Спосіб формування мікрохвильових сигналів з малим кроком сітки частот

Реферат: Винахід належить до радіотехніки і може бути використаний при організації систем зв'язку зі збільшеною кількістю каналів, а також у вимірювальній техніці, де потрібне перестроювання частоти з малим кроком. В основу винаходу поставлена задача отримання коливань мікрохвильового діапазону з малим кроком сітки частот, низьким рівнем фазових шумів і малим часом перестроювання частоти. Для цього частоту опорного генератора, що задає частоту порівняння в фазовому детекторі синтезатора непрямого типу, вибирають в смузі ультракоротких хвиль. При цьому частоту високостабільного опорного генератора попередньо зсувають на деяку невелику величину. Трансформований по частоті сигнал з виходу квадратурного модулятора подають на перший вхід частотнофазового детектора. Частоту мікрохвильового генератора, керованого напругою, ділять дільником з перемінним коефіцієнтом ділення, і подають на другий вхід частотнофазового детектора. За допомогою фільтра нижніх частот пригнічують продукти порівняння змінного струму, а сигнал постійного струму подають на вхід мікрохвильового генератора, керованого напругою. Це дозволяє зменшити час перестроювання синтезатора, зменшити рівень фазових шумів. UA 103421 C2 (12) UA 103421 C2 UA 103421 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі радіотехніки та може бути використаній при улаштуванні систем зв'язку зі збільшеною кількістю каналів, а також у вимірювальній техніці, котра вимагає перестроювання частоти з малим кроком. Відомі способи формування високочастотних сигналів, описані, наприклад, у кн. Манассевич В. Синтезатори частот. Теорія і проектування, Переклад з англ. - М.: Связь, 1979. - 384 с. Особливо поширеним є метод некогерентного синтезу частот, згідно з яким, для синтезу частот вимагається більша кількість кварцових резонаторів. Для зміни частоти генератора необхідно підключити до нього інший резонатор. Це свідчить, що крок перестроювання генератора при цьому визначається номінальними значеннями частот кварцових резонаторів та їх кількістю. При такому підході до синтезу частот сам синтезатор виявляється занадто громіздким і дорогим. Певні проблеми при цьому виникають при переключенні резонаторів. Наявність допоміжних помножувачів частоти ускладнює схему та не кращим чином позначається на якісних показниках синтезованого мікрохвильового сигналу. Найбільш близьким до винаходу є спосіб формування мікрохвильових гармонічних сигналів на основі методу непрямого синтезу частот з петлею цифрового фазового автоналаштування частоти, описаного теж там. Відповідно до цього способу петля складається з генератора, що керується напругою, дільника частоти з перемінним коефіцієнтом, фазового детектора та фільтра нижніх частот. Частота генератора з керуванням напругою fmw ділиться і зрівнюється у фазовому детекторі зі стабільною опорною частотою fro . Напруга помилки, що виробляється фазовим детектором та відфільтровується фільтром нижніх частот, використовується для стабілізації частоти генератора, який керується напругою. Зміна вихідної частоти виконується зміною коефіцієнта ділення N . Тоді вихідна частота мікрохвильового генератора визначається за наступною відомою формулою: fmw  Nf ro . Однак, такий спосіб формування мікрохвильових сигналів має суттєвий недолік, який полягає в тому, що крок сітки вихідних частот мікрохвильового генератора визначається частотою зрівняння (частотою опорного генератора) у фазовому детекторі. В свою чергу, зменшення частоти опорного генератора призводить до збільшення фазових шумів мікрохвильового сигналу в N разів, а також призводить до збільшення часу перестроювання синтезатора в цілому, оскільки для пригнічення продуктів зрівняння необхідний фільтр нижніх частот з більшою постійною часу. Обидва ці фактори обмежують використання синтезатора непрямого типу при формуванні частоти мікрохвильового сигналу з малим кроком. Разом з тим, створення подібних синтезаторів є достатньо актуальною задачею та може знайти застосування в багатьох галузях. В основу винаходу поставлена задача отримання коливань мікрохвильового діапазону з малим кроком сітки частот, низьким рівнем фазових шумів і малим часом перестроювання частоти. Поставлена задача вирішується тим, що за способом, який передбачає використання методу непрямого синтезу частот з петлею цифрового фазового автоналаштування частоти та який обіймає генерування опорних коливань високої частоти з малим рівнем фазових шумів і високою стабільністю частоти, генерування мікрохвильових коливань, ділення частоти мікрохвильових коливань, порівняння