3.4. Многокольцевые цифровые синтезаторы СВЧ

В предыдущих параграфах данной главы было показано, что главные параметры цифрового синтезатора: коэффициенты гармоничности колебаний, шумовые характеристики и время перестройки зависят от полосы пропускания и коэффициента передачи кольца ЦФАПЧ. При этом существующее для всех систем ФАПЧ противоречие между увеличением коэффициентов гармоничности колебаний (полосу пропускания кольца нужно сужать) улучшением шумовых характеристик, а также уменьшением времени установления синхронизма (полосу пропускания кольца нужно увеличивать) в кольце цифровой ФАПЧ особенно существенно из-за довольно низкой частоты сравнения в фазовом дискриминаторе, равной β₀/с и, следовательно, невозможности оптимального выбора как полосы пропускания кольца, так и минимальной частоты помехи, создающей побочные составляющие. Здесь нужно отметить, что АЧХ кольца с ФД типа "выборка - запоминание", изображенная на рис. 3.4, относится к идеальному дискриминатору. Реальный же ФД из-за наличия паразитных связей и неидеального "запоминания" имеет АЧХ, подобную изображенной, но без столь ярко выраженных нулей.

В пределах структурной схемы рис. 3.1б с уменьшением шага дискретности β₀ и с увеличением коэффициента деления ДФКД указанное противоречие возрастает и при определенном сочетании параметров превращается в неразрешимое. В этом случае приходится отказываться от однокольцевой системы и переходить к двухкольцевой. Если двухкольцевую систему построить так, чтобы выходное кольцо было широкополосным и определяло шумовые характеристики синтезатора, а второе кольцо - узкополосным и подавляло в необходимой степени помехи, обусловленные частотой β₀, то указанное противоречие можно в значительной степени преодолеть.

На рис. 3.5 представлена структурная схема варианта двухкольцевого цифрового синтезатора СВЧ. Заметим, что подавляющее большинство опубликованных и предложенных в патентах СВЧ систем ДКСЧ с ЦФАПЧ строится по двух- и трехкольцевым схемам. Однако это совершенно не обязательно и, как будет показано в последующих главах, в целом ряде случаев система рис. 3.1б, как простейшая на СВЧ, может с успехом применяться.

Рис. 3.5. Структурная схема двухкольцевого цифрового синтезатора СВЧ

Как видно из рис. 3.5, старшая (выходная) декада является обычной декадой с аналоговой ФАПЧ, такой же, как в многодекадной системе ДКСЧ, а младшая - кольцом ЦФАПЧ с гетеродинированием и ДФКД. При этом, во-первых, гетеродинирование может осуществляться не сеткой опорных частот, а лишь одной частотой f'_q (при условии, что f'_пр1 > β₂, где β₂ - шаг дискретности опорных частот старшей декады), во-вторых, при достаточно низких выходных частотах младшей "декады" гетеродинирование в ней либо ДФКД могут отсутствовать (в некоторых случаях младшая "декада" может быть простейшим устройством с ЦФАПЧ, т. е. и без гетеродинирования, и без ДФКД). В подробном описании принцип работы этой системы не нуждается, так как налицо не что иное, как активный многодекадный синтезатор, у которого предвыходнаая и все младшие декады заменены кольцом ЦФАПЧ.

В этой системе противоречие между повышением коэффициентов гармоничности и улучшением шумовых характеристик разрешается следующим образом. Кольцо ФАПЧ выходной декады имеет широкую полосу пропускания, обеспечивающую хорошие шумовые характеристики (практически полную компенсацию собственных шумов ГУН₂). Побочные составляющие, как и в многодекадной системе, отстоят настолько далеко от несущей, что подавление их до необходимой степени не является сложной задачей.

В кольце ЦФАПЧ действуют те же соотношения, что и в простой системе ЦФАПЧ СВЧ диапазона (рис. 3.1а). Однако в отличие от последней в этом кольце требуется, в первую очередь, обеспечить необходимый коэффициент гармоничности колебаний частоты f_I, так как старшей декадой побочные составляющие, отстоящие на ±nf'_{q пр2} от несущей, практически не подавляются. Что же касается компенсации собственных шумов ГУН₁, то поскольку f_I примерно на порядок меньше f₀, эти шумы не оказывают существенного влияния на шумовые характеристики синтезатора и, следовательно, вопрос их подавления не столько критичен - достаточна лишь их частичная компенсация (в § 8.3 это рассматривается на конкретном примере). Таким образом, изображенный на рис. 3.5 двухкольцевой синтезатор СВЧ (ФАПЧ-ЦФАПЧ) в большинстве случаев практики может обеспечить оптимальные характеристики.

Если некомпенсированные шумы ГУН₁, перенесенные на выходные колебания синтезатора, окажутся все же слишком большими, система может быть построена трехкольцевой (ФАПЧ-ФАПЧ-ЦФАПЧ) и т. д. Однако в системах СВЧ диапазона число фиксированных частот α₀ редко превосходит тысячу, следовательно, целесообразность построения трехкольцевой и более системы с ЦФАПЧ вызывает сомнение (при отсутствии выигрыша в габаритно-весовых характеристиках и надежности по сравнению с трехдекадным активным синтезатором с аналоговыми кольцами ФАПЧ система лишь проигрывает в электрических параметрах и времени перестройки).

Выше было отмечено, что быстродействие цифрового синтезатора ограничивается узкополосностью кольца ЦФАПЧ, которая, в свою очередь, зависит от значения опорной частоты, поступающей на фазовый дискриминатор f_{q пр}. Поскольку в двух- и более кольцевом цифровом синтезаторе, как и в однокольцевом, опорная частота младшего кольца определяется шагом дискретности выходных частот, суммарное быстродействие синтезатора может быть выше, чем у однокольцевого только в том случае, если в кольце младшего разряда отсутствует ДФКД. Однако и при этом следует помнить, что, во-первых, время вхождения в синхронизм колец аналоговой ФАПЧ отлично от нуля и, во-вторых, настройка и вхождение в синхронизм в многокольцевых системах осуществляется последовательно от младших разрядов к старшим. Следовательно, получить заметный выигрыш во времени установления синхронизма и времени перестройки в системе при увеличении числа колец в последней практически невозможно.

Таким образом, можно прийти к следующим выводам. Во-первых, строить цифровой синтезатор СВЧ более чем двухкольцевым нецелесообразно. Во-вторых, если необходимое быстродействие применением двухкольцевой системы ФАПЧ-ЦФАПЧ получить не удается, необходимо отказаться от цифрового синтезатора и применить синтезатор другого типа (в первую очередь, активный многодекадный синтезатор).

Для системы рис. 3.5 можно записать:

Решив совместно ур-ния (3.34)-(3.37), получим

Но

Тогда из (3.38) и (3.39) имеем