Тандемные синтезаторы частот с двухточечной угловой модуляцией и дополнительным каналом автокомпенсации частотных искажений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

О.В. Чёткин, Н.С. Хохлов,

ФГУ ЦИТО УФСИН России доктор технических наук, профессор

по Воронежской области

ТАНДЕМНЫЕ СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТ С ДВУХТОЧЕЧНОЙ

УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ АВТОКОМПЕНСАЦИИ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ

TANDEM SYNTHESIZERS OF FREQUENCIES WITH POINT-TO-POINT ANGULAR MODULATION AND ADDITIONAL CHANNEL OF AUTO COMPENSATION OF FREQUENCY DISTORTIONS

Рассмотрен метод формирования равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики в тандемном синтезаторе частот с использованием двухточечной угловой модуляции и дополнительного канала автокомпенсации частотных искажений. Описана структурная схема синтезатора, получены передаточные модуляционные функции и проведён анализ амплитудно-частотных модуляционных характеристик в зависимости от параметров узлов синтезатора.

The method of forming a steady frequency-amplitude modulation parameter in a tandem synthesizer of frequencies with the use of point-to-point angular modulation and additional channel of auto compensation of frequency distortions is considered. The synthesizer block diagram is described, transfer modulation functions are receiv ed and frequency-amplitude modulation functions analysis depending on parameters of a synthesizer node is carried out.

В настоящее время в качестве диапазонных частотно-модулированных возбудителей передатчиков систем подвижной радиосвязи наряду с однокольцевыми частотно-модулированными цифровыми синтезаторами частот (ЧМЦСЧ) используются двухкольцевые ЧМЦСЧ, включённые по тандемной схеме, т.е. с последовательным включением двух колец импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). В тандемном ЧМЦСЧ первое кольцо ИФАПЧ1 формирует опорный ЧМ-сигнал для второго кольца ИФАПЧ2 с постоянной средней частотой (порядка 80 МГц). В этом случае частотная модуляция второго кольца осуществляется методом ЧМ2. Второе кольцо ИФАПЧ2 с заданным шагом сетки формирует выходной ЧМ-сигнал синтезатора в диапазоне более высоких частот, как правило в диапазоне УВЧ. Применение во втором кольце ИФАПЧ2 дробного делителя частоты с переменным коэффициентом деления позволяет увеличить частоту сравнения частотно- фазового детектора второго кольца ИФАПЧ2 при малом шаге сетки, что позволяет повысить скорость переключения рабочих частот.

В то же время в тандемном ЧМЦСЧ для ослабления частотных искажений в области нижних модулирующих частот при формировании ЧМ-сигнала в первом

кольце ИФАПЧ1 полосу пропускания фильтра нижних частот этого кольца при модуляции управляемого генератора первого кольца ИФАПЧ1 методом ЧМ1 приходится выбирать узкой, что снижает быстродействие этого кольца.

В [1,2] приведена и описана схема тандемного ЧМЦСЧ, в которой в первом кольце ИФАПЧ1 введена дополнительная цепь автокомпенсации частотных искажений в области нижних модулирующих частот, при этом используется модуляция методом ЧМ1АК. Однако полностью избавиться от искажений эта цепь не позволяет, так как регулирование происходит по фазе.

Цель работы — исследование возможности формирования равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики (АЧМХ) как в области нижних, так и в области верхних модулирующих частот при сохранении высокого быстродействия синтезатора в целом.

Исследования показывают, что равномерную АЧМХ в области нижних модулирующих частот можно сформировать при использовании в первом кольце ИФАПЧ1 двухточечной угловой модуляции как управляемого генератора, так и косвенной частотной модуляции импульсно-фазового модулятора в опорном канале методом ЧМ12 совместно с использованием дополнительного канала автокомпенсации частотных искажений. В этом случае в первом кольце ИФАПЧ1 осуществляется частотная модуляция методом ЧМ12АК.

Девиация частоты на выходе импульсно-фазового модулятора должна быть в N1/R1 раз меньше, чем на выходе управляемого генератора первого кольца ИФАПЧ1, где N1 и R1 — соответственно коэффициенты деления частоты делителей с переменным и фиксированным коэффициентом деления первого кольца ИФАПЧ1.

Это уменьшение девиации частоты достигается с помощью аттенюатора при заданной крутизне модуляционной характеристики импульсно-фазового модулятора.

