1.10. Метод с цифровыми ФАПЧ и ЧФАПЧ

Синтезаторы с цифровой ФАПЧ (ЦФАПЧ) впервые были предложены еще во второй половине 40-х годов. Однако поскольку в то время все устройства были ламповыми, что лишало эти системы главного достоинства - малогабаритности, - развития они тогда не получили. В 60-х годах благодаря широкой транзисторизации схем ЦФАПЧ стала бурно внедряться в системы ДКСЧ коротких и метровых волн [12], [32], [87], [101]-[108]. Наиболее широкое применение ЦФАПЧ получила в конце 60-х годов в связи с появлением цифровых интегральных микросхем, что обеспечило резкое снижение габаритов и массы синтезаторов.

Следует указать, что существуют и системы цифровой частотно-фазовой автоподстройки частоты (ЦЧФАПЧ), по выполняемым задачам аналогичные известным системам ЧФАПЧ: грубая автоподстройка частоты производится системой ЦЧАП, а точная синхронизация - системой ЦФАПЧ [14], [45], [109]-[115].

Поскольку частотная автоподстройка в системе ЦЧФАПЧ является вспомогательной, рассмотрим простейшую структурную схему системы ЦФАПЧ, широко применяемую в устройствах ДКСЧ среднего качества (рис. 1.12а). В цепь обратной связи кольца ФАПЧ включен делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД счетчикового типа. Этот делитель делит частоту ГУН таким образом, чтобы при каждой настройке последнего на выходе ДПКД частота была постоянной и равной f_{q фД}, подаваемой на фазовый дискриминатор также и с ГКО. Для этого ДПКД, как и ГУН, должен иметь α₀ настроек, а его коэффициент деления должен регулироваться в пределах

Рис. 1.12. Структурные схемы системы ДКСЧ: а) с простой цифровой ФАПЧ; б) с ДФКД в кольце ЦФАПЧ; в) с гетеродинированием в кольце ЦФАПЧ

Опорная частота, подаваемая на фазовый дискриминатор, не может быть выбрана произвольно. Действительно, при перестройке ГУН на соседнюю частоту

коэффициент деления ДПКД должен быть изменен на единицу

Решив совместно (1.15) и (1.16), получим

а так как полоса пропускания кольца ФАПЧ должна быть меньше f_qфД, то из (1.17) вытекает один из самых серьезных недостатков системы ЦФАПЧ: частота f_qФд и, следовательно, ширина полосы пропускания системы зависит не от частоты ГУН f₀, а от шага дискретности этой частоты β₀.

Устройства с ЦФАПЧ также просты, малогабаритны, надежны, как и системы ЦЧАП. Кроме того, они свободны от двух основных недостатков последних и поэтому, безусловно, более перспективны. В стационарном режиме частоты ГУН (f₀) и ГКО (f_q0) находятся точно в кратном отношении. Поэтому возникновение квазинулевых биений невозможно - коэффициент гармоничности колебаний одинаков на всех частотах. Так как система ФАПЧ является относительно частоты астатической системой авторегулирования первого порядка, погрешность выходной частоты равна погрешности частоты ГКО, т. е. может быть достаточно малой.

Заметим, что, кроме отмеченных, большим достоинством устройства рис. 1.12а является возможность его реализации практически полностью на интегральных микросхемах без применения индуктивных элементов [114].

Вернемся к выражению (1.17). При необходимости иметь большое число фиксированных частот в заданном рабочем диапазоне шаг дискретности β₀, а с ним и частота f_qФД должны уменьшаться. В пределе при вне зависимости от значений f₀. Так как полоса пропускания кольца ЦФАПЧ, определяемая, в первую очередь, полосой пропускания ФНЧ, должна быть значительно меньше f_qФД, такая система весьма инерционна и не отрабатывает быстрые флуктуации частоты ГУН. Другими словами, ее шумовые характеристики определяются не шумовыми характеристиками ГКО, которыми легко управлять, как в широкополосной системе, а шумовыми характеристиками "свободного" ГУН, управлять которыми, как известно, чрезвычайно трудно.

Кроме этого, отметим и другую особенность системы. При любой схеме ДПКД сравнение частот и фаз в фазовом дискриминаторе происходит не непрерывно, как в аналоговой системе ФАПЧ, а дискретно с частотой f_qФД =f₀/ν, т. е. при большом значении ν быстрые флуктуации частоты ГУН и по этой причине не будут компенсироваться системой. Таким образом, даже ценой ухудшения фильтрующих способностей системы за счет уменьшения постоянной времени ФНЧ, при большом коэффициенте деления ДПКД сделать эту систему "быстрой" не удается.

