп­лой лам­повос­ти». Более того, сама идея «сво­бод­но» переда­вать информа­цию, минуя гра­ницы и пос­редни­ков, до сих пор выг­лядит весь­ма зло­бод­невно.

Почему именно супергетеродин

Ра­зуме­ется, для при­ема на корот­ких вол­нах мож­но исполь­зовать гораз­до более прос­тые решения. Нап­ример, регене­ратив­ные при­емни­ки, наибо­лее известен из которых, пожалуй, «Могика­нин» MFJ-8100. Его мож­но при­обрести готовым (дол­ларов за сто на популяр­ных онлай­новых пло­щад­ках) или в виде набора для сбор­ки, а мож­но и вов­се соб­рать самому — бла­го схе­ма откры­та. Но регене­ратор — это ско­рее «для баловс­тва», так как, прос­лушивая стан­цию, пос­тоян­но при­дет­ся подс­тра­ивать регене­рацию и атте­нюатор. Это про­исхо­дит из‑за того, что КВ‑сиг­нал прак­тичес­ки пос­тоян­но меня­ет свою интенсив­ность в широких пре­делах. Свя­зано это с атмосфер­ными явле­ниями, вли­яющи­ми на про­хож­дение. И это­го как раз регене­ратор очень не любит.

Задача синтеза частот

Растущая занятость частотного спектра наряду с неизменным спросом на более качественное измерительное оборудование, обладающее меньшим энергопотреблением, требует работы в новых частотных диапазонах и лучшего использования уже имеющихся. Это порождает необходимость в поиске более эффективных способов формирования сигналов заданной частоты. В большинстве случаев эта задача решается при помощи синтезаторов частот. Данные устройства формируют из сигнала фиксированной частоты f_C сигнал на связанной с ней желаемой частоте (и с желаемой фазой) f_OUT. В общем случае взаимосвязь может быть описана простым выражением:

где ε_x — масштабирующий множитель, который иногда называют нормированной частотой.

Это выражение всегда реализуется при помощи алгоритмов пошаговой аппроксимации вещественных чисел. Когда масштабирующий множитель является рациональным числом, то есть отношением двух простых целых чисел, частота выходного сигнала и опорная частота будут гармонически связаны друг с другом. В то же время в большинстве случаев ε_x может принадлежать более широкому набору вещественных чисел, и тогда процесс аппроксимации останавливается, когда результирующее значение множителя попадает в пределы допустимой погрешности.

Программные средства разработки

Компания Analog Devices совместно с Applied Radio Labs разработала программу ADIsimPLL для моделирования ФАПЧ и схем на ее основе. Программа содержит библиотеку моделей выпускаемых микросхем ФАПЧ, а также библиотеку моделей популярных схем ГУН, включая ГУН с кварцевой стабилизацией. ADIsimPLL позволяет проектировать петлевые фильтры различной конфигурации, моделировать шумы ГУН, опорного генератора, петли ФАПЧ, воздействие помех и процесс захвата частоты. По окончании процедуры моделирования может быть получен эскизный вариант топологии печатной платы проектируемого устройства. Программа находится в свободном доступе на сайте Analog Devices .

Помимо этого, для моделирования ФАПЧ и схем на их основе разработчик может использовать широко известный пакет MathLab (предпочтительно в версии не ниже 6.5).

Использовать как частотный модулятор

Многие синтезаторы частоты с ФАПЧ также могут генерировать частотную модуляцию (ЧМ). Модулирующий сигнал добавляется к выходу контурного фильтра, напрямую изменяя частоту ГУН и выход синтезатора. Модуляция также появится на выходе фазового компаратора, амплитуда будет уменьшена любым делением частоты. Любые спектральные компоненты в модулирующем сигнале, слишком слабые для блокировки контурным фильтром, попадают обратно на вход VCO с полярностью, противоположной модулирующему сигналу, тем самым подавляя их. (Контур эффективно рассматривает эти компоненты как шум ГУН, который необходимо отслеживать.) Компоненты модуляции выше частоты среза петлевого фильтра не могут вернуться на вход ГУН, поэтому они остаются на выходе ГУН. Таким образом, эта простая схема не может напрямую обрабатывать низкочастотные (или постоянные) модулирующие сигналы, но это не проблема для многих FM-передатчиков видео и аудио со связью по переменному току, которые используют этот метод. Такие сигналы также могут быть размещены на поднесущей выше частоты среза петлевого фильтра ФАПЧ.

