Содержание к диссертации
Введение
1. Общие вопросы построения двухкольцевых частотно-модулированных цифровых синтезаторов частот 11
1.1. Сравнительный анализ динамических и спектральных характеристик однокольцевых и двухкольцевых синтезаторов 11
1.2. Описание методов частотной модуляции в цифровых синтезаторах частот и разработка структурных схем двухкольцевых частотно-модулированных синтезаторов 24
1.3. Обоснование и границы применимости операторного метода Лапласа для анализа режима угловой модуляции в двухкольцевых синтезаторах 37
1.4. Выводы. Постановка задач исследования 47
2. Анализ режима угловой модуляции синтезаторов 49
2.1. Передаточные функции и эквивалентные схемы узлов 49
2.2. Передаточные модуляционные функции и условия устойчивости режима угловой модуляции 55
2.3. Амплитудно-частотные модуляционные характеристики 70
2.4. Реакция синтезаторов на паразитное приращение фазы опорного колебания 79
2.5. Выводы 88
3. Схемотехника и экспериментальное исследование синтезаторов частот 92
3.1. Построение двухкольцевых синтезаторов частот на современной цифровой элементной базе 92
3.2. Схемотехника аналоговых узлов синтезатора 106
3.2.1. Генераторы, управляемые напряжением 107
3.2.2. Петлевые фильтры нижних частот 117
3.2.3. Управляемый аттенюатор 122
3.2.4. Импульсно-фазовый модулятор 128
3.3. Экспериментальное исследование характеристик синтезаторов 132
3.4. Выводы 141
Заключение 142
Список литературы 144
- Описание методов частотной модуляции в цифровых синтезаторах частот и разработка структурных схем двухкольцевых частотно-модулированных синтезаторов
- Обоснование и границы применимости операторного метода Лапласа для анализа режима угловой модуляции в двухкольцевых синтезаторах
- Передаточные модуляционные функции и условия устойчивости режима угловой модуляции
- Экспериментальное исследование характеристик синтезаторов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в радиотехнических системах передачи информации, в частности в цифровых системах подвижной радиосвязи в качестве диапазонных возбудителей передатчиков и гетеродинов приемников используются цифровые синтезаторы частот (ЦСЧ) на основе системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), причем в диапазонных возбудителях передатчиков ЧМ-сигналов используются частотно-модулированные ЦСЧ (ЧМЦСЧ). Основными характеристиками ЦСЧ являются динамическая и спектральная характеристики, а в ЧМЦСЧ к этим характеристикам добавляется еще амплитудно-частотная модуляционная характеристика.
Следует отметить, что обеспечение одновременно высокого быстродействия, малого уровня шумов и паразитной частотной модуляции, а также равномерной амплитудно-частотной модуляционной характеристики является противоречивой задачей. Результаты исследовательских работ по синтезу частот, направленные на обеспечение заданных динамических и спектральных характеристик ЦСЧ, показали, что наряду с однокольцевыми перспективными являются двухкольцевые ЦСЧ, построенные по "тандемной" схеме с дробным делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД) во втором кольце, в которых первое и второе кольца ИФАПЧ включены последовательно.
В то же время работы по исследованию режима угловой модуляции в двухкольцевых ЧМЦСЧ отсутствуют, что мешает разработчикам создавать двухкольцевые ЧМЦСЧ, в которых наряду с высоким быстродействием и чистым спектром выходного сигнала обеспечивалась бы равномерная амплитудно-частотная модуляционная характеристика (АЧМХ) во всем диапазоне частот цифрового модулирующего сигнала при перестройке рабочих частот ЧМЦСЧ. В
5 связи с этим исследование двухкольцевых синтезаторов частот в режиме угловой модуляции является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка схем двухкольцевых ЧМЦСЧ и исследование модуляционных свойств разработанных схем.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:
1. Сравнительный анализ однокольцевых и двухкольцевых
ЦСЧ с точки зрения обеспечения заданных динамических и спек
тральных характеристик.
Разработка и описание схем двухкольцевых ЧМЦСЧ.
