Частотно-модульований кварцовий генератор ю.г. нікітенка

Частотно-модульований кварцовий генератор, що містить джерело модулюючого сигналу, фільтр нижніх частот, блок режекторних фільтрів, частотний модулятор, кварцовий генератор, ЛІНІЮ затримки, фільтр верхніх частот, інтегратор, фазовий модулятор, перемножувач частоти, вузькосмуговий фільтр, широкосмуговий фільтр, при цьому джерело модулюючого сигналу, фільтр нижніх Винахід відноситься до галузі радіоелектроніки і призначається для використання в пристроях систем радіозв'язку, радіолокації, телекомунікації, вимірювальної техніки, синтезу частот Даний частотно-модульований кварцовий генератор (ЧМКГ) призначений для формування частотно-маніпульованого сигналу з безперервною фазою, без розриву фази Головними вимогами до ЧМКГ даних застосувань являються мінімальні спотворення форми передаваємих широкосмугових повідомлень, висока швидкість зміни частоти при високій стабільності несучої і середньої частот Існують три методи формування ЧМ коливань (сигналів) - прямий, непрямий та комбінований і ВІДПОВІДНІ їм пристрої (див Верещагин Е М , Никитенко Ю Г Частотная и фазовая модуляция в технике связи - М Связь, 1974) Пристрої, засновані на прямому методі ЧМ, використовують безпосередню дію модулюючого (інформаційного) сигналу на реактивні частотозадаючі елементи генератора, наприклад, змінну ємність - варикап Для підвищення стабільності несучої частоти в генераторах застосовують високодобротні коливальні кола, серед яких широке застосування мають кварцові резонатори (КР) та ВІДПОВІДНІ їм без посередньо керовані по частоті кварцові генератори (ККГ) В ККГ час зміни частоти визначається форму частот, блок режекторних фільтрів, частотний модулятор, кварцовий генератор з'єднані послідовно, а також містить послідовно з'єднані ЛІНІЮ затримки, фільтр верхніх частот, інтегратор, фазовий модулятор, підключені до виходу джерела модулюючого сигналу, який відрізняється тим, що додатково введені перемножувач частоти, вузькосмуговий фільтр, широкосмуговий фільтр, при цьому вихід кварцового генератора підключений до входу перемножувача частоти, вихід якого підключений до входу вузькосмугового фільтра, вихід якого підключений до другого входу фазового модулятора, вихід якого підключений до входу широкосмугового фільтра, вихід якого є виходом частотно-модульованого кварцового генератора лою (див crop 83-90 вищеназваної книги) їуст = 1'ггран Де FppaH - гранична, управління, яка дорівнює -) Л 2 " /2L ~ — k> { ) частота ґ F R rpaH = k + R 1 I (2) де Rk, Lk - динамічні опір та індуктивність КР, R - опір варікапу, р=Дшо/ао - відносна девіація частоти, Дшо - девіація (максимальна зміна за період модуляції) частоти, а - коефіцієнт КР відзначається великим значенням Lk, малими ємкістю С к та опором Rk, тобто високою добротністю ^к а ККГ при малому значенні R - високою стабільністю несучої частоти Дшо При типових значеннях параметрів ККГ розрахована, згідно (2), гранична, максимальна частота управління FppaH, дорівнює одиницям - десяткам кГц, а час зміни t ycT , згідно (1), дорівнює одиницям десяткам мкс При управлінні ККГ з частотою F > FrpaH, виникають недопустимі спотворення форми закону 00 (О 62128 зміни частоти Для того, щоб було неможливо управління з швидкістю, більшою F r p a H, на вході ККГ використовують фільтр нижніх частот (ФНЧ), який обмежує швидкість управління ККГ часом, який залежить від значення постійної часу ФНЧ ТФНЧ У випадку використання в якості ФНЧ RCкола, закон зміни частоти в часі такого