поділеної частоти та фази мікрохвильових коливань з частотою та фазою опорних коливань, пригнічення продуктів порівняння частот з виділенням постійної складової сигналу та керування цим сигналом частотою мікрохвильового генератора, який відрізняться тим, що частоту високочастотного опорного генератора fro з малим рівнем фазових шумів і високою стабільністю не порівнюють безпосередньо з поділеною на N частотою мікрохвильового генератора fmw , а попередньо її трансформують, призводять зсув частоти опорного генератора на деяку невелику величину FIQ в одну чи іншу сторону або, що теж саме, формують сигнал з однією боковою смугою, верхньою або нижньою, для чого додатково формують два низькочастотних квадратурних сигнали з однаковою амплітудою та частотою FIQ та різністю фаз між ними, яка дорівнює 90°, при цьому сигнал опорного генератора подають на радіочастотний вхід квадратурного модулятора й одночасно на схему формування квадратурних гармонічних сигналів заданої низької частоти FIQ , причому сформовані низькочастотні квадратурні сигнали з частотою FIQ подають на однойменні низькочастотні входи квадратурного модулятора, і тільки після цього частоту сигналу на виході квадратурного модулятора fro  fro  FIQ порівнюють з поділеною на N частотою  мікрохвильового генератора fmw , в результаті чого на виході мікрохвильового генератора отримують частоту, яка дорівнює 1 UA 103421 C2 fmw  Nfro  FIQ  , при цьому задають який завгодно малий крок сітки частот низькочастотних квадратурних сигналів FIQ і отримують при цьому збільшений у N разів, але малий крок сітки частот 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мікрохвильового генератора NFIQ , при цьому не отримують збільшення часу перемикання частоти мікрохвильового генератора малого кроку, оскільки, як і раніше, пригнічують продукти зрівняння високочастотних сигналів, при цьому, враховуючи відносну малість значення N , не отримують суттєвого збільшення рівня фазових шумів мікрохвильового генератора, при цьому додатково змінюють величину N й отримують, завдяки цьому, великий крок перестроювання сітки частот мікрохвильового генератора. Зрівняння пропонованого винаходу зі вже відомими способами та прототипом показує, що заявлений спосіб виявляє нові технічні властивості, що полягають у отриманні мікрохвильових сигналів з малим кроком сітки частот без істотного підвищення рівня фазових шумів і збільшення часу перестроювання мікрохвильового генератора, оскільки постійна часу фільтра нижніх частот, який пригнічує продукти порівняння, залишається малою. Перестроювання частоти мікрохвильового генератора малим кроком не вимагає зміни коефіцієнта ділення частоти. Для здійснення перестроювання мікрохвильового генератора з малим кроком необхідно змінити частоту квадратурних низькочастотних сигналів, що в даний момент легко реалізується за допомогою високопродуктивних мікроконтролерів. Зазначений спосіб формування мікрохвильових сигналів з малим кроком сітки частот можна реалізувати за допомогою пристрою, схема якого показана на кресленні. Пристрій для формування мікрохвильових сигналів з малим кроком сітки частот містить високостабільний опорний генератор 1, схему формування низькочастотних квадратурних сигналів 2, квадратурний модулятор 3, частотно-фазовий детектор 4, фільтр нижніх частот 5, дільник частоти зі змінним коефіцієнтом ділення 6, мікрохвильового генератора, керованого напругою 7. При цьому вихід високостабільного опорного генератора 1 з'єднаний з тактовим входом схеми формування низькочастотних квадратурних сигналів 2 і одночасно з радіочастотним входом квадратурного модулятора 3, при цьому виходи квадратурних низькочастотних сигналів схеми формування низькочастотних квадратурних сигналів 2 з'єднані з однойменними входами квадратурного модулятора 3, вихід якого з'єднаний з першим входом частотнофазового детектора 4, при цьому другий вхід частотно-фазового детектора 4 з'єднаний з виходом дільника частоти зі змінним коефіцієнтом ділення 6, вхід якого з'єднаний з виходом мікрохвильового генератора, керованого напругою 7, при цьому вихід частотнофазового детектора 4 з'єднаний зі входом фільтра нижніх частот 5, вихід якого з'єднаний з входом керування мікрохвильового генератора, керованого напругою 7. Працює пристрій наступним чином. Опорний високостабільний генератор 1 формує високочастотний високостабільний сигнал з малим рівнем фазових шумів. Сигнал з виходу опорного високостабільного генератора 1, подають на радіочастотний вхід квадратурного модулятора 3 та на тактовий вхід схеми формування низькочастотних квадратурних сигналів 2. Схема формування