Получение передаточных модуляционных функций и теоретический анализ амплитудно-частотных модуляционных характеристик предложенных схем.
Схемотехническое макетирование и экспериментальное исследование характеристик двухкольцевых ЧМЦСЧ.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории автоматического управления, теории устойчивости, математического анализа радиотехнических систем, в частности операторный метод Лапласа, а также компьютерные методы расчета с использованием программы MathCAD 7.0. Основные теоретические результаты проверены путем схемотехнического макетирования и экспериментального исследования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены еле-дующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Предложена схема двухкольцевого ЧМЦСЧ с частотной модуляцией управляемого генератора первого кольца ИФАПЧ.
Предложена схема двухкольцевого;ЧМЦЄЧ5с частотной, модуляцией; управляемого* генератора! первого кольца; ИФАИЧ- и. автоматической компенсацией частотных: искажений.
Получены передаточные модуляционные функции предложенных схеш и- определены условия- устоичивост'и* режима угловой, ' модуляции.
4і. Проведен анализ амплитудно-частотных модуляционных; / характеристик предложенных схем; в:функции^от их параметров.
5;. Проведён анализ реакции?предложенных, схем на паразитное ;
приращение: фазы опорного колебания: , ;:
6. Проведено макетирование схем. двухкольцевых ЧМІДЄЧ; на: ' современной», элементной; базе и экспериментальное исследование -,.' частотных модуляционных характеристик.
Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной- работы, состоит в, возможности разработчикам использовать, результаты' исследований;: для расчета, АЧМХ проекти-, руемых двухкольцевыхЧМЦСЧ, так как в работе получены в явном ... виде* выражения; для* АЧМХ.. Используя, эти выражения,: при; проектировании и. настройке, возможно-варьирование'параметров с целью получения оптимальных: характеристик синтезаторов, как: с: точки'зрения частотных искажений, так и, сточки-зрения быстродействия; и; чистоты спектра. Кроме того, результаты экспериментального; исследования и схемотехнического макетирования могут; быть непосредственно использованы при выборе оптимальных- схемотехнических-решений двухкольцевых ЧМЦЄЧ:
Реализация и- внедрение результатов работы. Результаты рабо-ты использованы; при разработке аппаратуры подвижной радиосвя- . зи, -в .'том;числе для единой информационно-телекоммуникационной системы;.органов внутренних дел, а также в учебном процессе по
'.' ''"'.'''„'" ;; ,"- ' 7 -. .. . .. -.-.: -,.-.-. -. - ..." /
дисциплине "Устройства генерирования и формирования;сигналов", о чем имеются акты внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной^ работы докладывались и обсуждались на 2-х международных, и 3-х; Всероссийских научных конференциях, в том: числе на* IV Всероссийской' научно-практической конференции "Охрана, безопасность и связь" в 2007: году (г. Воронеж); на международных, научно-практических конференциях; "Обеспечение безопасности? в; центральном-федеральном* округе Российской федерации" в 2007, 2008 годах- (г. Воронеж); на Всероссийских- научно-практических конференциях "Актуальные, вопросы эксплуатациигсистем охраны, и защищенных: телекоммуникационных систем" в 2007, 2008' годах, (г. Воронеж).,Кроме того, результаты работы обсуждались. на; научных семинарах кафедры телекоммуникационных систем Воронежского института.МВД России; ву2006; 2007 и 2008 годах.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы
опубликованы в; 10: печатных работах, в; том: числе в 5; научных
статьях, 4 материалах научных конференций, а: также, в* патенте на
полезную модель Российской: Федерации; ;'
Структура работы.. Диссертационная работа: состоит из введет ния, трех: глав, заключения;, списка литературы из: 109 наименований, изложена на 156-, страницах машинописного текста; в; котором приведены 56 рисунков и И таблиц. '
Краткое содержание, работы. Во введении обосновывается: актуальность темы диссертационной работы. Отмечается, что с точки зрения обеспечения;заданных, динамических и спектральных характеристик перспективными являются-; двухкольцевые ЦЄЧ; построенные: по; "тандемной" схеме с ДДПКД: во втором кольце. Однако работы по исследованию в них режима угловой модуляции отсутст-
' : ' ' ' .'' ',;' ) : '&. '":: :.';' ' "'.' '.