Структурная схема тандемного ЧМЦСЧ с двухточечной частотной модуляцией и дополнительным каналом автокомпенсации частотных искажений в первом кольце ИФАПЧ1 методом ЧМ12 АК, а также с частотной модуляцией методом ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ2 изображена на рис. 1 [3].

На этом рисунке приняты следующие обозначения: УГ1 и УГ2 — управляемые генераторы первого и второго колец ИФАПЧ; ОГ — опорный кварцевый генератор; ФНЧ1 и ФНЧ2 — фильтры нижних частот первого и второго колец ИФАПЧ; ИМС — источник модулирующего сигнала; С — линейный сумматор; РУ — регулируемый усилитель; ИФМ — импульсно-фазовый модулятор; АТ — аттенюатор; ИНТ — интегратор; ИНВ — инвертор; УПТ — усилитель постоянного тока; ДФКД1, ДФКД2 — делители частоты с фиксированными коэффициентами деления первого и второго колец ИФАПЧ; ДПКД1 — делитель частоты с переменным коэффициентом деления первого кольца ИФАПЧ1; ДДПКД2 — дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления второго кольца ИФАПЧ2; ЧФД1 и ЧФД2 — частотно-фазовые детекторы первого и второго колец ИФАПЧ; БУЧ — блок установки частоты; ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь.

УПТ

ОГ

ИНВ

ФНЧ1

4 ИНТ А АТ

С ч

3 г—.

ИФ

ДФКД1

ЧФД1

БУЧ

ДПКД1

ИМС

УГ1

и

М

(і)

А/і(;)

ДФКД 2

ЧФД 2

ЦА

=У

А/2(і)

ДДПКД2

УГ 2

ФНЧ 2

Рис. 1. Структурная схема тандемного ЧМЦСЧ с двухточечной частотной модуляцией и дополнительным каналом автокомпенсации частотных искажений

Анализируя структурную схему тандемного ЧМЦСЧ, можно констатировать, что его следует рассматривать как устройство, преобразующее мгновенное значение модулирующего напряжения и М (?) в мгновенную девиацию частоты Л/2(?) на выходе.

Воспользовавшись операторным методом Лапласа, составим эквивалентную операторную схему этого устройства, на основании которой получим передаточную модуляционную функцию (ПМФ) как отношение операторного изображения девиации частоты А/2(р) к операторному изображению модулирующего сигнала им ( Р )-нормированную на крутизну модуляционной характеристики УГ1:

1 (1)

^Н (р) - Р Т1ТН1 + рТ1(1 + ^Р2 ) + ^Р1

Р Т1ТН1 + рТ1(1 + NР2 ) + 1 Р Т2ТН2 + рТ2 + 1 Т2 — постоянные времени колец ИФАПЧ; ТН1, ТН2 — постоянные времени ФНЧ1 и ФНЧ2;

N1 1

АО

Щ1 2р ОЕ ЯІОА 1

— коэффициент регулирования цепи компенсации

частотных искажений по возмущению при двухточечной угловой модуляции; кАТ — коэффициент передачи АТ; ТИ — постоянная времени интегратора; $ИМ — крутизна

модуляционной

характеристики

характеристики ИФМ; УГ1. Очевидно, при

V ___

°МУГ1

АО

N 1

крутизна

ЯІОА 1

модуляционной

коэффициент

ЕІ

регулирования NР1 -1.

N

1

02

к — 1 — коэффициент регулирования цепи автокомпенсации

А

частотных искажений с регулировкой по отклонению; к — коэффициент усиления

УПТ; — крутизна детекторной характеристики ЧФД1. Остальные обозначения

были введены ранее.

Очевидно, что при заданных значениях Я1, 8ИМ и ЯД1 коэффициент

регулирования можно изменять, изменяя коэффициент усиления к УПТ. Чем больше значение NР2, тем более эффективно работает цепь автокомпенсации частотных искажений с регулировкой по отклонению.

Из выражения (1 ) видно, что режим частотной модуляции устойчивый, так как в характеристическом уравнении по Гурвицу все коэффициенты положительны.

В общем случае предложенная схема тандемного ЧМЦСЧ может работать в широком диапазоне частот ОВЧ и УВЧ диапазонов. Однако, поскольку нас интересует режим частотной модуляции в зависимости от NР1 и NР2, а также от ТН1 и ТН 2,

зафиксируем постоянные времени Т1 - 5 • 10-3 с, Т2 - 2 • 10-6 с, а также частоты модуляции ¥Н ...ГВ — (1 •101...1 -104)Гц .