ККГ, при дії модулюючого сигналу (МС) у вигляді стрибкоподібної функції, визначається таким чином t_ е ТфНЧ (3) ) Так, згідно (3), при t ^ o o девіація частоти Дшо в усталеному режимі пропорційна амплітуді стрибка, амплітуді МС Таким чином, при прямому методі ЧМ високостабільного ККГ забезпечується стабільність несучої і середньої частот при відносно повільному управлінні частотою Відомий також непрямий метод ЧМ Так як частота є швидкість зміни фази dt змінюючи фазу сигналу по закону 9(t) = f co(t)dt, то можна одержати ЧМ Такий генератор має джерело МС, інтегратор, фазовий модулятор (ФМ), кварцовий генератор (КГ) - див стор 131-150 вищеназваної книги Функція інтегралу на відповідному інтервалі може бути реалізована простим інтегруючим RCколом з постійною часу Т н т В такому випадку при МС у вигляді стрибкоподібної функції закон зміни частоти то, t ( • КІ W t)]= 1-е d dt v ) (4) =Дга 0 є Т,„ де Дшд = ДфоЛ~інт - девіація частоти на виході ФМ при t^O, Дфо - девіація фази, K|HT(t) - коефіцієнт передачі інтегруючого RC- кола Даний пристрій, в якому ЧМ формується шляхом перетворення із фазової модуляції, має високу швидкодію, яка залежить від смуги частот навантаження ФМ, та високу стабільність несучої частоти, яка залежить від стабільності задаючого КГ, але має і ряд недоліків, а саме - має місце нестабільність середньої частоти (значення частоти за період модуляції) ЧМ коливань при модуляції МС, який має в своєму складі постійну складову Наприклад, при модуляції прямокутними однополярними імпульсами має місце зміщення середньої частоти згідно виразу (див формулу 4 54 вищеназваної книги) t () *(1 T ) (5) де Дшд/Q - усталене значення зміни середньої частоти, Q - скважність МС Так, згідно (5), при Q = 2 (меандр) Дсо = -Дсо~/2 - зміщення середньої час тоти дорівнює половині корисної девіації частоти, а по знаку середня частота змінюється в протилежну відносно знаку корисної девіації частоти сторону, - передається обмежений знизу спектр модулюючого сигналу і ВІДПОВІДНИЙ йому обмежений зверху діапазон тривалостей передаваємих імпульсів, який визначається формулою (4) Так, при заданій девіації частоти Дшд та збільшенні тривалості імпульсу t = т, ДШФМО), згідно (4), зменшується з ростом t = т, досягаючи недопустимих для системи спотворень сигналу ( Д Ш Ф М Ф ^ О при t^oo) Таким чином, непрямим методом ЧМ неможливо передати імпульси великої тривалості та зберегти стабільність середньої частоти ЧМ коливань Найбільш близький по технічній сутності і тому вибраний як прототип являється патент України №13575 "Частотно-модульований кварцовий генератор Ю Г Нікітенка", опублікований 25 04 1997 р в бюлетені №2 (стор 3 1 343) Прототип містить джерело модулюючого сигналу, фільтри нижніх та верхніх частот, блок режекторних фільтрів, частотний та фазовий модулятор, кварцовий генератор, інтегратор та ЛІНІЮ затримки (ЛЗ) Даний ЧМКГ працює по комбінованому методу ЧМ (КМЧМ), який об'єднує прямий та непрямий методи ЧМ КМЧМ побудований по принципу об'єднання спектрів сигналів Модуляція на низьких модулюючих частотах здійснюється шляхом зміни частоти високостабільного ККГ Модулятор фази з інтегратором перетворює ФМ в ЧМ в високочастотній частині спектру МС, частотний розділ МС здійснюється фільтрами нижніх (ФНЧ) та верхніх (ФВЧ) частот Закон зміни частоти в часі на виході такого ЧМКГ визначається арифметичною сумою законів зміни частоти з виходів ККГ та ФМ Зважаючи на те, що в кожний даний момент МС діє одночасно завдяки ЛЗ на ККГ та ФМ через ВІДПОВІДНІ фільтри, маємо