Синтезаторы частоты с ФАПЧ также можно модулировать на низкой частоте и вплоть до постоянного тока с помощью двухточечной модуляции, чтобы преодолеть вышеуказанное ограничение. Модуляция применяется к ГУН, как и раньше, но теперь она также применяется в цифровом виде к синтезатору, аналогично аналоговому ЧМ-сигналу, с использованием быстрого дельта-сигма АЦП.

Практические соображения [ править ]

Philips TDA6651TT — смеситель / генератор на 5 В и малошумящий синтезатор с ФАПЧ для гибридного наземного тюнера

На практике синтезатор частот этого типа не может работать в очень широком диапазоне частот, потому что компаратор будет иметь ограниченную полосу пропускания и может страдать от проблем наложения спектров . Это привело бы к ложным ситуациям блокировки или к невозможности блокировки вообще. Кроме того, сложно создать высокочастотный ГУН, работающий в очень широком диапазоне. Это связано с несколькими факторами, но основным ограничением является ограниченный диапазон емкости варакторных диодов . Однако в большинстве систем, где используется синтезатор, мы ищем не огромный диапазон, а скорее конечное число в определенном диапазоне, например, количество радиоканалов в определенном диапазоне.

Для многих радиоприложений требуются частоты, которые выше, чем могут быть напрямую введены в цифровой счетчик. Чтобы преодолеть это, весь счетчик может быть построен с использованием высокоскоростной логики, такой как ECL , или, чаще, с использованием быстрого начального этапа деления, называемого предварительным делителем, который снижает частоту до управляемого уровня. Поскольку предварительный делитель является частью общего коэффициента деления, фиксированный предварительный делитель может вызвать проблемы при проектировании системы с узким разносом каналов, что обычно встречается в приложениях радиосвязи. Этого можно избежать, используя двухмодульный предварительный делитель .

Дополнительные практические аспекты касаются количества времени, в течение которого система может переключаться с канала на канал, времени блокировки при первом включении и количества шума на выходе. Все это является функцией контурного фильтра системы, который представляет собой фильтр нижних частот, расположенный между выходом компаратора частоты и входом ГУН. Обычно выходной сигнал компаратора частоты имеет форму коротких импульсов ошибки, но на входе ГУН должно подаваться плавное, бесшумное напряжение постоянного тока. (Любой шум в этом сигнале, естественно, вызывает частотную модуляцию ГУН.) Сильная фильтрация заставит ГУН медленно реагировать на изменения, вызывая дрейф и медленное время отклика, но легкая фильтрация вызовет шум и другие проблемы с гармониками.. Таким образом, конструкция фильтра имеет решающее значение для производительности системы и фактически является основной областью, на которой разработчик сконцентрируется при создании системы синтезатора.

Выбор ГУН

Проектирование синтезаторов ФАПЧ в значительной степени определяется параметрами используемого ГУН. Исторически разработчики синтезаторов, в первую очередь, полагались на ЖИГ-генераторы, отличающиеся широким диапазоном генерируемых частот и малыми фазовыми шумами. ЖИГ-генераторы также демонстрируют линейные (и повторяемые) характеристики настройки, что упрощает первоначальную подстройку и захват частоты в системах многопетлевой ФАПЧ. Эти уникальные особенности ЖИГ-генераторов в течение длительного времени обеспечили доминирование синтезаторов, сконструированных на их основе.

Однако, большое потребление энергии, размеры, высокая стоимость и, особенно, низкая скорость перестройки, присущая любому ЖИГ-генератору, предопределили переход на полупроводниковые генераторы. В настоящее время высокочастотные (до 10 ГГц и выше) твердотельные перестраиваемые генераторы доступны в виде дешёвых интегральных схем. Так как шумовые характеристики таких генераторов значительно хуже по сравнению с ЖИГ-генераторами, разработчики синтезаторов должны полагаться, в основном, на шумовые качества источника опорного сигнала. В настоящее время коммерческие кварцевые генераторы демонстрируют фазовые шумы в районе -160…-176 дБн/Гц на частоте 100 МГц при отстройке 20…100 кГц . Эти величины соответствуют -120…-136 дБн/Гц при пересчёте на 10 ГГц и такой же частоте отстройки, что сравнимо и, даже, превосходит шумовые характеристики ЖИГ-генераторов. Конечно, при этом предполагается, что шумовые характеристики отдельных элементов синтезатора не оказывают заметного влияния на процесс преобразования опорного сигнала. Хотя такое предположение требует применения неординарных технических решений, конечный эффект очевиден: синтезаторы на основе полупроводниковых генераторов могут потенциально достичь исключительно высоких скоростей перестройки вместе с отличными шумовыми и спектральными характеристиками без применения дорогостоящих, громоздких и энергоёмких ЖИГ-генераторов.

