2.4. Подавление побочных составляющих

Одним из основных требований, предъявляемых к системам ДКСЧ, является обеспечение заданных коэффициентов гармоничности колебаний в рабочем диапазоне частот. Источниками побочных составляющих служат, в принципе, все нелинейные элементы. Однако учет работы всех нелинейных элементов очень усложнит анализ. Поэтому условимся принимать во внимание лишь главные источники: умножители и делители частоты и смесители. Выше было принято, что в многодекадных синтезаторах умножение и деление частоты не производится. В связи с этим требования по подавлению побочных составляющих на выходе МОЧ будут рассмотрены в последующих главах; здесь же предполагается, что все колебания опорных частот имеют необходимые коэффициенты гармоничности.

Итак, в системе имеется несколько ЯФУ, которые можно считать источниками спектров колебаний при довольно случайном распределении амплитуд спектральных составляющих. Если бы это распределение было известно, то можно было составить матрицу n-полюсника и определить спектральную картину на выходе устройства. Однако, во-первых, распределение не известно и, во-вторых, задачей является предъявление требований к каждой ЯФУ с тем, чтобы на выходе синтезатора получить заданные коэффициенты гармоничности.

Решение столь сложной задачи можно упростить, если учесть ряд специфических для данной системы условий, являющихся одновременно и требованиями к ней.

1. Все частоты, действующие в системе, кратны частоте единственного эталона f_q0. Следовательно, при любых амплитудных соотношениях в системе невозможны квазинулевые биения, а минимальное удаление побочной составляющей от полезного колебания не может быть меньше либо f_q0, если f_q0 < β₀, либо β₀, если f_q0 > β₀.

2. Неравномерность амплитуд колебаний сеток опорных частот при декадной системе невелика и ею в первом приближении можно пренебречь. Для этого на выходах МОЧ должны включаться генераторы гармоник, но не модуляторы, у которых указанная неравномерность может достигать нескольких десятков децибел.

3. Реальные фильтры имеют достаточно монотонные характеристики затухания. Поэтому наибольшие амплитуды имеют лишь две побочные составляющие, ближайшие по частоте к полезному колебанию, что дает право характеристики фильтров рассматривать при малых расстройках.

С учетом изложенного рассмотрим требования к ЯФУ с точки зрения подавления побочных составляющих в заданное число раз γ₀. Если при исследовании распределения уровней в системе величины мощностей гетеродинирующих колебаний не оговаривались (они принимались обеспечивающими К_См ≈ -10 дБ), то при анализе подавления побочных составляющих учет уровней этих колебаний обязателен. Здесь возможны два случая: первый - когда на смеситель подаются два колебания с соотношением частот примерно 10:1 (рис. 2.2а) и второй - когда отношение этих частот порядка 10:9 (рис. 2.2б). В первом случае выбор частоты гетеродинирующего колебания более критичен.

Проиллюстрируем критерий выбора гетеродинирующей частоты графически, учитывая, что, во-первых, гетеродинирующее колебание не менее чем на 10 дБ мощнее "сигнального" и, во-вторых, что мощность выходного колебания смесителя равна произведению мощности "сигнала" на коэффициент передачи смесителя. На рис. 2.4а частота гетеродинирующего колебания Р_г ниже частоты "сигнального" Р_с, а на рис. 2.4б - выше. В обоих случаях для примера фильтром после смесителя выделяется колебание нижней боковой частоты Р_бн (на рисунках масштаб по оси ординат для удобства начертания не соблюден). Как видно из приведенных рисунков, в случае f_г > f_с для той же степени фильтрации полезного колебания требуется значительно более узкая полоса фильтрации, т. е. более сложный полосовой фильтр. Поэтому при большом отношении частот колебаний, подаваемых на смеситель, целесообразнее в качестве гетеродинирующего выбирать колебание более низкой частоты (f_г < f_с). При малом отношении частот колебаний, подаваемых на смеситель, работающий на вычитание, гетеродинирующее колебание должно быть более высокочастотным, хотя в этом случае количественные соотношения не столь ярко выражены.

Рис. 2.4. К выбору гетеродинирующего колебания

С указанной точки зрения выбор в § 2.3 для схемы рис. 2.2а ур-ния (2.18) следует считать оптимальным только в том случае, если кроме Р₄ гетеродинирующим колебанием является Р'_q, а не P"_q. Наоборот, для схемы рис. 2.2б выбор ур-ния (2.16) признать удачным нельзя. Однако напомним, что условие (2.16) было выбрано для уменьшения массы и габаритов синтезатора в целом. Отсюда видны те противоречия, которые нужно преодолеть при проектировании системы.