з урахуванням (3) та (4) при виборі постійної фільтру верхніх частот ТФВЧ » ТФНЧ, Т н т як оп тимальний варіант ЧМКГ (див Никитенко Ю Г Комбинированный способ частотной модуляции с учетом взаимной задержки в управлении каналами Известия ВУЗов «Радиоэлектроника», том 43, №8, 2000, с 45-49) t t Aco(t) = Affl KKr (t)-Ao\j JM (t) = Д ю о ( 1 - е ТфНЧ ) + Дгае ТфНЧ ^ ^ При виборі Дшд = Дшо та ТФНЧ - Т н т згідно (6) Дшф = Дшо = const незалежно від тривалості МС При цьому відсутнє також паразитне зміщення середньої частоти У прототипі завдяки дії блоку режекторних фільтрів відсутні також спотворення сигналу, які викликаються немоночастотністю КР, коли складові спектру ЧМ сигналу співпадають з паразитними резонансами КР Таким чином, при КМЧМ усунуті наведені вище недоліки, які притаманні прямому та непрямому методам ЧМ коливань кварцового генератору та підсумовуються їх достоїнства, їх позитивні яко 62128 СТІ Недолік прототипу полягає в недостатній швидкості переключення частоти, в обмеженій зверху ширині спектру передаваемо!" інформації Цей недолік обумовлюється нелінійними та перехресними спотворюваннями, які виникають при модуляції з швидкостями, які перевищують 1/10 несучої частоти ККГ а>о, тобто вихідної частоти ЧМКГ (див с т о р і н вищеназваної книги) Максимальна частота модулюючого спектру (спектру МС) Fmax повинна бути на порядок менша частоти коливань кварцового генератору ю ккг (7) 10 Так як частоти ККГ обмежені десятками МГц (Wmax - а>ккг/2ті = 40МГц, див, наприклад , "Электронные компоненты Россия - 99", crop 119), то, ЗГІДНО (7), Fmax ^ 4 0 МГц/10 = 4 МГЦ 27lF ВІДПОВІДНО, ЗГІДНО (1), t y c T = 1/4МГц = 0,25 мкс, що не задовольняє ряду потреб в вищенаведених галузях радіоелектроніки Ставиться задача збільшення швидкості частотної маніпуляції ЧМКГ Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в частотно-модульований кварцовий генератор, що містить в собі послідовно з'єднані джерело модулюючого сигналу, фільтр нижніх частот, блок режекторних фільтрів, частотний модулятор, кварцовий генератор і послідовно з'єднані ЛІНІЯ затримки, фільтр верхніх частот, інтегратор, фазовий модулятор, підключені до виходу джерела модулюючого сигналу, введено додатково перемножувач частоти, вузькосмуговий фільтр та широкосмуговий фільтр, при цьому вихід кварцового генератора з'єднаний з входом перемножувача частоти, вихід якого з'єднаний з входом вузькосмугового фільтру, вихід якого з'єднаний з другим входом фазового модулятору, вихід якого з'єднаний зі входом широкосмугового фільтру, вихід якого являється виходом частотно-модульованого кварцового генератору Автору не ВІДОМІ технічні рішення, які мають сукупність ознак, які збігаються з сукупністю ВІДМІННИХ ознак пропонованого технічного рішення і тому він робить висновок проте, що запропоноване рішення володіє істотними відмінами Сутність винаходу роз'яснюється малюнками, де на фіг 1 - блок-схема частотно-модульованого кварцового генератора, на фіг 2 - часові діаграми роботи частотно-модульованного кварцового генератора в окремих його вузлах, а саме а) модулюючий сигнал у вигляді імпульсу напруги тривалістю т на виході джерела модулюючого сигналу, б) сигнал на виході ФНЧ, в) сигнал на виході блоку режекторних фільтрів, г) закон зміни частоти на виході ККГ (МС на вхід ФМ не подається), д) закон зміни частоти на виході перемножувача частоти (МС на вхід ФМ не подається), є) закон зміни частоти на виході вузькосмугового фільтру (МС на вхід ФМ не подається), ж) закон зміни частоти на виході