вуют, что затрудняет обеспечить .в; таких: синтезаторах равномер-
нуюАЧМХ в диапазоне: частот, модулирующего сигнала.,
Формулируется цель и ставятся задачи, решаемые в работе для
достижения поставленной цели, при; этом указываются методы- ис
следования'. .
Указываются результаты? работы, характеризующиеся; научной? новизной, а также практическая? ценность работы, в частности: перечисляются акты внедрения; результатов, диссертационной;" работы на производствен в-учебнышпроцесс:
....; Перечисляются международные т Всероссийские научные;
конференции и. другие научные; семинары, на; которых прошла ап
робация;; работы, а; также отмечены: научные: публикации по* теме: .
диссертационного исследования'. Кроме того, описана, структура
диссертационнойфаботы.. , ,
В;; первой;главе: описаны общие вопросы; построения; и; анализа
двухкольцевых ЦСЧ| вітомг числе; ЧМЩЄЧ. На- основании; изучениям
научно-технической^ литературы; проведен;; сравнительный анализ
динамических; и спектральных; характеристик однокольцевых w
двухкольцевых ЦСЧ, на основании, которого? делается вывод, что в
двухкольцевых синтезаторах за счет некоторого, усложнения- схем
возможно обеспечение-высоких динамических и? спектральных ха
рактеристик. ...
В' связи с этим в>работе предлагается использовать двухкольг цевые ЦЄЧі в режиме; частотной" модуляции, т.е. создавать двух-кольцевые ЧМЩСЧ.
Предложены две схемы, двухкольцевых ЧМЦСЧ' с ДДИКД, во втором кольце ИФАПЧ2; с частотной модуляцией ГУН1 первого кольцам ИФАПЧ1 с управляемыми усилителями в цепях' управления; обоих колец- для, поддержания, неизменности постоянных времени обоих колец ИФАПЧ при перестройки рабочих частот, что обеспе-
9 чивает возможность получения равномерных АЧМХ в диапазоне
рабочих частот, при этом во второй схеме вводится дополнительная
цепь автоматической компенсации частотных искажений.
Кроме того, в первой главе обосновывается возможность о определены границы применимости операторного метода Лапласа для анализа АЧМХ предложенных схем синтезаторов, при этом оценку динамических модулирующих свойств двухкольцевых ЧМЦСЧ предлагается производить по передаточным модуляционным функциям (ПМФ), которые являются специфической записью линейных дифференциальных уравнений и дающих метод сжатого описания поведения двухкольцевых ЧМЦСЧ в р-области.
В выводах по первой главе ставятся цель и задачи, решаемые в диссертации.
Во второй главе проводится теоретическое исследование режима угловой модуляции в предложенных схемах двухкольцевых ЧМЦСЧ. На основании описанных эквивалентных схем и передаточных функций узлов синтезаторов составлены эквивалентные операторные схемы ЧМЦСЧ, отражающие режим частотной модуляции, получены ПМФ и определены условия устойчивости режима частотной модуляции. Проведен анализ АЧМХ предложенных схем при вариации параметров схем.
Далее во второй главе исследована реакция двухкольцевых ЧМЦСЧ на паразитное приращение фазы опорного колебания.
Третья глава посвящена макетированию узлов синтезаторов, таких, как управляемые генераторы, петлевые ФНЧ, импульсно-фазовые модуляторы. При этом в процессе схемотехнического макетирования использованы современные микросхемы ЦСЧ. С использованием полученного макета синтезатора экспериментально исследуются АЧМХ предложенных схем двухкольцевых ЧМЦСЧ как с автокомпенсацией частотных искажений, так и без цепи авто-
10 компенсации. Проводится сравнение экспериментальных результатов с теоретическими, полученными во второй главе, при этом отличие теоретических результатов от экспериментальных находится в пределах инженерной погрешности.
На основании результатов макетирования и экспериментального исследования делаются выводы по использованию разработанных синтезаторов.