Известно (например, [129]), что применение балансных схем значительно ослабляет гетеродинирующее колебание на выходе смесителя. Практически это отношение может достигать 30-40 дБ [37], но обычно не превышает 25 дБ [130]. Поэтому условимся впредь применять балансные смесители, а схемы будем выбирать на основании рекомендаций § 2.3.

Однако выбор гетеродинирующего колебания более низкочастотным, хотя и облегчает задачу выполнения полосового фильтра после смесителя, но далеко еще не решает ее. Вспомним, например, что на первый смеситель схемы рис. 2.2а с ЯФУ₁ и ЯФУ₂ подаются не чисто гармонические колебания, а сетки частот, из которых одно колебание пропускается фильтром ЯФУ₁ (или ЯФУ₂) с коэффициентом передачи К₁, а остальные им подавляются с коэффициентом передачи К'₁.

Если, как указывалось при описании схемы рис. 2.2а, ЯФУ₄ имеет только десять переключений, то ее полоса пропускания не может быть уже шага дискретности опорных частот с выхода ЯФУ₂. Следовательно, нерабочие колебания с выхода ЯФУ₁, транспонированные в первом смесителе на частоту f"_q, в ЯФУ₄ дополнительно подавлены не будут. Не смогут быть подавлены они и после ЯФУ₄. Поэтому либо в ЯФУ₄ нужно иметь очень узкополосный фильтр, рассчитанный на сто переключений, либо нерабочие колебания сетки f'_q должны быть подавлены в ЯФУ₁ до допустимого значения, определяемого коэффициентом гармоничности γ₀.

Аналогичные результаты можно получить при рассмотрении второго этапа суммирования в звене См₂-ЯФУ₅. При этом следует отметить, что если первые звенья См₁-ЯФУ₄ в схемах рис. 2.2а и б по своим параметрам идентичны, то к звену См₂-ЯФУ₅ схемы рис. 2.2б предъявляются значительно более жесткие требования, чем к такому же звену схемы рис. 2.2а.

Очевидно, что, если в ЯФУ₄ и ЯФУ₅ применять пассивные переключаемые фильтры, более простым окажется метод сосредоточенной фильтрации, при котором побочные составляющие подавляются до заданного уровня γ₀ в местах их возникновения. В этом случае, возвращаясь к обозначениям § 2.3, запишем:

Рассмотрим, какими должны быть фильтры в ЯФУ₁-ЯФУ₃. С учетом малых расстроек уравнение фильтра имеет вид:

где Q_ф - добротность среднего звена фильтра; n_ф - число звеньев.

Из (2.19) имеем

В настоящее время вполне осуществим перестраиваемый фильтр с добротностью среднего звена порядка 200 (в дециметровом диапазоне можно получить Q_ф ≈ 100). При этом его затухание в полосе пропускания будет не более 3 дБ. Выше отмечалось, что среднее значение отношений (П_фа/f)_ср = 0,04, а минимально возможное - (П_фа/f)_мин = 0,02. На основании этих данных на рис. 2.5 построены графики n_{ф макс}(γ) и n_{ф ср}(γ). Как видно из графиков, для подавления побочных составляющих на 70-80 дБ потребуются (в худшем случае) шести-, семизвенные фильтры. В некоторых случаях на это можно пойти. Однако, как правило, такие громоздкие фильтры (особенно дециметрового диапазона) сложны в серийном производстве в основном из-за жестких допусков на изготовление и из-за сопряжения регулировок отдельных звеньев. В возбудителях и гетеродинах следует считать приемлемым двух-, трехзвенные фильтры. Однако при этом не удается обеспечить ослабление побочных составляющих более 25-50 дБ, что в современных условиях, как правило, недостаточно.

Рис. 2.5. График зависимости числа звеньев фильтра от коэффициента гармоничности

Таким образом, вернемся к проблеме тщательной фильтрации в ЯФУ₄ и ЯФУ₅. Рассмотрение, подобное вышеприведенному, показывает, что фильтры этих ячеек даже в схеме рис. 2.2а оказываются значительно сложнее фильтров в ЯФУ₁-ЯФУ₃, так как полосы фильтрации остаются такими же, как в ЯФУ₁, а частоты настроек фильтров возрастают на один и два порядка. Следовательно, решение задачи с ограниченным условием повсеместного применения пассивных фильтров оказывается неудовлетворительным.

Гарантированным решением явилась бы применение в качестве всех ЯФУ компенсаторов или колец ФАПЧ. Однако, как видно из анализа, проведенного в гл. 1, все устройство синтеза частот при этом может получиться неоправданно сложным. Поэтому будем вводить в схему компенсаторы или кольца ФАПЧ только в том случае и там, где это действительно необходимо. Однако прежде сравним компенсатор и кольцо ФАПЧ между собой.