Навигация

• Карта сайта
• Электромагнитные колебания и волны
• Основные свойства слуха
• Акустические термины
• Акустические системы
• Динамические громкоговорители
• Электростаты
• Рупорные колонки
• Сабвуфер
• Высококачественные телефоны
• Микрофоны
• Аналоговые компараторы напряжения
• Усилители
• Элементы усилителей
• «THX» Tomlinson Holman eXperiment
• hi-fi и high-end
• Мировые школы электроакустики
• «Старый винил»
• Звуковые компакт-диски
• Магнитная запись
• Цифровые магнитофоны
• Цифровое представление звуковых сигналов
• Звук и компьютер
• midi
• Генераторы сигналов
• Электронные лампы
• Акустиа закрытых помещений
• Оптоэлектронные приборы
• Резисторы
• Катушка индуктивности
• Стабилитроны
• Варикапы
• Диоды
• Тиристор
• Транзисторы
• Конденсаторы
• Источники вторичного электропитания
• Активные фильтры
• Электропитание
• Антенно-фидерные устройства
• Конструкторского-техннолгическое обеспечение
• Возлействие окружающей среды на радиоэлектронную аппаратуру
• Технологии приборостроения
• статьи
• Радиоприем
  • Автоматическая подстройка частоты (АПЧ)
  • Автоматическая регулировка громкости (АРГ)
  • Автоматическая регулировка полосы
  • Автоматическая регулировка усиления (АРУ)
  • Вспомогательные устройства
  • Входные устройства приемников
  • Двойное преобразование частоты
  • Детекторы
  • Лампа бегущей волны
  • Малошумящие транзисторные усилители (МШУ)
  • Малошумящие усилители
  • Микрокомпьютерное управление приемником
  • Модели радиосигналов
  • Мосты СВЧ
  • Основные параметры и характеристики радиоприемников
  • Основные функциональные узлы радиопередатчика
  • Особенности построения техники СВЧ.
  • Параметрические усилители
  • Преобразователи частоты
  • Преобразователи частоты.
  • Прием на одной боковой полосе
  • Прием телеграфных сигналов
  • Приемники прямого усиления и супергетеродины
  • Синтезатор частоты в роли гетеродина
  • Синхронное детектирование
  • Система бесшумного приема
  • Системы спутниковой связи
  • Структурные схемы приемников
  • Схема системы радиосвязи
  • Технико-экономические и потребительские предпосылки перехода к универсальным цифровым технологиям передачи
  • Технические показатели радиопередатчиков
  • Типы систем спутниковой связи
  • Усилители напряжения модулирующей частоты
  • Усилители промежуточной частоты
  • Усилители радиочастот
  • Усилитель на туннельном диоде
• Микросхемы
• Электронные ключи
• Каналы и системы связи
• Основы телевидения
• Электрорадиоматериалы
• Операционные усилители
• Сигналы и методы их исследования
• Электрические сети
• sitemap

Практика

Итак, суть работы гетеро­динов в таком при­емни­ке зак­люча­ется в том, что вход­ной «высоко­час­тотный» сиг­нал пре­обра­зует­ся в про­межу­точ­ную час­тоту (мы будем исполь­зовать 455 кГц), на которой будет выпол­нять­ся основная селек­ция и уси­ление сиг­нала. Далее сле­дует детек­тор, выделя­ющий сиг­нал зву­ковой час­тоты, и уси­литель, необ­ходимый для гром­когово­ряще­го при­ема. Рас­смот­рим струк­турную схе­му супер­гетеро­дина.

 

Синтезатор

Я добавил в схе­му ста­били­затор питания и опе­раци­онный уси­литель для отоб­ражения уров­ня при­нима­емо­го сиг­нала. ОУ работа­ет в режиме пов­торите­ля, а на его выходе сто­ит делитель нап­ряжения, что поз­воля­ет изме­рять нап­ряжение управля­юще­го сиг­нала АРУ (изме­няет­ся в диапа­зоне от 0,5 до 4,7 В). Так как управля­ющее нап­ряжение АРУ близ­ко к нап­ряжению питания, то при­менен rail-to-rail опе­раци­онный уси­литель MV358. Его здесь мож­но заменить на более рас­простра­нен­ный LM358, но тог­да вер­хний пре­дел изме­ряемо­го нап­ряжения сни­зит­ся до 4 В (при питании 5 В).

