Разработка и исследование цифровых синтезаторов частот с частотно-модулированными управляемым и опорным генераторами

Актуальность темы

В современных радиотехнических устройствах передачи информации, в частности, в системах подвижной УКВрадиосвязи для формирования ЧМ — сигналов в передатчиках широко используются частотно-модулированные цифровые синтезаторы частот (ЧМЦСЧ), построенные на основе однокольцевой системы им-пульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) в цепи обратной связи. Применение ЧМЦСЧ в качестве частотно-модулированного возбудителя передатчика, т. е., по существу, маломощного ЧМ — передатчика, позволяет достигать высоких качественных показателей систем УКВ — радиосвязи благодаря когерентности частот выходного сигнала передатчика частоте высокостабильного опорного кварцевого генератора (ОКГ), компактности ЧМ — возбудителя, малого энергопотребления от автономных источников, а также достаточно высокой спектральной чистоты выходного сигнала передатчика, что особенно важно в условиях ухудшения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосредств при их значительном количестве на ограниченной территории.

Одним из простых и наиболее распространенных методов осуществления частотной модуляции в однокольцевых ЦСЧ является использование управляемого генератора (УГ) в режиме частотной модуляции информационным сигналом. Такой метод в литературе называется прямым одноточечным методом частотной модуляции (ЧМ1), в отличие от косвенных одноточечных методов частотной модуляции в опорном канале (ЧМ2) или в цепи обратной связи (ЧМЗ). Однако при одноточечных методах невозможно добиться равномерной АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот, сохраняя при этом либо высокое быстродействие, либо малый уровень ПЧМ с частотами, кратными частоте сравнения импульсно-фазового детектора (ИФД) синтезатора.

Использование метода ЧМ12 позволяет получить равномерную АЧМХ при высоком быстродействии. Однако этот метод предполагает, во-первых включение импульсно-фазового модулятора (ИФМ) в опорный канал после делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), во-вторых интегрирование модулирующего сигнала интегратором (ИНТ) перед подачей его на модулирующий вход ИФМ. Эти два фактора делают метод ЧМ12 практически невыполнимым. Осуществить включение ИФМ после ДФКД не представляется возможным, так как современные ЦСЧ, включающие ДФКД, ИФД и ДПКД, выполняются в виде микросхемы с двумя входами и одним выход.

Осуществить идеальное интегрирование модулирующего сигнала в области нижних модулирующих частот, приближающихся к нулю, весьма затруднительно.

Наконец введение двух дополнительных узлов, таких, как ИФМ и ИНТ, усложняет схему.

Поэтому поиск новых путей получения равномерной АЧМХ с сохранением высокого быстродействия синтезатора при сравнительной простоте схемы ЧМЦСЧ и использования метода ЧМ12 является актуальной задачей.

Одним из путей осуществления метода ЧМ12, который предполагает исключение из схемы ИФМ и ИНТ, является осуществление частотной модуляции одновременно в УГ и ОКГ, при этом необходимо подчеркнуть, что различные варианты построения схем частотно-модулированных УГ и ОКГ обладают своими отличительными свойствами, которые в литературе не изучены, но изучение которых позволило бы использовать их при разработке аппаратуры в рамках поставленных технических задач на проектирование.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование свойств различных вариантов построения однокольцевых цифровых синтезаторов частот с частотно-модулированными управляемым и опорным генераторами.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: разработка вариантов построения структурных схем ЧМЦСЧ частотно-модулированными УГ и ОКГ с компенсацией и автокомпенсацией частотных искаженийпостроение эквивалентных схем различных вариантов предложенных структурных схем ЧМЦСЧполучение основных соотношений ЧМЦСЧ с частотно-модулированными УГ и ОКГтеоретический анализ разработанных схемных решенийразработка схемотехнических решений узлов синтезаторов с час-'ф тотно-модулированными УГ и ОКГэкспериментальная проверка результатов теоретического исследования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории автоматического управления, методы теории устойчивости, методы математического анализа радиотехнических цепей, в частности операторный метод Лапласа, методы схемотехнического макетирования и экспериментального исследования, а также численные методы расчета характеристик с использованием прикладной программы «MathCad».

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

1. Разработаны структурные схемы ЧМЦСЧ с частотно-модулированными УГ и ОКГ с компенсацией и автокомпенсацией час-(Ш тотных искажений.

2. Составлены линеаризованные эквивалентные схемы предложенных вариантов ЧМЦСЧ, отражающие процесс формирования ЧМсигнала в синтезаторах, получены передаточные модуляционные функции и исследованы АЧМХ синтезаторов.

3. Составлены линеаризованные эквивалентные схемы предложенных вариантов ЧМЦСЧ, отражающие реакцию системы ИФАПЧ на ПЧМ ОКГ, являющуюся следствием дестабилизирующих факторов, получены передаточные функции и исследованы АЧХ системы ИФАПЧ.