В заключении изложены основные научные результаты диссертационной работы и рекомендации по их использованию.
Описание методов частотной модуляции в цифровых синтезаторах частот и разработка структурных схем двухкольцевых частотно-модулированных синтезаторов
Как было отмечено выше, в результате осуществления частотной модуляции несущего колебания передатчика непосредственно в ЦСЧ происходит совмещение функций формирователя дискретной сетки высокостабильных частот и частотного модулятора в одном синтезаторе, что позволяет создавать новый тип устройства ЧМЦСЧ. Такое совмещение функций в одном синтезаторе является весьма эффективным с точки зрения упрощения аппаратуры и улучшения основных характеристик систем подвижной радиосвязи.
Необходимо отметить, что воздействие модулирующего сигнала в ЦСЧ представляет для системы ИФАПЧ внутренние или внешние возмущения, которые из-за наличия петлевого ФНЧ и импульсного характера регулирования приводят к частотным искажениям модулированного сигнала. Для оценки частотных искажений в ЧМЦСЧ используется АЧМХ, показывающая в относительных еди ницах зависимость девиации частоты Af выходного сигнала от частоты модулирующего сигнала FM при постоянной амплитуде модулирующего сигнала UM. Иными словами, АЧМХ позволяет оценивать реакцию системы ИФАПЧ в режиме синхронизма на гармоническое модулирующее воздействие.
С учетом поставленных требований рассмотрим построения ЧМЦСЧ с модуляцией цифровым сигналом. При создании ЧМЦСЧ на основе однокольцевой системы ИФАПЧ, прежде всего, необходимо выбрать метод введения модулирующего сигнала. Известные методы введения ЧМ в ЦСЧ принято разделять на одноточечные (прямые и косвенные) и двухточечные, объединяющие одновременно прямой и косвенный [13, 14, 35, 37-40, 43, 44, 49-53, 68, 69, 71, 72, 82, 83, 86, 95].
Одноточечный прямой метод основан на воздействии модулирующего сигнала uM(t) непосредственно на модулирующий вход ГУН. Структурная схема ЧМЦСЧ с введением модуляции по одноточечному прямому методу (ЧМ1) показана на рис. 1.4.
Введение сигнала по модулирующему входу ГУН воспринимается кольцом ИФАПЧ как внутреннее возмущение, которое по цепи обратной связи отрабатывается в сторону его уменьшения в полосе пропускания кольца ИФАПЧ, определяемой ФНЧ в контуре регулирования. При этом полоса пропускания модулирующих частот ограничивается снизу значением частоты среза ФНЧ, в связи, с чем происходит завал АЧМХ на нижних модулирующих частотах.
Одноточечный косвенный метод введения модуляции (ЧМ2) основан на преобразовании фазовой модуляции в частотную и осуществляется путем модуляции по фазе импульсов с выхода ДФКД (рис. 1.5). В этом случае модулирующий сигнал предварительно интегрируется (ИНТ) и поступает на импульсно-фазовый модулятор (ИФД).
Одноточечная косвенная модуляция (ЧМ2) может быть достигнута также использованием управляемого опорного кварцевого генератора (УКГ) и подачи на его реактивный элемент модулирующего воздействия им (рис. 1.6).
При модуляции по опорному каналу модулирующий сигнал им является внешним возмущением для системы ИФАПЧ. Система ИФАПЧ при этой модуляции ведет себя как эквивалентный ФНЧ относительно модулирующего воздействия, т.е. происходит завал АЧМХ на верхних модулирующих частотах.
Для уменьшения искажений АЧМХ необходимо расширять полосу пропускания системы ИФАПЧ. Однако расширение полосы пропускания ИФАПЧ в ЦСЧ ограничивается ухудшением фильтрующей способности системы по отношению к колебаниям на частоте сравнения fcp и ее гармоникам и возможно, когда верхнее значение модулирующей частоты FMB значительно меньше частоты сравнения, т.е. при достаточно крупном шаге сетки частот.
