Виталий Козлов - Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Рис.6. Трёхпетлевая схема синтезатора

Выход петли мелкой сетки завершается делителем частоты с фиксированным коэффициентом M, за счёт чего на 20lgM снижаются шумы сигнала F МСна входе последующего фазового детектора ФД суммирующей петли ФАПЧ. Параметры петли мелкой сетки выбираются таким образом, чтобы получить как можно меньший шаг dF МС=F 01/M сетки при, по возможности, наибольшей частоте сравнения F 01. Диапазон частот F МС, получаемый при этом, может быть небольшим, значительно меньшим требуемого диапазона частот FС на выходе синтезатора.

Во второй петле ФАПЧ формируется крупный шаг dF КСсетки, равный этому ограниченному диапазону F МС, то есть dF КС=F МС. Суммирование сеток, крупной и мелкой, происходит в суммирующей петле. Для этого в неё включен смеситель частоты СМ, в котором происходит вычитание частоты F КСиз частоты Fc или наоборот. Результат вычитания фильтруется фильтром Ф, который может быть как полосовым, так и фильтром нижних частот. Сигнал разностной частоты с выхода фильтра поступает на второй вход фазового детектора для фазового сравнения с сигналом F МС. Таким образом, крупная сетка заполняется мелкой, и в итоге выражение для частоты FC на выходе синтезатора может быть записано как

F C=F КС±F МС=N 2F 02±N 1F 01/M

Генераторы, выходной (ГУН) и крупной сетки (ГУН-2) имеют практически одинаковый частотный диапазон перестройки, поскольку FС>> F МС, то есть диапазоны отличаются лишь на небольшую величину F МС. Поэтому необходимо тщательно их сопрягать по управляющим напряжениям, чтобы избежать «зеркальной» настройки выходного генератора.

В синтезаторах по такой структуре выходной уровень шума определяется в полосе суммирующего кольца генератором ГУН-2, а за полосой – выходным генератором ГУН.

В качестве примера положим, что требуется получить диапазон частот от 700 МГц до 1 ГГц с шагом dF=10 кГц. Тогда можно выбрать следующие параметры петель ФАПЧ: F 01=F 02=1 МГц; изменение коэффициента N 1 – от 900 до 1000 через единицу; диапазон перестройки ГУН-1 от 900 МГц до 1 ГГц и M=100, то есть диапазон частот F МСна входе суммирующей петли равен F МС=9÷10 МГц с шагом 10 кГц; изменение коэффициента N 2второй петли – от 691 до 990 через единицу; диапазон перестройки генератора ГУН-2 – от 691 до 990 МГц с шагом 1 МГц.

Выбор такой довольно высокой частоты сравнения в фазовых детекторах, как 1 МГц, позволяет обеспечить в трёхпетлевом синтезаторе время переключения частоты порядка долей миллисекунд при высокой спектральной чистоте выходного сигнала.

Недостаток – очевидная сложность системы, необходимость тщательной проработки конструкции с экранированием отдельных узлов, чтобы избежать в спектре сигнала помех комбинационного характера.

Разновидностью трёхпетлевого синтезатора является вариант, предложенный Сровером [26]. Он показан на рисунке 7. В нём используются два синхронно управляемых делителя с одинаковыми коэффициентами деления при последовательном соединении петель ФАПЧ. В некоторых периодических изданиях эта схема получила название «близнецы».

Рис.7. Схема Сровера

В первой петле представленной схемы формируется исходный шаг сетки частот, в третьей – крупная сетка с шагом Fr/M, вторая петля выполняет функцию суммирования, но в отличие от суммирующей петли предыдущей схемы здесь требования к петле значительно слабее, поскольку она выполняет сложение практически на одной частоте Fr. Наличие делителя с коэффициентом деления M и малая перестройка ГУН-2 снижают требования по шумам к генераторам первой и второй петель. Выходной уровень шума в этой схеме определяется, в первую очередь, генератором ГУН-3.

Согласно со структурой схемы выходная частота Fc синтезатора определяется выражением

F C= (N 1F 01+N 2F r) /M.

Аналогично предыдущей схеме данная структура позволяет выбирать повышенные частоты сравнения в петлях, что позволяет реализовать синтезатор с улучшенными характеристиками спектральной чистоты и быстродействия.

Недостатки трехпетлевых вариантов построения синтезаторов вполне очевидны:

– значительное увеличение габаритов, потребления электроэнергии и стоимости в сравнении с однопетлевым синтезатором;