Заменив в выражении (1) р на Ю., получим нормированную комплексную частотную модуляционную характеристику (КЧМХ):

*■/ (,а)- ^ -?2тт 1 +1ат1( 1+NР2)------------_!-----------. (2)

1 - .2Г1Г/ 1 + і. Т1( 1 + NP2 ) 1 - .2Т2Т/ 2 + і.Т2 Разделяя КЧМХ (2) на действительную и мнимую составляющие и находя модуль (2), получим расчётную формулу АЧМХ синтезатора, использующего метод ЧМ12АК в первом кольце ИФАПЧ и метод ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ.

А/ (^ -

(Npl - 4р2^2Т|Т/ , ;2 + 4р2^2Т,2( 1 + Npl )2_____________(3)

(1 - 4р2^2Т1Т/ 1 )2 + 4р2^2Т12( 1 + NP1 )2[(1-4р2^2О2О/ 2)2 + 4р2^2О22]

Проведём анализ АМ (^) в зависимости от NР1 и NР2 при постоянных значениях ТН1 = 0,16 • 10-3 с (ЕСР1 = 1кГц ), ТН2 = 0,16 10 -5 с (ЕСР2 = 100кГц).

На рис. 2,а приведён график АЧМХ при NР1 = NP2 = 0, т.е. при отсутствии цепей компенсации, на рис. 2,б — при N Р2 = 0, N Р1 = 0,8, на рис. 2,в — при N Р1 = 0, NР 2 = 10 и на рис. 2,г — при NР1 = 0,8, NР 2 = 10.

Из графика на рис. 2, а видно, что в синтезаторе с частотно-модулированным УГ1 при NРl = NP2 = 0 имеют место существенные частотные искажения в области нижних модулирующих частот как в полосе пропускания ФНЧ1, так и за её пределами.

Введение цепи компенсации частотных искажений с регулировкой по возмущению ослабляет эти частотные искажения, однако в этой схеме уровень частотных искажений определяется точностью установки коэффициента регулирования NРl = 1.

Как видно из рис. 2,б, даже 20%-ная неточность установки NРl = 1 приводит к существенным частотным искажениям.

Введение цепи автокомпенсации частотных искажений с регулировкой по отклонению даже при NР1 = 0 корректирует форму АЧМХ, однако, как следует из рис. 2,в, при этом невозможно ослабить частотные искажения на низких модулирующих частотах, так как регулирование в этой схеме происходит не по частоте, а по фазе.

М ( Р) 0.5

7

/

1.5

АН (Р)

1 10 1 00 1-103 1-104 1-105

Р, Гц

0.5

3 4 5

1 10 100 1 10 1 10 1 10

Р, Гц

1.5

г( Р )

0.5

/

1 10 100 1-103 1-104 1-105 Р, Гц

Р , Гц г

Рис. 2. Графики АЧМХ

1

1

0

б

а

0

в

Как следует из рис. 2,г, совместное использование цепей компенсации частотных искажений по возмущению и отклонению, т.е. при модуляции методом ЧМ12АК в первом кольце ИФАПЧ и методом ЧМ2 во втором кольце ИФАПЧ сглаживает недостатки обоих методов и подчёркивает их достоинства.

Что касается частотных искажений в области верхних модулирующих частот, то, как следует из рис. 2,а—г, при выборе частоты среза ФНЧ2 много больше Рв , частотные искажения в области верхних модулирующих частот даже при цифровом сигнале, имеющем РВ » 10кГц , практически отсутствуют.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент на ПМ № 62310 РФ, Н 03 С 3/10, Н 03 Ь 7/18. Цифровой синтезатор частот с частотной модуляцией / С.Л. Анисимов, Е.А. Печенин, П.А. Попов. —

№2006143175; Заявл. 07.12.06.; Опубл. 27.03.07. — Бюл. № 9.

2. Курилов И.А. Автоматическая компенсация частотных искажений в двухкольцевых частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот / И. А. Курилов, С.Л. Анисимов // Радиотехника. — 2008. — №9. — С. 91—93.

Патент на ПМ № 71487 РФ, Н 03 С 3/10, Н 03 Ь 7/18. Цифровой синтезатор частот /

О.В. Чёткин, Е.А. Печенин, П.А. Попов, И.П. Усачев. — № 2007139341/22; Заявл. 25.10.07.; Опубл. 10.03.08. — Бюл. № 7.