Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ путей построения систем частотного синтеза на основе ифапч 22
1.1. Способы построения синтезаторов частот СВЧ диапазона 22
1.1.1. Однокольцевые синтезаторы частот 23
1.1.2. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца 25
1.2. Шумовые характеристики функциональных узлов синтезаторов частот 26
1.3. Шумовые характеристики сигнала СЧ 30
1.4. Способы построения быстродействующих синтезаторов частот 35
1.4.1. Синтезаторы частот с переменной частотой дискретизации колец 36
1.4.2. Синтезаторы частот с постоянной частотой дискретизации колец 38
1.5. Выводы 44
ГЛАВА 2. Структурно-параметрический синтез многокольцевых сч-ифапч с низким уровнем фазовых флуктуаций формируемого сигнала 45
2.1. Постановка оптимизационной задачи 45
2.2. Структурно-параметрический синтез синтезаторов частот на основе оптимальной фильтрации Винера 48
2.3. Реализация синтезаторов частот с оптимальной структурой и параметрами 49
2.3.1. Однокольцевые синтезаторы частот 49
2.3.2. Синтезаторы частот с ДДПКД и алгоритмической компенсацией помех дробности 65
2.3.3. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца 79
2.4. Выводы 84
ГЛАВА 3. Применение оптимального управления в прецизионных синтезаторах частот 87
3.1. Решение задачи оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот с учётом нелинейности статической модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением 88
3.1.1. Особенности переходного процесса при оптимальном управлении в синтезаторе частот с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром 93
3.1.2. Реализация оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот при условии ограниченности координат кольца ИФАПЧ и погрешностей переключений управляющего воздействия . 96
3.2. Эффективность оптимального управления в прецизионных СЧ-ИФАПЧ 103
3.3. Выводы 107
ГЛАВА 4. Разработка и экспериментальное исследование синтезаторов частот свч диапазона 109
4.1. Методика проектирования синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальным управлением 110
4.2. Метрологическое обеспечение измерений динамических и спектральных характеристик синтезаторов частот 111
4.3. Практическая реализация и экспериментальные исследования однокольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона 113
4.3.1. Проектирование однокольцевого широкополосного синтезатора частот 113
4.3.2. Экспериментальное исследование однокольцевого синтезатора частот 117
4.4. Практическая реализация и экспериментальные исследования двухкольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона 123
4.4.1. Проектирование двухкольцевого широкополосного синтезатора частот 123
4.4.2. Экспериментальное исследование двухкольцевого синтезатора частот 124
4.5. Выводы 128
Заключение 129
Список литературы 132
- Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца
- Структурно-параметрический синтез синтезаторов частот на основе оптимальной фильтрации Винера
- Особенности переходного процесса при оптимальном управлении в синтезаторе частот с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром
- Метрологическое обеспечение измерений динамических и спектральных характеристик синтезаторов частот
Введение к работе
Актуальность темы
В условиях постоянного роста требований к синтезаторам частот особенно актуальной становится задача минимизации уровня фазовых флуктуаций выходных сигналов. Подтверждением могут служить многочисленные примеры из радиосвязи, где фазовые шумы оказывают значительное влияние на энергетическую эффективность систем передачи, радиолокации – на вероятность обнаружения, точность слежения, радионавигации – на точность позиционирования. Расчеты показывают, при когерентном приёме сигналов высокой кратности для эквивалентных потерь отношения сигнал/шум не более 0.5 дБ среднеквадратическое отклонение (СКО) фазовой ошибки между входным и опорным сигналами, обусловленной нестабильностью фазы входного сигнала (суммарным фазовым шумом сигналов синтезаторов частот передающего и приемного устройств), не должно превышать 2-3% углового расстояния между точками сигнального созвездия. Увеличение СКО фазовой ошибки, связанной с нестабильностью фазы сигналов синтезаторов частот, до 5-6% от углового расстояния вызывает эквивалентное уменьшение сигнал/шум до 2 дБ.
Наиболее остро проблема фазового шума наблюдается в широкополосных СВЧ синтезаторах, получивших последнее время большое распространение в различных радиотехнических системах. Схемное построение таких СЧ предполагает большое число источников шума и чувствительных к возмущениям функционально необходимых элементов. К числу их относятся высокочувствительные к помехам перестраиваемые в широкой полосе частот генераторы, обладающие высокой крутизной преобразования. Реализация в таких синтезаторах низкого уровня фазовых флуктуаций сомнительна без применения специальных методов структурного построения, в том числе оптимальных.