Так­же в схе­ме заложе­на воз­можность управлять варика­пами для авто­нас­трой­ки вход­ных цепей, одна­ко под­ходящих варика­пов я не нашел, поэто­му такую фун­кцию не реали­зовал. Схе­ма син­тезато­ра пред­став­лена на рисун­ке.

Синтезатор частоты с ФАПЧ

Схема ФАПЧ используется в качестве основного элемента при построении синтезаторов частоты, которые вырабатывают сетку высокостабильных частот, кратных частоте опорного генератора. Для обеспечения высокой стабильности используют опорный генератор с кварцевым резонатором. Структура такого синтезатора приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема синтезатора частоты с ФАПЧ

Частота опорного генератора f_ОП делится на целое число R с помощью входного делителя. На его выходе вырабатывается сигнал с частотой f_REF/R. Частота ГУН также делится на целое число N при помощи делителя в петле ФАПЧ, принимая значения f/N. Когда схема ФАПЧ работает в режиме захвата опорного сигнала, имеет место равенство:

Откуда:

Для получения различных коэффициентов деления применяют программируемые делители. Тем самым обеспечивается широкий спектр выходных частот синтезатора, кратных частоте опорного сигнала. Диапазон выходных частот синтезатора определяется полосой захвата ФАПЧ, а абсолютные значения границ этого диапазона зависят от собственной частоты ГУН, относительно которой располагается полоса захвата (рис. 2). Величина шага изменения частоты синтезатора Δf (разрешающая способность синтезатора) в пределах диапазона его перестройки зависит от величины коэффициента деления делителя N и от времени захвата ФАПЧ. При уменьшении Δf требуется уменьшение времени захвата (времени установления), то есть уменьшение времени перехода от одного устойчивого состояния с частотой f₀₁ до другого устойчивого состояния с частотой f₀₂ = f₀₁±Δf

Уменьшить время захвата можно за счет увеличения полосы пропускания петлевого ФНЧ. Но это приводит к увеличению уровней фазовых шумов и побочных гармоник. При значительном увеличении границы полосы пропускания фильтра (более 0,2(f_REF/R)) петля ФАПЧ может стать нестабильной и неспособной к захвату. Для исключения этого необходимый запас по фазе в петле ФАПЧ должен составлять не менее 45°.

Большое значение коэффициента деления N в петле ФАПЧ может повлечь за собой появление некоторых нежелательных эффектов:

1. Коэффициент передачи контура ФАПЧ уменьшается с ростом N, что замедляет ответную реакцию на любые изменения на входе.
2. Для заданной величины фазового шума сигнала опорного генератора в полосе пропускания контура ФАПЧ фазовый шум выходного сигнала составляет N/R от величины входного. Если N = R и помехи появляются на входе схемы, то это не скажется при любых отклонениях фаз сигналов на входе детектора. Однако если помехи возникают на входе ФД (до деления на R), то коэффициент усиления выходного фазового шума имеет значение N.

Из этого следует, что больших значений коэффициентов деления в петле ФАПЧ надо по возможности избегать. Уменьшение N можно «компенсировать» увеличением частоты опорного генератора f_REF . Увеличение f_REF и, как следствие, увеличение частоты на входе ФД (f_REF/R), позволяет уменьшить уровень фазовых шумов синтезатора .

В зависимости от значения коэффициента деления N делителя петли ФАПЧ различают ФАПЧ с целочисленным коэффициентом деления (Integer-N PLL) и ФАПЧ с дробным коэффициентом деления (Fractional-N PLL). ФАПЧ с малым временем установления относится к категории быстродействующих (Fast Settling PLL).

Разрешающая способность синтезатора с целочисленным коэффициентом деления N делителя в петле ФАПЧ ограничена величиной f_REF/R. При дробном коэффициенте деления N разрешающая способность может составлять доли от величины f_REF/R. Другим достоинством систем с дробным коэффициентом деления является уменьшение времени захвата. Например, если f_REF/R = 20 МГц и полоса пропускания ФНЧ составляет 150 кГц, то перестройка синтезатора по частоте на 30 МГц будет занимать менее 30 мкс.