4. Проведено схемотехническое макетирование узлов синтезаторов и экспериментальная проверка результатов теоретического исследования.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что результаты теоретических исследований позволяют разработчикам, во-первых, производить расчет ха-% рактеристик проектируемых ЧМЦСЧ по полученным конкретным выражениям частотных характеристик, во-вторых практически использовать результаты расчета указанных характеристик для заданных параметров различных вариантов схем ЧМЦСЧ с частотно-модулированными УГ и ОКГ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в НИР и внедрены в ОКР по проектированию и разработке синтезаторов для систем подвижной радиосвязи в Воронежском НИИ «Вега» и на Воронежском заводе «Сигнал». Кроме того, результаты работы внедрены в учебный процесс в Воронежском институте МВД России.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях «Борьба с преступностью» (Воронеж, 2003, 2004 г.г.) — на IV Всероссийской научно-практической конференции «Охрана, безопасность и связь» (Воронеж, 2003 г.- на научных се* минарах кафедры радиотехнических систем Воронежского института МВД России, 2003, 2004, 2005 г.г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, включающих пять статей, четыре работы, опубликованные в материалах Всероссийских научно-практических конференций, два патента на полезные модели.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82-х наименований и приложения, изложена на 143 страницах машинописного текста, в котором приведены 65 рисунков и 16 таблиц.

4.3 Выводы.

1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по проверке спектральных, динамических и модуляционных характеристик макета ЧМЦСЧ с двухточечной и одноточечной ЧМ, а также по проверке эффективности введения схем автокомпенсации. Согласно этой методики на первой стадии экспериментальных исследований без введения ЧМ были измерены среднеквадратические значения уровня паразитной частотной модуляции (ПЧМ) и уровни побочных составляющих в спектре выходного сигнала синтезатора, которые соответствуют заданным требованиям.

2. На второй стадии экспериментальных исследований измерялись модуляционные характеристики ЧМЦСЧ при разных методах введения ЧМ (ЧМ1, ЧМ2 и ЧМ12) в диапазонах несущих и модулирующих частот. Показано, что при двухточечной ЧМ12 в УГ и УОКГ возможно получение ровной АЧМХ в широком диапазоне модулирующих частот.

3. Проведена экспериментальная проверка влияния введенного устройства автокомпенсации на частотные искажения ЧМЦСЧ при ЧМ1. Показано, что с введением цепи автокомпенсации АЧМХ синтезатора выравнивается и диапазон модулирующих частот расширяется в сторону низких частот.

4. С одновременным использованием метода ЧМ12 и введением цепи автокомпенсации АЧМХ синтезатора остаётся практически такой же, как и при модуляции по методу ЧМ12.

5. Экспериментальные исследования АЧХ системы ИФАПЧ, когда модулирующий сигнал вводился в УОКГ через первый вход сумматора, а на второй вход поступал сигнал автокомпенсации через скорректированный инвертирующий дифференциатор с выхода ФНЧ, показали, что в зависимости от коэффициента усиления сигнала автокомпенсации происходит различное подавление модулирующего сигнала от УОКГ. Это можно трактовать, как возможность с помощью цепи автокомпенсации значительно подавлять помехи по опорному каналу без введения модуляции, т. е. улучшать спектральные характеристики синтезатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, можно сделать ряд наиболее общих выводов.

1. Наряду с известными схемами ЧМЦСЧ с двухточечной модуляцией, предлагающими включение дополнительных фазовых модуляторов в опорный канал, получение равномерной АЧМХ синтезаторов в широкой полосе модулирующих частот возможно осуществить схемами ЧМЦСЧ с двухточечной модуляцией, в которых используются одновременно частотно-модулированные УГ и ОКГ, при этом схемы ЧМЦСЧ упрощаются, так как в них отсутствуют два очень важных и сложных устройства — фазовых модулятор и интегратор.

2. Использование в предложенных схемах ЦСЧ частотно-модулированных УГ и ОКГ позволяет успешно реализовать компенсационный и автокомпенсационный методы коррекции АЧМХ, при этом применение одновременно этих двух методов коррекции АЧМХ позволяет оптимальным образом формировать равномерную АЧМХ в диапазоне модулирующих частот при цифровом модулирующем сигнале.

3. Метод автоматической коррекции АЧМХ позволяет успешно ослаблять ПЧМ синтезаторов, являющуюся следствием воздействия дестабилизирующих факторов на ОКГ, так как при этом сужается полоса пропускания системы ИФАПЧ для данного вида помех и в то же время не изменяется полоса синхронизма системы ИФАПЧ.

4. Теоретические исследования АЧМХ синтезаторов, а также АЧХ системы ИФАПЧ, проведенные на основе использования операторного метода Лапласа, показали, что схемы с комбинированной регулировкой являются наиболее эффективными с точки зрения независимости форм этих характеристик при изменении параметров узлов синтезаторов.

5. Схемотехническое макетирование узлов предложенных схем ЧМЦСЧ показало возможность их практической реализации без значительного ухудшения массогабаритных и стоимостных показателей синтезаторов.

6. Экспериментальное исследование частотных характеристик подтвердило правильность теоретических результатов по расчету этих характеристик, тем самым доказало правомочность как предложенных схемотехнических решений, так и использование теоретических методов исследования.

7. Научно-технические результаты диссертационной работы использованы как в НИР и ОКР проектных организаций, так и в учебном процессе Воронежского института МВД России на кафедре радиотехнических систем в курсе «Устройства генерирования и формирования сигналов».