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

– наличие трех высокочастотных генераторов является, как правило, причиной образования паразитных дискретных составляющих в спектре сигнала синтезатора, для устранения которых требуются дополнительные усилия схемно-конструктивного плана.

Идея частотного синтеза, предложенная Александром Ченакиным. раскрыта в его американском патенте [27] и описана в ряде публикаций, например [28÷30]. Здесь мы ограничимся лишь описанием упрощённой схемы, только чтобы пояснить саму идею, особо не углубляясь в подробности.

Схема показана на рисунке 8. Она представляет собой систему фазовой автоподстройки частоты, содержащую в своей основе, как обычно, фазовый детектор ФД, фильтр нижних частот ФНЧ и генератор, управляемый напряжением ГУН. Особенность синтезатора заключается в построении цепи обратной связи системы.

Рис.8. Схема QuickSyn

Эта цепь содержит два параллельных тракта, работающих последовательно во времени и образующих две петли ФАПЧ. При задании нового значения синтезируемой частоты, ключ переходит в соответствующее положение, чтобы сработала первая петля (та, в которой включён делитель частоты с переменным коэффициентом деления N) и привела частоту сигнала к заданному значению с точностью, достаточной для захвата частоты второй петлёй.

После этого включается в работу вторая петля. Она действует через многокаскадный преобразователь частоты в цепи обратной связи. Преобразователь частоты содержит последовательно включённые смесители частоты, в которых в результате взаимодействия с опорными частотами происходит смещение частоты сигнала вниз к частоте сравнения в ФД. Опорная частота для каждого последующего каскада понижается с помощью многокаскадного формирователя опорных частот, состоящего из набора делителей, умножителей и смесителей частоты. Этот блок работает от сравнительно высокочастотного опорного источника частоты Fr. Здесь, можно сказать, просматривается аналогия с обычным аналоговым синтезатором с той лишь разницей, что преобразование частоты происходит вниз, а не вверх. Выход последнего каскада формирователя опорных частот служит также опорой для обеих петель ФАПЧ.

Задача для преобразователя частоты – донести спектр управляемого генератора до ФД без деления частоты. Благодаря этому, не снижается усиление в этой петле, как это имеет место в предыдущей петле, и этим достигается высокая эффективность подавления собственных шумов управляемого генератора.

Важно отметить, что интермодуляционные продукты такого многоступенчатого преобразователя частоты являются гармониками частоты сравнения фазового детектора и могут быть легко подавлены фильтром ФАПЧ. Таким образом, предложенное архитектурное решение позволяет получить довольно низкие побочные составляющие (спуры) в сравнении с классическими схемами.

Однако отмеченное достоинство схемы реализуется лишь при достаточно крупной сетке частот, шаг которой равен частоте сравнения в ФД. При уменьшении шага сетки уменьшается и частота сравнения, сужается полоса петли и соответственно снижаются качество спектра сигнала и быстродействие синтезатора.

Описанную схему можно использовать как составную часть более сложной структуры, дополнительно включающей средства для заполнения крупной сетки более мелкой сеткой. Например, можно добавить ещё одну петлю ФАПЧ, чтобы просуммировать полученную крупную сетку с мелкой, образованной с помощью DDS синтезатора.. При этом, конечно, необходимо принять меры для обеспечения достаточно низкого уровня помех от DDS. К этим мерам можно отнести использование нескольких опорных частот при выборе диапазона DDS с относительно малым уровнем помех, скажем порядка -75 дБн, подъём этого диапазона вверх с последующим делением частоты, что соответственно даёт дополнительное улучшение спектра. Более простым вариантом может оказаться также реализация опорного сигнала Fr в относительно узкой полосе частот (достаточной для заполнения крупной сетки) с помощью дополнительной петли ФАПЧ.

В итоге общая структура синтезатора существенно усложняется. Она реализована на практике в линейке синтезаторов типа QuickSyn фирмы Phase Matrix, ныне в составе National Instruments (см. те же, приведенные выше ссылки на источники), где показала очень высокие характеристики спектральной чистоты. В модели QuickSyn Lite FSW-0010, обеспечивающей диапазон от 0,5 до 10 ГГц, «полка» шума на частоте сигнала порядка 10 ГГц в полосе ФАПЧ составляет около -120 дБн/Гц, а уровень дискретных компонентов менее -70 дБн и время переключения порядка десятков микросекунд. В следующей модели – FSW-0020 – диапазон частот расширен до 20 ГГц, и на её базе создан ряд синтезаторов миллиметрового диапазона, характеристики которых приведены в Табл.3. При этом во всех приведенных модификациях шаг сетки частот равен 1 Гц, паразитные спектральные составляющие не превышают -60 дБн и время переключения частоты не более 1 мс.