В связи с широким применением цифровых сигналов в системах радиосвязи возникла задача компенсации частотных искажений модулирующего сигнала в широкой полосе частот. Для этого можно использовать двухточечные методы модуляции. Двухточечные методы, представляющие комбинацию прямого и косвенного одноточечных методов, позволяет преодолеть недостатки одноточечных и получить равномерную АЧМХ в широкой полосе модулирующих частот.
При двухточечной модуляции по методу ЧМ1-2 (рис. 1.7) с помощью ИФМ импульсы на опорном входе ЧФД должны быть промоделированы по фазе так же, как импульсы после ДПКД. В этом случае на выходе ЧФД отсутствует импульсный сигнал ошибки от модуляции и, следовательно, отсутствует реакция кольца ИФАПЧ на модулирующее возмущение.
При этом имеется возможность пропустить в ЦСЧ модулирующий сигнал в широкой полосе частот без искажений и повысить быстродействие синтезатора. Однако такая возможность реализуется только при полной идентичности каналов модуляции, т.е. когда первоначально подобраны уровни модулирующих сигналов по обоим каналам.
Для автоматической регулировки уровней модулирующего сигнала при перестройке частоты ЧМЦСЧ в заданном диапазоне в каждом канале прохождения модулирующего сигнала должны быть включены управляемые аттенюаторы (УА1 и УА2). При двухточечной модуляции (в ГУН и УКГ) необходимо использовать одновременно два управляемых аттенюатора по каждому каналу модуляции (рис. 1.8). Регулировка осуществляется от микроконтроллера так, чтобы уровень девиации частоты на выходе синтезатора оставался постоянным во всем диапазоне несущих частот при постоянном напряжении UM с выхода ИМС.
Система ИФАПЧ, на основе которой построен ЧМЦСЧ, работает как умножитель частоты опорного сигнала с коэффициентом умножения, пропорциональным коэффициенту деления N ДПКД согласно формуле (1.1). Отсюда видно, что любая девиация частоты опорного сигнала (от полезного модулирующего сигнала или от паразитного) умножается пропорционально N. С изменением N при перестройке частоты также изменяется и девиация частоты на выходе синтезатора при модуляции опорного сигнала. Поэтому управляемый аттенюатор УА2 в канале прохождения модулирующего сигнала в УКГ должен изменять уровень модулирующего напряжения UM обратно пропорционально изменению N для сохранения постоянства девиации частоты ЧМЦСЧ.
Обоснование и границы применимости операторного метода Лапласа для анализа режима угловой модуляции в двухкольцевых синтезаторах
Как известно, операторный метод Лапласа широко используется для анализа линейных систем автоматического управления непрерывного действия в- классической теории автоматического управления [2, 16, 33, 45, 74]. Исследования показали, что этот метод может быть успешно использован для анализа режима угловой модуляции в двухкольце-вых ЧМЦСЧ. Необходимо отметить, что с помощью операторного метода Лапласа проводился анализ режима угловой модуляции в однокольцевых ЧМЦСЧ [83]. Очевидно, этот метод можно применить для изучения модулирующих свойств и двухкольцевых ЧМЦСЧ. Возможность использования операторного метода в этом случае обусловлено рядом причин.