ЧМКГ (МС на вхід ФМ не подається), з) модулюючий сигнал на виході лінії затримки, и) сигнал на виході ФВЧ, к) сигнал на виході інтегратора, л) закон зміни частоти на виході каналу ФМ (МС на вхід ККГ не подається), м) закон зміни частоти на виході частотномодульованого кварцового генератора Запропонований частотно-модульований кварцовий генератор (фіг 1) складається з послідовно з'єднаних джерела модулюючого сигналу 1, фільтру нижніх частот 2, блоку режекторних фільтрів 3, частотного модулятора 4, кварцового генератора 5 та послідовно з'єднаних лінії затримки 6, фільтру верхніх частот 7, інтегратору 8, фазового модулятора 9, підключені до виходу джерела модулюючого сигналу 1,при цьому вихід кварцового генератора 5 з'єднаний з входом перемножувача частоти 10, вихід якого з'єднаний з входом вузькосмугового фільтру 11, вихід якого з'єднаний з другим входом фазового модулятора 9, вихід якого з'єднаний з входом широкосмугового фільтру 12, вихід якого являється виходом частотномодульованого кварцового генератора ЧМКГ працює наступним чином При подачі на вхід ФНЧ 2 імпульсного модулюючого сигналу від джерела модулюючого сигнала 1 частина спектру цього сигналу через ФНЧ 2 подається на вхід блоку режекторних фільтрів З, затримується на час ДТ-і, рівний часу затримки сигналу в вузлах 2 і 3, та подається на вхід частотного модулятора 4, в результаті змінюється частота коливань кварцового генератора 5 по закону модулюючого сигналу, який пройшов через ФНЧ та блок режекторних фільтрів з затримкою ДТі (фіг 2, графіки а-г) З виходу КГ 5 ЧМ сигнал подається на вхід перемножувача частоти 10, в якому частота кварцового генератора (КГ) і девіація частоти коливань КГ 5 збільшується в коефіцієнт множення частоти п раз і потім поступає на вузькосмуговий фільтр 11, який подавляє складові вихідного сигналу перемножувача частоти 10, кратні частоті коливань кварцового генератора, і додатково до дії блоку режекторних фільтрів подавляє складові спектру ЧМ коливань, які обумовлені паразитними резонансами кварцового резонатору в високочастотній частині спектру повідомлення В перемножувачі частоти 10 та вузькосмуговому фільтрі 11 сигнал каналу ККГ (першого каналу) додатково затримується на ВІДПОВІДНО час ДТг і ДТз та поступає на вхід фазового модулятора 9 з затримкою Тзі Закони зміни частоти на виході перемножувача частоти 10 і вузько-смугового фільтру 11 відображені ВІДПОВІДНО на фіг 2д, є ЧМ сигнал каналу ККГ, промодульований НЧ частиною спектру МС, з виходу ФМ 9 поступає на вхід широкосмугового фільтру 12 і далі на вихід ЧМКГ з сумарною затримкою Тзі = ДТі + ДТг + ДТз - див фіг 2ж (затримкою в широкосмуговому фільтрі зневажаємо в зв'язку з тим, що смуга частот широкосмугового фільтру набагато більша від смуги частот вузькосмугового фільтру) При подачі частини спектру модулюючого сигналу через ЛІНІЮ затримки 6 з постійною часу Т32, ФВЧ 7, інтегратор 8 на вхід фазового модулятора 9, фаза сигналу на виході ФМ 9 змінюється по закону сигнала з виходу лінії затримки 6, ФВЧ 7 з урахуванням дії інтегратору 8 (див фіг 2 з-к), а частота коливань - по закону похідної від закону зміни фази сигналу з виходу лінії затримки 6, ФВЧ 7, інтегратору 8 (див фіг 2л) Далі ЧМ сигнал з виходу ФМ 9, промодульований ВЧ частиною спектру модулюючого сигналу, подається на широкосмуговий фільтр 12, в якому закон зміни частоти другого каналу (каналу ФМ) установлюється не раптово, а з урахуванням смуги частот пропускання широкосмугового фільтру 12 Дякуючи дії лінії затримки 6 початок зміни