низькочастотних квадратурних сигналів 2 формує на своїх виходах квадратурні (синус і косинус) низькочастотні гармонійні сигнали I і Q , які подають на однойменні входи квадратурного модулятора. За допомогою зовнішнього ланцюга керування вільно змінюють значення частоти низькочастотних квадратурних сигналів FIQ з довільним кроком FIQ . При цьому квадратурний модулятор 3 формує гармонійний сигнал з частотою  fro  fro  FIQ , зсунутою від частоти опорного високостабільного генератора 1 на деяку величину FIQ з довільним кроком FIQ . Сигнал з виходу квадратурного модулятора 3, подають на перший вхід частотнофазового детектора 4, на другий вхід якого подають сигнал з виходу дільника зі змінним коефіцієнтом ділення 6. Дільник зі змінним коефіцієнтом ділення 6 здійснює ділення на N частоти сигналу мікрохвильового генератора, керованого напругою 7. Змінюючи N , можна задавати великий крок сітки частот. В результаті частотнофазовий детектор 4 формує на своєму виході сигнал, що містить продукти порівняння, з яких необхідно виділити тільки постійну складову. 2 UA 103421 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Фільтр нижніх частот 5 здійснює придушення всіх продуктів порівняння, крім напруги постійного струму, і подає сигнал на вхід керування мікрохвильового генератора, керованого напругою 7. Таким чином, здійснюють фазове автопідстроювання частоти мікрохвильового генератора, керованого напругою, 7 до частоти fmw  Nfro  FIQ  з малим кроком сітки частот NFIQ . Рівень фазових шумів на виході мікрохвильового генератора в N разів більше, ніж рівень фазових шумів сигналу, що подається на вхід схеми порівняння - частотнофазового детектора. З урахуванням того, що частота порівняння висока, а, отже, N невеликий, рівень шумів мікрохвильового генератора низький. Якщо, наприклад, як опорний генератор використовувати високочастотний прецизійний малошумливий кварцовий генератор ГК136 з рівнем фазових шумів -155 дБ/Гц при відстроюванні на 1 кГц виробництва компанії "Моріон", то при N  100 рівень фазових шумів вихідного сигналу буде становити порядку -135 дБ/Гц. Рівень побічних складових буде, в основному, визначатися якісними показниками квадратурного модулятора та схеми формування квадратурних сигналів. Оскільки частота порівняння висока, то постійна часу фільтра нижніх частот може бути малою. Відповідно малим буде час перебудови синтезатора на малому кроці сітки частот. Стабільність частоти всього синтезатора залежить тільки від стабільності частоти опорного високостабільного генератора, оскільки і радіочастотний вхідний сигнал квадратурного модулятора і низькочастотні квадратурні сигнали схеми формування походять від одного сигналу - сигналу опорного генератора, стабільність частоти якого становить, наприклад, для -7 -8 зазначеного вище випадку 10 …10 . ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб формування сигналів мікрохвильового діапазону з малим кроком сітки частот, який передбачає використання методу непрямого синтезу частот з петлею цифрового фазового автоналаштування частоти та який включає генерування опорних коливань високої частоти з малим рівнем фазових шумів і високою стабільністю частоти, генерування мікрохвильових коливань, ділення частоти мікрохвильових коливань, порівняння поділеної частоти та фази мікрохвильових коливань з частотою та фазою опорних коливань, пригнічення продуктів порівняння частот з виділенням постійної складової сигналу та керування цим сигналом частотою мікрохвильового генератора, який відрізняється тим, що частоту високочастотного опорного генератора fro з малим рівнем фазових шумів і високою стабільністю попередньо трансформують, призводять зсув частоти опорного генератора на величину FIQ в одну чи іншу сторону або формують сигнал з однією боковою смугою, верхньою або нижньою, для чого додатково формують два низькочастотних квадратурних сигнали з однаковою амплітудою та частотою FIQ та різністю фаз між ними, яка дорівнює 90°, при цьому сигнал опорного генератора подають на радіочастотний вхід квадратурного модулятора й одночасно на схему формування квадратурних гармонічних сигналів заданої низької частоти FIQ , причому сформовані низькочастотні квадратурні сигнали з частотою FIQ подають на однойменні низькочастотні входи квадратурного модулятора, і після  цього частоту сигналу на виході квадратурногомодулятора fro  fro  FIQ порівнюють з 45 поділеною на N частотою мікрохвильового генератора fmw , в результаті чого на виході мікрохвильового генератора отримують частоту, яка дорівнює fmw  Nfro  FIQ  . 3 UA 103421 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4