В современных синтезаторах время захвата мало, но конечно, что определяется возможностями схемотехники. В ряде случаев, когда требуется повышенное быстродействие системы при переходе от одной частоты к другой, используют два синтезатора: пока один работает на данной частоте в течение времени, большее, чем время захвата, второй синтезатор переключается на другую требуемую частоту. В результате время перехода от одной частоты к другой определяется только временем коммутации выходов синтезаторов.

Возможно, вам также будет интересно

В статье речь пойдет о конструировании универсального связного контроллера на SIP-модуле ESP32-PICO-D4, в частности о подключении радиочастотных и LoRa-модулей по шине SPI.

В этом году линейку высокобюджетных 2G-модулей серии SIM800x компании SIMCom Wireless Solutions дополнил комбомодуль SIM868, функционально являющийся самостоятельной товарной единицей, но, тем не менее, имеющий много общего с этой линейкой. Модуль выполнен в том же форм-факторе, что и уже ставшие популярными SIM800C и SIM800C-DS. Это позволяет реализовывать самые различные версии комбинированны…

Компания Telit анонсирует два модуля — HE922-3GR и WE922-3GR, рассчитанные на применение в планшетах и смартфонах для индустриальных применений. Оба модуля построены на базе четырехъядерного процессора Intel Atom x3 с 64-битной архитектурой.
Модули оснащены ОЗУ объемом 1 ГБ и памятью eMMC 8 ГБ. Имеется поддержка передачи данных в HSPA+ сетях (HE922-3GR), WiFi 802.11 b/g/n, BlueTooth 4.0, а также …

Микросхема (модуль) Si5351

Микросхема Si5351 это конфигурируемый через I2C генератор тактовых частот, идеально подходящий для замены кварцев, кварцевых генераторов, генераторов VCXO (voltage-controlled crystal oscillator – кварцевый генератор, управляемый напряжением), синтезаторов с ФАПЧ (PLL), буферов развязки в приложениях, критичных к общей стоимости. Базируясь на архитектуре PLL/VCXO + high resolution MultiSynth fractional divider, Si5351 может генерировать любую частоту до 200 МГц на каждом из выходов с нулевым отклонением от заданного значения (0 ppm error). Для удовлетворения различным требованиям приложений Si5351 выпускается в 3 версиях. Si5351A генерирует до 8 не зависящих друг от друга тактовых сигналов, используя внутренний генератор, что позволяет заменить несколько кварцев или кварцевых генераторов. В Si5351B добавлен внутренний VCXO, что дает возможность заменить как свободно (независимо друг от друга), так и синхронно генерируемые тактовые частоты. Это устраняет необходимость применения дорогих специальных кварцев, предоставляя при этом высокую надежность работы в широком диапазоне настраиваемых частот. Si5351C предоставляет такую же гибкость, но синхронизируется при этом с внешним опорным генератором (CLKIN).

Узнать более подробную информацию о микросхеме Si5351 и ее подключение к плате Arduino вы можете на сайте ее разработчика. Также принципы ее работы неплохо описаны на сайте microsin.net.

История [ править ]

Этот раздел, возможно, содержит оригинальные исследования . Запутывает настройку гетеродина приемника и ВЧ каскада (приемники по-прежнему настраиваются на разные каналы с помощью переменных конденсаторов); косвенные синтезаторы часто представляют собой генераторы LC; были приемники с кварцевым управлением (обычное дело во Второй мировой войне); в классическом приемнике CB использовались переключаемые кристаллы (возможно, частично заселенные); были коммутируемые авиационные радиоприемники с двойным преобразованием частоты, которые настраивали сотни каналов; re «не очень стабильный»: были стабильные конструкции VFO; «много порядков» неясно; для передатчиков и приемников требования к стабильности не так высоки; В СВЧ-резонаторах используются резонаторы. Пожалуйста, , проверив сделанные утверждения и добавив . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Февраль 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

До широкого использования синтезаторов для приема станций на разных частотах радио- и телевизионные приемники полагались на ручную настройку гетеродина , который использовал резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора , или иногда резонансных линий передачи; для определения частоты. Приемник настраивался на разные частоты либо с помощью переменного конденсатора, либо с помощью переключателя, который выбирал правильную настроенную схему для желаемого канала, например, с турельным тюнером, обычно используемым в телевизионных приемниках до 1980-х годов. Однако резонансная частота настроенного контура не очень стабильна; колебания температуры и старение компонентов вызывают дрейф частоты, заставляя приемник отклоняться от частоты станции. Автоматическая регулировка частоты (AFC) решает некоторые проблемы дрейфа, но часто требуется ручная перенастройка. Поскольку частоты передатчика стабилизированы, точный источник фиксированных, стабильных частот в приемнике решит проблему.