В двухкольцевом ЧМЦСЧ значение выходной частоты в.режиме угловой модуляции, так же, как и в однокольцевом ЧМЦСЧ, определяется его динамическими свойствами, которые необходимо исследовать посредством динамической модели, в основе которой лежат следующие предположения: - модулированное состояние, .полностью1, характеризуется мгновенными;:значениями отклонения- Afi(t) частоты fi и Af2(t); час тоты» f2 от своих, немодулированныхзначений;. - существует устойчивое состояние ЦСЧ: со значением выходе ных , частот fi,- и fi. при отсутствиш модуляции. Это означает,,что. ее-лиг ЧМЦСЧ работает;в диапазоне рабочих частот, то: скорость; переключения рабочих частот должна: быть высокой и- осуществляться между? сеансами связи, чтоїопределяет стационарность модели;: - тестовый: детерминированный; модулирующий сигнал щ,(Ь является единственной; причиной; вызывающей:.приращение: частот Afi(t)j№ Af2(t); а; случайныефакторы; отсутствуют;: - переменные: uM(t); Afi(t)-; и. Af2(t) характеризующие модулированное; состояние, являются аналоговыми? величинами; т.е. такими, которые; задаются .непрерывными во времени ш по уровню функциями. Это предположение; относится и к случаю; еелт модулирующий; сигнал: является цифровым сигналом, но со-сглаженными: фазовыми траекториямии/ограниченным; спектром; . - вещественный характер величин. uM(t); A-fі(t); Af2(;t), a также однозначность, результатов m вызывающих их причин определяет одномерность математической модели;.;. -связь выходных величин Afi(t)-H5 Af2(t); с входной: величиной им(1).считается.:линейной; - внешние геометрические;, размеры двухкольцевого ЧМЦСЧ; должны быть много меньше минимальной длины волны, модули-; рующего сигнала; чтобы; можно было не учитывать явления распро странения волн и- описывать: систему обыкновенными: дифференци альными, уравнениями как:систему с сосредоточенными:параметра ми Таким образом, при выполнение перечисленных условий, при исследовании режима угловой модуляции мы можем пользоваться стационарной, детерминированной, непрерывной, одномерной, линейной математической моделью с сосредоточенными параметрами. Физическая общность всех ЧМЦСЧ позволяет дать единое математическое описание происходящих в них процессов. Конечной целью такого описания является получение зависимости изменения выходной частоты синтезатора от мгновенного значения модулирующего сигнала.
При теоретическом подходе к решению поставленной задачи интересующая нас зависимость может быть получена путем решения некоторого числа уравнений, составленных для исследования конкретной схемы. Для составления уравнений режимов модуляции двухкольце-вой ЧМЦСЧ мысленно разбивается на звенья. Звено - это условно выделенный идеализированный преобразователь сигналов направленного действия, соответствующий при определенной идеализации функциональному узлу реального синтезатора. Идеализация заключается в том, что модулирующее воздействие между функциональными блоками предполагается односторонним, т.е. предыдущий блок воздействует на последующий, не воспринимая заметного противодействия со стороны последнего. Звено не обязательно должно быть конструктивно или схемно оформлено. Оно может быть частью функционального блока или состоять из нескольких таких блоков. В некоторых случаях звено не имеет в своей основе какого-либо функционального блока, а характеризует некоторую математическую зависимость между переменными системы.
Передаточные модуляционные функции и условия устойчивости режима угловой модуляции
Для нахождения ПМФ WM(p) схем синтезаторов, изображенных на рис. 1.9 и рис. 1.10, преобразуем их к виду, когда прохождение модулирующего сигнала происходит по прямому каналу (рис. 2.11 и рис. 2.12). Используя эквивалентные схемы узлов синтезаторов, полученные в параграфе 2.1 составим эквивалентную схему (рис. 2.13) первого синтезатора, изображенного на рис. 2.11, отражающую режим угловой модуляции. На этом рисунке приняты следующие обозначения: числа (N R); STMI - крутизна управления по модулирующему входу ГУН1; Sryi - крутизна управления по управляющему входу ГУН1; Sry2 - крутизна управления по управляющему входу ГУН2; Fi(p) - передаточная функция ФНЧ1; F2(p) - передаточная функция ФНЧ2; Ki - коэффициент усиления УУ1; К2 - коэффициент усиления УУ2; Sfli - крутизна детекторной характеристики ЧФД1; S42 - крутизна детекторной характеристики ЧФД2; UM(p) - операторное изображение модулирующего напряжения; Afi(p) - операторное изображение девиации частоты ГУН1 на выходе первого кольца ИФАПЧ; Далее, с использованием полученных эквивалентных схем узлов синтезаторов составим эквивалентную схему (рис. 2.14) второго синтезатора, изображенного на рис. 2.12, отражающую режим угловой модуляции. На этой схеме приняты следующие обозначения : К - коэффициент усиления усилителя в цепи автокомпенсации, SM- крутизна модуляционной характеристики ИФМ в цепи автокомпенсации, Ri — коэффициент деления ДФКД1. Используя принцип суперпозиции и методы преобразования эквивалентных схем (рис. 2.15 и рис. 2.16), окончательно получим эквивалентную схему (рис. 2.17) второго синтезатора, изображенного на рис. 2.12, с использованием автокомпенсатора с передаточной функцией Осуществим проверку устойчивости режима частотной модуляции в синтезаторах при использовании методов модуляции ЧМ1 и ЧМ1АК. Проверку осуществим по Гурвицу, которая сводится к вычислению по коэффициентам характеристического уравнения определителей Гурвица, которые для устойчивой линейной системы должны быть положительными.
