7.4. Вопросы преобразования синтезированных частот

Полученные на выходе синтезатора колебания в некоторых случаях могут подвергаться частотным преобразованиям. Синтезированные частоты могут делиться, умножаться или транспонироваться.

К делению частоты после синтеза обычно прибегают в системах ДКСЧ длинноволнового и реже коротковолнового диапазонов для получения малого шага дискретности выходных частот - основного препятствия, стоящего на пути улучшения основных электрических параметров системы: гармоничности колебаний и шумовых характеристик [89], [П2.18] и др. В СВЧ системах к этому виду частотного преобразования никогда не прибегают, так как более длинноволновую систему выполнить проще, а очень малые значения шага дискретности по специфике работы систем ДКСЧ требуются весьма редко.

Преобразование синтезированных частот транспонированием употребляется значительно чаще. В качестве примера можно сослаться на систему пассивного синтеза в идентичных декадах (рис. 1.2б), на активный синтезатор по структурной схеме рис. 1.7б и т. д.

Однако транспонирование частот в рамках одной системы ДКСЧ не следует относить к отдельной, обособленной от синтеза операции. Действительно, любое транспонирование частоты всегда производится при помощи одной или нескольких опорных кварцованных частот, что является нормальной функцией любого синтезатора, причем, если после смесителя, при помощи которого производится транспонирование, включены пассивный фильтр с усилителем, то выходной ячейкой синтезатор является пассивная ЯФУ, а если кольцо ФАПЧ - то ЯФУ активная.

К умножению частоты после синтеза прибегали в СВЧ системах старых типов [89], [123], [П.2.19]. Объясняется это как желанием использовать на СВЧ частотные синтезаторы более длинноволнового диапазона, так и некоторым сокращением габаритов системы. Несмотря на то, что с внедрением в радиотехнику новой элементной базы (интегральные микросхемы, электрически управляемые ГУН и фильтры в гибридном исполнении, бескорпусные транзисторы и диоды, полупроводниковые генераторы СВЧ, полосковые системы и т. д.) разница в габаритах СВЧ устройств и устройств более длинноволновых диапазонов резко сократилась, поскольку умножение синтезированных частот больше всего имеет отношение к системам СВЧ, рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

На рис. 7.9а изображена упрощенная структурная схема выходной декады системы без дополнительного умножения частоты, а на рис. 7.9б - с дополнительным умножением. Упрощения сведены к отсутствию подачи на кольцо ФАПЧ опорных частот младших разрядов и опорной частоты на фазовый дискриминатор. Однако в данном анализе эти упрощения не являются принципиальными, так как основные выходные параметры системы, как показано выше, определяются выходной декадой синтезатора.

Рис. 7.9. Упрощенные структурные схемы системы ДКСЧ: а) без дополнительного умножения; б) с дополнительным умножением синтезированных частот

Предполагаем, что выходные параметры: выходные частоты f₀, шаг дискретности этих частот β₀, выходная мощность Р₀, коэффициент гармоничности колебаний γ₀, шумовая девиация частоты σ_0f и максимальная частота информационной полосы F_{M макс} - заданы одинаковыми для обеих систем. Рассмотрим работу систем и сравним их.

Частота эталона частоты f'_q0 системы без дополнительного умножения в ГОЧ умножается в n раз (×n), а затем колебание фильтруется от побочных составляющих полосовым фильтром ПФ₁. Коэффициент гармоничности колебаний на выходе ПФ₁ обозначим γ'_qп. Затем колебания частоты nf'_q0 подаются на генератор гармоник, на выходе которого включен перестраиваемый ПФ₂, настроенный на m-ю гармонику частоты nf'_q0. Обозначим коэффициент гармоничности колебаний на выходе ПФ₂ через γ'_qm. Колебания частоты mnf'_q0 подаются в качестве опорных на кольцо ФАПЧ.

Учитывая допущенные упрощения, запишем

и

Как было показано выше, необходимое значение коэффициента гармоничности колебаний на входе кольца ФАПЧ γ'_qm пропорционально заданному γ₀ на выходе системы и квадрату отношения полосы удержания ΔF'_уд к частоте помехи F'_п (в нашем случае F'_{п мин} = f'_q0).

Далее известно (см. § 4.1), что

Обратимся к системе с дополнительным умножением частоты. Как видно из структурной схемы, ее построение отличается наличием на выходе ГУН системы ФАПЧ умножителя частоты на р, полосового фильтра ПФ₃ и усилителя мощности УМ.

Для этой системы аналогично выражениям (7.140) и (7.141) можно записать

т. е. для сохранения β₀ = const необходимо иметь

При этом частота на выходе ГУН

т. е. с точки зрения частотообразования до выходов ГУН обе системы равноценны.