частоти каналів ККГта ФМ співпадають в часі при Тзі - Тзг = Тз В результаті частота на виході частотно-модульованого кварцового генератора (див фіг2,м) змінюється по закону джерела модулюючого сигналу 1 з урахуванням постійної затримки сигналу Тз, обумовленої постійною часу лінії затримки 6, яку легко врахувати на приймальній частині лінії зв'язку при обробці одержаної інформації При цьому для забезпечення на виході ЧМКГ постійного сталого значення девіації частоти на час дії прямокутного модулюючого сигналу шляхом вибору режиму частотного модулятора 4 забезпечується девіація частоти сигналу п*Дшо в усталеному режимі на виході каналу ККГ (фіг 2,ж), яка дорівнює девіації частоти з виходу каналу ФМ Дшд = п*Дшо (ДИВ фіг 2,л), а також шляхом підбору величини затримки сигналу Т32 в лінії затримки 6, рівній затримки сигналу Тзі в каналі ККГ В результаті на виході частотно-модульованого кварцового генератора (фіг2,м) має місце сигнал з законом зміни частоти, ВІДПОВІДНИЙ формі сигналу джерела модулюючого сигналу 1 з фронтом та спадом закону зміни частоти, які відповідають смузі частот пропускання широкосмугового фільтру 12, який може бути вибраний в п раз більш широким, ніж у прототипа, де п - коефіцієнт множення частоти 62128 8 а тому в п раз буде крутіший фронт та спад закону зміни частоти, в п раз вище швидкість перестроювання частоти, в п раз більш короткі фронти ТфР, тсп можна забезпечити, ніж у прототипа (див фіг 2, м) Величина п має обмеження зверху Коефіцієнт множення частоти п залежить від можливого значення девіації частоти, яку можна одержати на виході фазового каналу КМЧМ на граничній частоті модуляції, передаваємої ККГ nmax Дшфмтах/Дшоккг- Як показує теоретичний аналіз та експериментальні дослідження, n m a x - 5 Таким чином, в порівнянні з прототипом, у пропонованому частотно-модульованому кварцовому генераторі суттєво, не менше ніж в два рази (при використанні мінімально можливого коефіцієнту множення частоти), в загальному випадку в коефіцієнт множення (п раз) можливо збільшити швидкість переключення (перестроювання) частоти, спектр передаваємих повідомлень, забезпечуючи ПОСТІЙНІСТЬ девіації частоти з необхідною точністю для любої частоти модулюючого спектру від нуля герц (постійна складова) до високих частот модуляції, обмежених смугою частот навантаження фазового модулятору, тобто до частот модуляції, приблизно рівних одній десятій від частоти вихідних коливань частотно-модульованого кварцового генератора, тобто до Г_ п-40МГц 10 ВІДПОВІДНО при п = 2 5 можуть бути передані імпульсні сигнали тривалістю від ттщ = ТфР = тсп 1/Fmax - (0,05 0,125)мкс до нескінченності Частотно-модульований кварцовий генератор може бути виконаний на елементах дискретної та аналогової техніки, описаної в науково-технічній літературі, зокрема у вказаній вище книзі Результати теоретичних досліджень та макетування довели ефективність запропонованого частотно-модульованого кварцового генератора Як видно з приведених в описі даних, запропонований пристрій дозволяє суттєво, в (2 - 5) раз, підвищити швидкість зміни частоти при збереженні безперервності фази, високої стабільності середньої та несучої частот Отже так як в запропонованому частотномодульованому кварцовому генераторі частота соо, на якій працює ФМ, в п раз більша, ніж у прототипа, то в п раз з більшою швидкістю можна управляти коливаннями ККГ, які поступають на вхід ФМ, Фіг 62128 10 Підписне Тираж39 прим 6) Комп'ютерна верстка М Клюкш Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119