Резонаторы на кварцевом кристалле на много порядков более стабильны, чем LC-схемы, и при использовании для управления частотой гетеродина обеспечивают достаточную стабильность для поддержания настройки приемника. Однако резонансная частота кристалла определяется его размерами и не может быть изменена для настройки приемника на разные частоты. Одним из решений является использование множества кристаллов, по одному для каждой желаемой частоты, и включение правильного из них в схему. Этот метод «грубой силы» практичен, когда требуется лишь несколько частот, но быстро становится дорогостоящим и непрактичным во многих приложениях. Например, диапазон FM-радио во многих странах поддерживает 100 отдельных частот каналов из примерно 88МГц до 108 МГц; для возможности настройки на каждый канал потребуется 100 кристаллов. Кабельное телевидение может поддерживать еще больше частот или каналов в гораздо более широком диапазоне. Большое количество кристаллов увеличивает стоимость и требует большего пространства.

Решение этой проблемы была разработка схем, которые могли бы генерировать несколько частот из опорной частоты «» производства кварцевого генератора. Это называется синтезатором частоты. Новые «синтезированные» частоты будут иметь стабильность частоты задающего кварцевого генератора, поскольку они были получены из него.

За прошедшие годы было разработано множество методов синтеза частот. Некоторые подходы включают петли фазовой автоподстройки частоты , двойное микширование, тройное микширование, гармоническое, двойное разделение микширования и прямой цифровой синтез (DDS). Выбор подхода зависит от нескольких факторов, таких как стоимость, сложность, размер шага частоты, скорость переключения, фазовый шум и паразитный выходной сигнал.

Когерентные методы генерируют частоты, полученные от одного стабильного задающего генератора. В большинстве приложений используется кварцевый генератор , но можно использовать другие резонаторы и источники частоты. Некогерентные методы получают частоты из набора из нескольких стабильных генераторов. Подавляющее большинство синтезаторов в коммерческих приложениях используют когерентные методы из-за простоты и низкой стоимости.

Синтезаторы, используемые в коммерческих радиоприемниках, в значительной степени основаны на схемах фазовой автоподстройки частоты или схемах ФАПЧ. Многие типы синтезаторов частот доступны в виде интегральных схем , что снижает стоимость и размер. Приемники высокого класса и электронное испытательное оборудование используют более сложные методы, часто в сочетании.

Принципиальная схема

Схема работающего СЧ изображена на рис.1. СЧ обеспечивает работу радиостанции на 10 каналах. При передаче его рабочие частоты составляют 27150.27262,5 кГц с шагом сетки 12,5 кГц, при приеме — 16450.16562,5 кГц, частота 1-го гетеродина ниже частот передачи на 10,7 МГц.

Описание схемы. Узел на микросхеме DD1 заимствован из . Принцип работы DD1 в качестве импульсно-частотного фазового детектора (ИЧФД) описан в . Кварцевый генератор собран на DD1. Конденсатор С4 -подстроечный.

С выхода 4 dD1 опорный сигнал с частотой 500 кГц поступает на счетчик DD2, который делит входную частоту на 400. Эта частота 1,25 кГц является частотой сравнения ИЧФД, она поступает на вход 14 DD1.

Рис. 1. Принципиальная схема синтезатора частот для портативной радиостанции.

Генератор плавного диапазона (ГПД) выполнен на транзисторе VI1 по схеме с индуктивной трехточкой. Его частота перестраивается в режиме передачи с помощью варикапной матрицы VD1 напряжением, поступающим от ИЧФД через режекторный фильтр — двойной Т-мост и ФНЧ C11R8R9CI3. Сюда же подается через C16R10 модулирующее напряжение с микрофонного усилителя (т.3 на рис. 1).

Сигнал с ГПД поступает на истоковый повторитель, собранный на VT3, а далее на вход передатчика (т.1 на рис.1). При приеме используется ГПД, встроенный в микросхему МС3362, которая является приемником с двойным преобразованием частоты (на схеме не показан).