В общем случае, характеристическое уравнение линейной системы п-й степени имеет вид: Для получения определителей Гурвица составим таблицу из коэффициентов характеристического уравнения (2.33) Правила составления таблицы (2.34) состоит в том, что по главной диагонали выписываются по порядку п - коэффициентов характеристического уравнения от г.\ до ап, каждая строка содержит п - элементов, строки с нечетными и четными индексами чередуются, недостающие элементы строк заполняются нулями. Отчеркивая соответствующие строки и столбцы таблицы (2.34), получим п -определителей Гурвица В нашем случае ПМФ синтезаторов при модуляции методом ЧМ1 и ЧМ1АК определяются соответственно выражениями (2.21) и (2.32), причем W (p) и W 2(p) являются произведениями ПМФ первого и второго колец ИФАПЧ, которые не имеют между собой обратных связей. Следовательно, для линейной системы возможно определять условия устойчивости режима модуляции первого и второго колец ИФАПЧ отдельно. В соответствии с выражениями (2.21) и (2.32) характеристическое уравнение первого кольца ИФАПЧ синтезатора при модуляции методом ЧМ1 имеет вид: характеристическое уравнение первого кольца ИФАПЧ синтезатора при модуляции ЧМ1АК имеет вид: характеристическое уравнение второго кольца ИФАПЧ обоих синтезаторов имеет вид: Как видно из (2.37) ... (2.39) коэффициенты ао для всех уравнений положительны. Найдем определители. Для уравнения (2.37) Для анализа АЧМХ предложенных синтезаторов воспользуемся найденными выражениями ПМФ, причем ПМФ синтезатора, использующего метод ЧМ1 (рис. 1.9) выражается формулой (2.21), а ПМФ синтезатора, использующего метод ЧМ1АК (рис. 1.10), выражается формулой (2.32). Как видно из выражений (2.21) и (2.32), ПМФ обоих синтезаторов представляют собой произведение ПМФ первого и второго колец ИФАПЧ, причем характерными свойствами ПМФ обоих синтезаторов являются следующие: - ПМФ первых колец ИФАПЧ обоих синтезаторов различные, причем первые кольца ИФАПЧ представляют из себя для модулирующего сигнала эквивалентные ФВЧ; - ПМФ вторых колец ИФАПЧ обоих синтезаторов одинаковы, причем вторые кольца ИФАПЧ представляют из себя для модулирующего сигнала эквивалентные ФІТЧ. В связи с этим очевидно, что анализ частотных искажений в области нижних модулирующих частот следует производить по АЧМХ первых колец синтезаторов, а анализ частотных искажений в области верхних модулирующих частот следует производить по АЧМХ вторых колец синтезаторов. Определим нормированную АЧМХ ИФАПЧ 1 первого синтезатора, использующего метод модуляции ЧМ1. Заменив в выражении (2.19) р на jQ, получим комплексную частотную модуляционную характеристику (КЧМХ) Wj"(jD) в виде Находя модуль выражения (2.43), после преобразований получим выражение для АЧМХ первого кольца ИФАПЧ 1 первого синтезатора Определим нормированную АЧМХ ИФАПЧ1 второго синтезатора, использующего метод модуляции ЧМ1АК.
Экспериментальное исследование характеристик синтезаторов
Основные вопросы, поставленные и решенные в диссертации, проверялись на макете двухкольцевого ЧМЦСЧ. Были исследованы спектральные, динамические и модуляционные характеристики макета ЧМЦСЧ с одноточечной модуляцией, а также проверялась эффективность двухкольцевого ЦСЧ по сравнению с однокольцевым.