Значительный вклад в исследование СЧ косвенного типа с учётом шумов элементов кольца ИФАПЧ внесли: Л.А. Белов, Л.Н. Казаков, В.Н. Кочемасов, В.Н. Кулешов, В.А. Левин, В.Н. Малиновский, В. Манассевич, А.В. Пестряков, С.К. Романов, А.В. Рыжков, Н.М. Тихомиров, Н.Н. Удалов, В.В. Шахгильдян Б.И. Шахтарин, V.F Kroupa, M. Perrott и другие.
Учет большого числа источников случайных возмущений при проектировании синтезаторов с ИФАПЧ приводит к существенному усложнению задачи структурного синтеза. Существующие подходы не позволяют ответить на вопрос выбора структуры и параметров синтезаторов частот, которые бы обеспечили предельный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала с учётом многих воздействий. Наличие в СЧ нескольких нелокализованных источников шума не позволяет применить известные процедуры синтеза, в частности, на основе оптимальной линейной фильтрации. Требуется разработка новых подходов структурно-параметрического синтеза СЧ-ИФАПЧ. Кроме того, интерес представляют подходы синтеза, учитывающие такие параметры обработки информации в радиотехнических системах, как анализируемая полоса частот. Например, нижняя граница полосы анализируемых частот во многом определяется временной структурой информационного сигнала. Эта граница для систем с когерентным накоплением или с обработкой пакетной информации может оказаться достаточно низкой. Для систем с символьной обработкой, наоборот, достаточно высокой. Влияние фазового шума несущего колебания в этом случае будет различным.
Реализация СВЧ синтезаторов со структурой, обеспечивающей минимальный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала, приводит к существенному возрастанию времени переходного процесса. Поэтому крайне важной проблемой при проектировании СЧ является нахождение разумного компромисса по преодолению противоречий между полосой синтезируемых частот, скоростью перестройки и чистотой спектра формируемых сигналов. В связи с этим интерес представляет применение оптимального управления переходными процессами в медленных кольцах синтезатора. Существующая комплектующая база позволяет реализовать подобные алгоритмы без дополнительных элементов в канале управления, соответственно, без дополнительных возмущений. Данное обстоятельство крайне важно для прецизионных синтезаторов. В свою очередь, требования по широкополосности СЧ могут в значительной степени усложнить вопрос применения оптимального управления и внести коррективы в известные подходы.
В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная разработке алгоритма структурно-параметрического синтеза СЧ-ИФАПЧ с оптимальным управлением, является актуальной.
Цель работы и задачи исследования
Целью диссертационной работы является достижение предельных спектральных и динамических характеристик широкополосных синтезаторов частот СВЧ диапазона за счёт применения оптимальных методов фильтрации и управления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
1. Разработка алгоритма структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот с низким уровнем фазовых флуктуаций в заданной полосе частот с учётом нелокализованных возмущений со спектральной плотностью мощности различного порядка.
2. Исследование реализуемости оптимальных структур при проектировании синтезаторов частот.
3. Разработка и исследование алгоритма компенсации частотной расстройки на основе оптимального управления перестраиваемым генератором с нелинейной модуляционной характеристикой с учётом структуры петлевого фильтра и ограниченности координат кольца.
4. Анализ переходных характеристик ИФАПЧ синтезатора частот с оптимальным управлением с учетом характеристик синтезированного петлевого фильтра.
5. Оценка эффективности предложенных алгоритмов структурно-параметрического синтеза и алгоритма компенсации начальной частотной расстройки на основе оптимального управления.
6. Разработка и экспериментальное исследование СЧ-ИФАПЧ с коммутируемой структурой, подтверждение результатов теоретических исследований и определение рекомендаций по практической реализации результатов диссертации.
Методы исследования
Решение указанных выше задач осуществлялось с использованием методов теории непрерывных, дискретных линейных и нелинейных систем автоматического управления; методов оптимальной фильтрации и управления; методов численного решения уравнений на ЭВМ; методов статистической радиотехники.
Научная новизна
1. Разработан алгоритм структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот на основе теории оптимальной фильтрации Винера. Отличием предложенного алгоритма является учёт нелокализованных возмущений с полиномиальной спектральной плотностью мощности в заданной полосе частот.
2. На основе предложенного алгоритма синтеза получены структуры синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций в заданной полосе частот. Определены астатические свойства колец ИФАПЧ и тип частотно-фазовых детекторов, используемых при построении синтезаторов частот в зависимости от полосы анализируемых частот.