Сигнал от ГПД (на VT1) подается на буферный усилитель VT2, с которого усиленный сигнал поступает на делитель 10/11, выполненный на специализированной микросхеме DD3. С выхода 6 DD3 сигнал подается на триггер DD4, затем — на делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД), который выполнен на DD8.

Управление его коэффициентом деления осуществляется кодами из ПЗУ DD7. С выхода ДПКД частота, приблизительно равная 1,25 кГц, поступает на второй вход ИЧФД (вывод 3 DD1), в котором происходит сравнение частот и вырабатывается управляющее напряжение для подстройки ГПД. При равенстве опорной частоты ДПКД напряжение на VD1 равно нулю, и перестройка ГПД прекращается.

Узел управления переключением делителя 10/11 на DD3 построен на элементах DD5.1, DD5.2, DD5.4 и счетчике DD6. Элемент DD5.3 обеспечивает перевод к новым значениям коэффициентов деления для смены частот при переходе из режима передачи в режим приема. Триггер Шмитта на DD9.1 и DD9.2 служит для подавления дребезга при переключении режимов прием-передача. Номер канала устанавливается переключателем SА1.

Питание микросхем осуществляется через малогабаритный стабилизатор напряжения +5 В на DA1. Каскады на VT1-VT3 запитываются стабилизированным напряжением из передатчика (+5 В ТХ — рис. 1). Коды частот, записанные в ПЗУ, приведены в таблице.

Синтезаторы DDS в задачах модуляции/кодирования данных и синхронизации

Изначально технология DDS применялась исключительно в радиолокационных и военных системах, однако некоторые усовершенствования в характеристиках компонентов (повышение производительности, сокращение стоимости и габаритов) сделали ее очень популярной в задачах модуляции и кодирования данных. Ниже мы рассмотрим две схемы кодирования данных и их предлагаемую реализацию с помощью синтезатора DDS.

Двоичная частотная манипуляция (Binary Frequency Shift Keying, BFSK, или просто FSK) — это одна из простейших форм кодирования данных. При ней данные (двоичная единица (посылка) и двоичный ноль (пауза)) передаются непрерывной несущей с двумя возможными дискретными значениями частоты. Рис. 4 иллюстрирует соотношение между двоичными данными и передаваемым сигналом.

Рис. 4. Двоичная модуляция FSK

Двоичные единица и ноль представляются двумя разными значениями частоты f и f₁ соответственно. Такая схема кодирования легко может быть реализована при помощи синтезатора DDS. Для этого необходимо изменять слово настройки частоты DDS, определяющее значения выходных частот, таким образом, чтобы в зависимости от потока нулей и единиц, который необходимо передать, синтезатор генерировал сигнал соответствующей частоты. Как минимум в двух представителях семейства полнофункциональных синтезаторов DDS компании Analog Devices (AD9834 и AD9838) пользователь имеет возможность запрограммировать два желаемых значения слова настройки частоты во внутренние регистры ИМС и выбирать регистр, содержащий необходимое слово настройки, при помощи отдельного вывода FSELECT (рис. 5).

Рис. 5. Реализация модуляции FSK при помощи сигнала выбора слова настройки в синтезаторах DDS AD9834 или AD9838

Фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK) — это еще одна простая форма кодирования данных. При фазовой манипуляции частота несущей остается постоянной, а информация передается при помощи изменения фазы передаваемого сигнала. Существует несколько вариантов PSK. В простейшем способе, который обычно называется двоичной фазовой манипуляцией (Binary PSK, BPSK), используются только два значения фазы сигнала: 0° (логическая единица) и 180° (логический ноль). Состояние каждого бита определяется состоянием предыдущего бита. Если фаза колебания не меняется, то значение двоичного сигнала остается прежним (высоким или низким). Если фаза колебания изменяется на 180° (т. е. на противоположную), то значение двоичного сигнала тоже изменяется (из низкого в высокое или из высокого в низкое). Фазовую манипуляцию можно легко реализовать при помощи ИМС синтезаторов DDS, поскольку большинство их имеет отдельный регистр (регистр фазы), предназначенный для загрузки значения фазы. Это значение прибавляется к фазе несущей и не влияет на ее частоту. Изменение содержимого регистра фазы приводит к модуляции фазы несущей, позволяя формировать сигнал с фазовой манипуляцией. В задачах, где требуется модуляция с высокой скоростью, могут быть применены ИМС AD9834 и AD9838. Они имеют по два регистра фазы и вывод PSELECT, при помощи которого можно переключаться между двумя предварительно загруженными в регистры значениями фазы.