На первой стадии проверка основных параметров проводилась без подачи модулирующего сигнала. Для подтверждения отмеченных ранее преимуществ двухкольцевого ЦСЧ относительно ОДРЮ-кольцевого измерялись значения ПЧМ этих синтезаторов на одних и тех же частотах и при одинаковых полосах частот пропускания измерительных приборов.
Измерение значений паразитного отклонения частоты выходного колебания синтезатора проводилось с помощью вычислительного измерителя модуляции СКЗ-45. Схема подключения приборов для измерения уровня паразитной частотной модуляции (ПЧМ) приведена на рис. 3.17.
Напряжение питания от источника подводится к ЦСЧ и к буферному устройству, через которое сигналы управления синтезатором поступают от персонального компьютера. В персональном компьютере записаны программы управления синтезаторами ADF4001 и ADF4252 фирмы Analog Devices, с помощью которых производится набор кодограмм управления частотами синтезаторов. Буферное устройство необходимо для защиты внешнего порта персонального компьютера от возможных случайных повреждений при изменении нагрузки.
С помощью персонального компьютера по программе устанавливались кодограммы управления частотой синтезатора на разных участках диапазона частот ЦСЧ. На каждой выходной частоте двухкольцевого синтезатора измеряются среднеквадратические (СКЗ) значения паразитного отклонения частоты в полосе пропускания СКЗ-45 0,3...3,4 кГц; 0,3 - 20 кГц; 0,3 - 60 кГц и 0,3 - 200 кГц. Результаты измерений показаны в таблице 3.3.
Для выявления эффективности работы двухкольцевого ЦСЧ по сравнению с однокольцевым проводилось измерение значений ПЧМ этого же синтезатора, в котором опорная частота второго кольца переключалась с 60 МГц (от первого кольца) на 10 МГц (от опорного кварцевого генератора), т.е. рассматриваемый ЦСЧ преобразовывался из двухкольцевого в одпокольцевои, согласно структурной схеме, показанной на рис. 3.18.
Из сравнения данных этих двух таблиц видно, что в двухколь-цевом ЦСЧ уровень ПЧМ примерно в 2-4 раза меньше, чем в одно-кольцевом.
Одновременно по такой же методике проверялась целесообразность и эффективность использования в первом кольце ЦСЧ обычного ГУНа вместо принятого в таком случае кварцевого ГУН (КГУН). Были проведены сравнительные измерения узкополосного ЦСЧ первого кольца (fi = 60 МГц) и опорного кварцевого генератора ОКГ (f0 = 10 МГц) по уровню ПЧМ в разных полосах вычислительного измерителя девиации СКЗ — 45.
Результаты измерения значений ПЧМ на выходе первого кольца ЦСЧ (fi = 60 МГц) и на выходе ОКГ (f0 = 10 МГц) приведены в таблице 3.5.
Из анализа таблицы 3.5 можно видеть, что в полосе измерения 0,3 - 3,4 кГц ПЧМ выходного сигнала ОКГ меньше, чем в ЦСЧ. С увеличением полосы измерения разница значений ПЧМ уменьшается и уже в полосе 0,3 - - 60 кГц и больше ПЧМ на выходе ЦСЧ меньше, чем у ОКГ, при этом, что частота ЦСЧ в 6 раз выше, чем у ОКГ. Поскольку в первом кольце двухкольцевого ЦСЧ происходит относительное снижение уровня ПЧМ, а также за счёт уменьшения коэффициента умножения К2 во втором кольце, что было отмечено раньше, следует ожидать снижения уровня ПЧМ на выходе второго кольца. Это и подтверждают результаты проведенных испытаний (таблица 3.4), которые показали, что при подключении второго кольца непосредственно к ОКГ, т.е. при преобразовании ЦСЧ в од-нокольцевой, уровень ПЧМ увеличивается в 2-4 раза по сравнению с двухкольцевым от того же ОКГ.
Таким образом, доказана целесообразность и эффективность использования обычного узкополосного, малошумящего ГУН вместо относительно громоздкого и дорогого кварцевого ГУН в первом кольце двухкольцевого ЦСЧ.