3. Разработан алгоритм компенсации частотной расстройки в кольце ИФАПЧ на основе оптимального управления перестраиваемым генератором с нелинейной модуляционной характеристикой для интегро-дифференцирующего петлевого фильтра.
4. Разработан алгоритм коммутации структуры и параметров синтезаторов частот, обеспечивающий предельный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальное управление переходным режимом в условиях ограниченных координат.
Практическая ценность работы
1. В диссертации разработан способ построения синтезаторов частот, обладающих низким уровнем фазовых флуктуаций синтезируемого сигнала. Полученные с его помощью структуры могут составить основу прецизионных синтезаторов частот, используемых при построении перспективных радиопередающих и радиоприемных устройств, систем радиомониторинга, радиоизмерительных систем.
2. Разработанные математические модели и способы оптимизации спектральных и динамических параметров синтезаторов частот легли в основу создания программ, которые можно использовать в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах для анализа и синтеза систем частотного синтеза различного назначения. Представленные модели позволяют снизить затраты на разработку систем связи на этапе проектирования.
3. Полученные в диссертации технические решения позволили сформулировать предложения по реализации оптимального управления переходным режимом в однокольцевых и двухкольцевых синтезаторах частот, имеющих интегро-дифференцирующий петлевой фильтр, при условии ограниченных координат.
4. Разработан аппаратно-программный комплекс, в состав которого входят однокольцевой и двухкольцевой синтезаторы частот с оптимальным управлением и коммутацией структуры и параметров на основе цифровых модулей компании Hittite. Указанный комплекс является экспериментальной базой при построении синтезаторов частот с высоким быстродействием.
5. Полученные результаты позволяют сформулировать предложения по повышению эффективности существующих и перспективных систем частотного синтеза.
Апробация результатов работы
Результаты работы обсуждались на 12-14-й международных научно-технических конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение»; всероссийской научно-практической конференции-выставке "Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения", г. Ярославль, 2009-2013 гг.; 9-й международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир-Суздаль; 19-й международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж; международном научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях», 2009-2013 гг.
Публикации по теме работы
Основные результаты диссертации опубликованы автором в 5 статьях (2 из них – в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 1 патенте, 12 докладах на международных и всероссийских конференциях и семинарах.
Внедрение результатов диссертации
Результаты диссертационной работы вошли в 4 отчета по НИР, выполняемых кафедрой РТС ЯрГУ им. П.Г. Демидова, учебный процесс кафедры РТС ЯрГУ им. П.Г. Демидова, учебный процесс кафедры «Автономных информационных и управляющих систем» МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИОКР ОАО «Луч» (г. Рыбинск), ОАО «НПО «ТРАНСКОМСОФТ» (г. Москва).
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и одного приложения, содержит 148 страниц, включая приложение (5 стр.), 79 иллюстраций, 1 таблицу.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Алгоритм структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот с ИФАПЧ на основе оптимальной фильтрации Винера для нелокализованных возмущений со спектральной плотностью мощности полиномиального типа в заданной полосе частот.
2. Алгоритм компенсации частотной расстройки на основе оптимального управления перестраиваемым генератором с нелинейной модуляционной характеристикой для интегро-дифференцирующего петлевого фильтра.
3. Способ коммутации структуры и параметров синтезаторов частот с целью оптимальной компенсации частотной расстройки для интегро-дифференцирующего петлевого фильтра при условии ограниченности координат кольца ИФАПЧ.
4. Экспериментальные образцы однокольцевого и двухкольцевого широкополосных синтезаторов частот СВЧ диапазона, выполненные на основе полученных алгоритмов.
Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца
При выборе определенного петлевого фильтра необходимо руководствоваться следующими соображениями: система с петлевым фильтром должна обеспечить подавление дискретных побочных компонент, а также внутренних и внешних шумов до заданного уровня. При этом кольцо ИФАПЧ должно обладать определенным запасом устойчивости, определяющим качество регулирования системы.
С выхода ГУН по цепи отрицательной обратной связи сигнал поступает на делитель частоты, (ДПКД/ДДПКД) который производит деление частоты входного сигнала на текущий коэффициент деления. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца Структура многокольцевого синтезатора частот на основе колец импульсно-фазовой автоподстройки частоты представлена на рис.1.3.