В более сложных формах фазовой манипуляции используется четыре или восемь значений фазы. Это позволяет передавать данные с более высокой скоростью по сравнению с BPSK. При четырехфазной модуляции (квадратурная манипуляция) возможные значения фазовых углов составляют 0, +90, –90 и +180°, при этом каждое значение фазы может соответствовать двум элементам двоичного сигнала. ИМС AD9830, AD9831, AD9832 и AD9835 имеют по четыре регистра фазы, что позволяет реализовывать сложные схемы фазовой модуляции путем непрерывного обновления значений, записываемых в эти регистры.

Фазовая автоподстройка частоты

Схема ФАПЧ (английский эквивалент Phase-Locked Loop — PLL) представляет собой систему с контуром обратной связи, который содержит ГУН, фазовый детектор (ФД), фильтр нижних частот (ФНЧ) и усилитель (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема ФАПЧ

ФД (или детектор ошибки) сравнивает фазы сигнала опорного генератора V_REF и выходного сигнала ГУН V и вырабатывает напряжение V₁, величина которого зависит от разности фаз этих сигналов. Если эта разность равна φ радиан, то выходное напряжение ФД будет определяться выражением:

где K_φ — коэффициент передачи «фаза → напряжение ФД» размерностью В/рад.

Выходное напряжение ФД пропускается через ФНЧ для подавления высокочастотных составляющих и их гармоник, которые присутствуют в опорном сигнале и на выходе ГУН. Напряжение с выхода ФНЧ усиливается и используется как управляющее для ГУН (V_C). Величина его составляет:

где А — коэффициент усиления усилителя.

Такое управляющее напряжение обеспечивает изменение частоты ГУН по отношению к частоте его собственных колебаний f до уровня

где K_V — коэффициент передачи «напряжение → частота ГУН» размерностью Гц/В.

Когда осуществлен захват опорного сигнала f_ОП схемой ФАПЧ, справедливо равенство:

Поскольку согласно (3):

получим:

Таким образом, если схема ФАПЧ захватила опорный сигнал, то сдвиг по фазе между этим сигналом и выходным сигналом ГУН устанавливается равным φ, и две частоты f_REF и f будут точно синхронизированы.

Максимальное напряжение на выходе ФД имеет место при φ = π и φ = 0 и определяется выражением:

Соответствующее максимально возможное управляющее напряжение равно:

В этом случае диапазон частот, который можно обеспечить на выходе ГУН, составляет:

Следовательно, максимальный частотный диапазон сигналов опорного генератора, при которых схема ФАПЧ будет находиться в режиме захвата, составляет:

Величина 2Δf_L называется полосой захвата ФАПЧ и определяется по формуле:

Следует отметить, что полоса захвата симметрична по отношению к частоте собственных колебаний ГУН f. На рис. 2 приведена зависимость V_C от частоты опорного сигнала, характеризующая полосу захвата. Вне этой полосы частота ГУН не может быть синхронизирована с частотой опорного сигнала.

Рис. 2. Полоса захвата ФАПЧ

Схемотехника ФАПЧ может быть классифицирована по методу реализации .

Если в качестве ФД используется линейный элемент типа четырехквадрантного перемножителя, а остальные элементы контура являются линейными аналоговыми, ФАПЧ называется линейной (linear PLL — LPLL).

Если используется цифровой ФД, а остальные элементы контура ФАПЧ являются линейными аналоговыми, то ФАПЧ называется цифровой (digital PLL — DPLL).

Если ФАПЧ строится исключительно из цифровых блоков, без использования каких-либо пассивных или линейных аналоговых элементов, то ФАПЧ называется полностью цифровой (all digital PLL — ADPLL).

Как и любая цифровая система, полностью цифровая ФАПЧ может быть реализована в виде программы. В этом случае ФАПЧ называется программно реализованной (soft PLL — SPLL).

К основным параметрам ФАПЧ относят фазовый шум, уровень проникновения гармоник опорного сигнала и время захвата.

Фазовый шум порождается малыми флуктуациями случайного характера фазы сигнала опорного генератора. Наличие его на входе ФД приводит к появлению ошибки на его выходе и, как следствие, к нестабильности частоты выходного сигнала ГУН.

Время захвата ФАПЧ это время от момента подачи сигналов на входы ФД до момента возникновения установившегося режима (момента захвата).