На основании (7.146) можно утверждать, что во второй системе полоса удержания ФАПЧ для компенсации погрешности частоты ГУН может быть в р раз уже, чем в первой системе. Учитывая же и (7.145), сделаем вывод, что соотношения между коэффициентами гармоничности колебаний обеих систем одинаковы. Однако абсолютные значения этих коэффициентов во второй системе должны быть в р² раз больше соответствующих коэффициентов в системе без дополнительного умножения частоты. Кроме того, в системе с дополнительным умножением необходимо обеспечить подавление фильтром ПФ₃ в γ₀ раз побочных составляющих вида ±kf₀/p, что выполнить неперестраиваемым фильтром непросто.

Отметим, что для возможности применения неперестраиваемого ПФ₃ необходимо обеспечить выполнение неравенства

т. е.

Условие (7.147) является необходимым. Достаточность его (т. е. степень неравенства) зависит от возможности выполнения фильтра с заданной селективностью. Однако обычно условие (7.147) выполняется редко. Поэтому либо нужно включить перестраиваемый ПФ₃, либо применить многокаскадный умножитель частоты на р, в каждый каскад которого включить неперестраиваемый полосовой фильтр.

Таким образом, с точки зрения обеспечения необходимой степени гармоничности выходных колебаний система с дополнительным умножением частоты оказывается гораздо хуже.

При сравнении шумовых характеристик систем будем учитывать, что в пределах полосы пропускания ФАПЧ шумы на выходе ГУН определяются шумами схемы управления, а за пределами этой полосы - собственными шумами ГУН. С другой стороны, полоса пропускания пропорциональна полосе удержания ФАПЧ. Из последнего следует, что полоса пропускания второй системы должна оказаться в р раз уже, чем первой.

Если предположить, что относительные шумовые девиации частоты δσ_f ГУН и кварцевого генератора постоянны, т. е. не зависят от частоты, то шумовые характеристики второй системы из-за ее узкополосности окажутся хуже (имеем в виду, что умноженные шумы кварцевого генератора много меньше некомпенсированных шумов ГУН). Однако фактически, особенно у кварцевых генераторов, с уменьшением частоты δσ_f возрастает. Поэтому, даже если расширить полосу пропускания ФАПЧ второй системы с тем, чтобы в полосе 0÷F_{M макс} полностью компенсировать собственные шумы ГУН, то и тогда за счет умноженных шумов кварцевого генератора шумовые характеристики системы с дополнительным умножением частоты окажутся хуже. Кроме того, нужно помнить, что при этом система станет еще хуже с позиций обеспечения необходимой гармоничности колебаний. Помимо этого не следует забывать, что в шумовую характеристику второй системы вносят свой вклад также дополнительные элементы, такие, как умножитель частоты на р и усилитель мощности.

Далее, так как умножитель частоты на р и ПФ₃ имеют коэффициенты передачи меньше единицы (особенно при многокаскадном умножении), в системе с дополнительным умножением нужно либо увеличивать мощность ГУН, либо включать на выходе специальный широкополосный (или узкополосный перестраиваемый) усилитель. Первое решение (увеличение мощности ГУН) является явно неудовлетворительным из-за ухудшения электромагнитной совместимости системы ДКСЧ с другой радиоаппаратурой, расположенной на одном объекте (недостаточная экранировка приведет к излучению мощных помех на частоте, в р раз меньшей f₀).

Заметим, что уменьшать необходимый коэффициент усиления в системе за счет увеличения коэффициента передачи умножителя частоты на р ни в коем случае нельзя, ибо это неминуемо приведет к паразитному самовозбуждению и релаксациям умножителя частоты (к сожалению, практика показывает, что умножители частоты такого рода шумят и релаксируют и при малых коэффициентах передачи).

Наконец, следует отметить, что при прочих равных условиях система с дополнительным умножением конструктивно сложнее и обладает меньшей надежностью за счет введения одного или нескольких каскадов мощных умножителей частоты и оконечного усилителя мощности.

Таким образом, для получения одинаковых выходных параметров к таким внутренним параметрам системы с дополнительным умножением частоты, как гармоничность колебаний, шумовые характеристики и характеристики мощности, требуется предъявить более жесткие требования по сравнению с требованиями к внутренним параметрам аналогичной системы без дополнительного умножения частоты. При прочих равных условиях система с дополнительным умножением оказывается конструктивно более сложной и менее надежной.

Отметим, что в целом ряде работ (например, [185], [187]) указывается на то, что дополнительное умножение частоты после синтеза значительно ухудшает качественные показатели устройства и его применение может рассматриваться лишь как временная мера.

В качестве общего вывода следует указать, что поскольку основные причины применения деления синтезированных частот в СВЧ системах ДКСЧ места не имеют, транспонирование синтезированных частот является органической задачей синтезатора, а умножение синтезированных частот резко усложняет систему ДКСЧ, применение преобразования синтезированных частот в СВЧ устройствах ДКСЧ следует считать нецелесообразным.