Следует считаться еще с двумя особенностями описываемой системы. Во-первых, из-за конечности и нестабильности длительностей фронтов и спадов импульсов формирователя и триггеров ДПКД фаза фронта выходного импульса непрерывно меняется, что эквивалентно внесению дополнительного фазового шума в кольцо ЦФАПЧ. Во-вторых, из-за различного рода помех как внутрисистемных, так и внешних (наводки, броски напряжения сети и др.), коэффициент деления ДПКД, особенно его первой декады, может сбиваться. Последнее еще исследовано недостаточно, но и сейчас уже ясно, что помехозащищенность цифровой системы должна быть намного выше, чем аналоговой.

До сих пор свойства системы ДКСЧ с ЦФАПЧ рассматривались так, как если бы быстродействие ДПКД было неограниченным. В действительности же быстродействие серийноспособных схем ДПКД в настоящее время ограничивается частотами 40-50 МГц, что достаточно лишь для устройств диапазонов КВ и более длинных волн. В устройствах более коротких волн, например, метрового диапазона, нередко между ГУН и ДПКД включают делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления ДФКД [8], [102], [104], [105], [110], [111], [112], [116]-[118], быстродействие которого достигает 300-500 МГц (см. рис. 1.12б).

Обозначим коэффициент деления ДФКД через с. Для определения количественных изменений в системе можно представить, что теперь на входе ДПКД действует эквивалентный генератор с частотами f'₀ = f₀/c, шагом дискретности и числом частот α₀. В соответствии с (1.17) частоты входных колебаний фазового дискриминатора определяются как

(1.18)

Коэффициенты деления ДПКД не изменятся:

Триггерный шум и вероятность сбоев коэффициента деления увеличились.

Таким образом, введение в схему ДФКД в с раз повысило диапазон частот устройства, но во столько же раз сузило его полосу пропускания со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями. Следует отметить, что так как ДФКД представляет транзисторную счетную схему, габариты устройства остались малыми.

Другим путем повышения диапазона частот устройства ДКСЧ с применением ЦФАПЧ является гетеродинирование частоты f₀ вниз [110], [115], [117], [119]-[121]. Если принять, например, f_{0 макс} = 300 МГц (диапазон МВ), быстродействие ДПКД f_{ДП макс} = 30 МГц, то можно изобразить структурную схему устройства с гетеродинированием, как показано на рис. 1.12в. Работа этой системы специальных пояснений не требует. Следует отметить только, что, во-первых, ширина диапазона частот ГУН не может быть больше быстродействия ДПКД (в данном примере больше 30 МГц) и, во-вторых, чтобы генератор опорной частоты 270 МГц (ГОЧ-270) не получился чрезвычайно сложным устройством, частоту ГКО необходимо увеличивать, что влечет за собой введение в схему ДФКД - делителя частоты колебаний ГКО. Коэффициенты деления ДПКД в этой схеме

Равенство (1.17) справедливо и для этой схемы.

Сравнивая системы рис. 1.12б и рис. 1.12в, можно сделать следующие выводы:

- электрические характеристики схемы рис. 1.12в значительно лучше - они соответствуют характеристикам схемы рис. 1.12а, хотя схема рис. 1.12в практически на порядок более высокочастотна;

- габариты устройства заметно возросли, а надежность его ухудшилась.

Следует отметить, что для повышения быстродействия и улучшения шумовых характеристик устройств с ЦФАПЧ при больших коэффициентах деления ДПКД (даже при отсутствии ДФКД) систему ДКСЧ выполняют двухкольцевой (например, [116], [120], [122]) и даже трехкольцевой ([15], [123], [124]) в различных вариантах включения колец аналоговой и цифровой ФАПЧ. Наиболее удачная комбинация выглядит следующим образом: выходная часть устройства содержит широкополосное кольцо аналоговой ФАПЧ, а второе и третье кольца строятся на базе ЦФАПЧ. Таким образом, ценой усложнения устройства и увеличения его габаритов шумовые характеристики системы удается сделать хорошими, свойственными аналоговой системе ФАПЧ.

Отметим также и другие свойства синтезаторов с ЦФАПЧ и ЦЧФАПЧ.

1. Достоверность частоты такая же, как в нецифровых системах с ФАПЧ. В этом плане критерием сравнения является число ГУН в системе.

2. Шаг дискретности частот не может быть выполнен сколь угодно малым, если не рассматривать двух и более кольцевых систем.

3. Сложность автоматической перестройки и дистанционного управления оказывается такого же порядка, как и у подобных (по числу колец АПЧ) синтезаторов с аналоговой ФАПЧ.

4. Из-за большой инерционности кольца ЦФАПЧ время смены рабочей частоты значительно больше, чем у подобных систем с аналоговой ФАПЧ.

Благодаря хорошим эксплуатационным характеристикам синтезаторы с ЦФАПЧ и ЦЧФАПЧ целесообразно применять во всех диапазонах частот. Для применения на СВЧ эти системы приходится усложнять так, как показано выше.