С целью сокращения коэффициента деления в многокольцевых синтезаторах частот используется перенос частоты ПГ в область низких частот. Транспонирование частоты ПГ осуществляется за счёт смесителя и ФНЧ, необходимого для фильтрации побочных составляющих. Выбирая частотный план, можно добиться небольшого числа паразитных спектральных составляющих в спектре формируемого сигнала. Как правило, это достигается при формировании сигналов с близкими частотами в кольцах ИФАПЧ и реализации нижнего преобразования. В структуре многокольцевых синтезаторов частот можно выделить опорные кольца (формируют грубую сетку частот) и выходное кольцо (формирует шаг синтезируемой сетки частот). j Опорное кольцок Рис.1.3. Структурная схема многокольцевого СЧ-ИФАПЧ
Шумовые характеристики функциональных узлов синтезаторов частот Одним из основных качественных показателей синтезаторов частот является спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых флуктуаций формируемого сигнала. Для оценки СПМ фазовых флуктуаций сигнала определим шумовые характеристики элементов, входящих в состав колец ИФАПЧ.
Анализ выражений (1.2) и (1.3) позволяет утверждать, что для описания эквивалентного фазового шума цифровых модулей СЧ-ИФАПЧ, включающих частотно-фазовый детектор и делители частоты, справедлива полиномиальная модель, которая включает две компоненты: белый фазовый и фазовый фликкер-шум.
Очень часто при проектировании широкополосных синтезаторов частот в качестве ФНЧ используют операционные усилители. Применение активных элементов в синтезаторах частот приводит к возрастанию СПМ фазовых флуктуаций синтезируемого сигнала. Согласно [57] реальный операционный усилитель имеет на его входах следующие источники шума: источник напряжения и два генератора тока (рис. 1.4). Для расчётов считаются известными СПМ шумов этих источников; как правило, подобную информацию представляют производители операционных усилителей. СПМ шума активного фильтра низких частот формируется спектральными плотностями мощности паразитных источников шума и зависит от схемотехнической реализации конкретного фильтра.
При анализе фильтрующих свойств колец ИФАПЧ их считают линейными системами автоматического регулирования, несмотря на то, что характеристики отдельных звеньев могут иметь ярко выраженную нелинейность. Прежде всего, это связано с тем, что в статическом режиме система ИФАПЧ находится в точке устойчивого равновесия. Малая величина помех, воздействующих на функциональные элементы кольца СЧ-ИФАПЧ, позволяет заменить нелинейные коэффициенты передачи отдельных звеньев касательными в точке, то есть линеаризовать систему ИФАПЧ [21, 25-28]. Во-вторых, как показано в [25], учёт влияния процесса дискретизации во времени в кольце ИФАПЧ с ФНЧ на интегральный уровень выходных фазовых шумов синтезаторов частот приводит к весьма малым уточнениям. В дальнейшем для математического описания синтезаторов частот в установившемся режиме будем использовать линейную фазонепрерывную модель.
На рис. 1.5 представлены структурные схемы однокольцевого, двухкольцевого и k-кольцевого синтезатора частот на основе импульсно-фазовой автоподстройки частоты СЧ-ИФАПЧ (рис. 1.5а) и их функциональные схемы (рис. 1.5б) с указанием внешних (опорный генератор (ОГ)) и внутренних (цифровой модуль (ЦМ), перестраиваемый генератор (ПГ), активный фильтр (АФ)) источников шума [58].
Структурно-параметрический синтез синтезаторов частот на основе оптимальной фильтрации Винера
Алгоритм структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот косвенного типа с применением теории непрерывной фильтрации Винера [69-71] изложен автором диссертации в [72-81]. Особенностью решаемой задачи оптимальной фильтрации является наличие нескольких возмущений (полезных и паразитных), что не позволяет воспользоваться классическим вариантом структурного синтеза. В отличие от известных подходов предлагается решить данную задачу в два этапа. На первом этапе осуществляется синтез оптимальных фильтров для внешних и внутренних возмущений. На втором происходит синтез структуры, которая сочетает свойства оптимальных фильтров, полученных на первом этапе, и параметрический синтез объединённой структуры с учётом неучтённых компонент возмущений. Критерием для параметрического синтеза СЧ-ИФАПЧ на втором этапе является минимум дисперсии фазы и частоты выходного сигнала в заданном частотном диапазоне [6, 21, 82] ст2(сон,сов)= в Sq)(co)dco, т2(а н,а в)= вco2Sq)(co)dco. (2.3) Пределы интегрирования (2.3) определяются исходя из особенностей радиотехнической системы, в которой используется СЧ-ИФАПЧ.
Рассмотрим предложенный алгоритм структурно-параметрического синтеза при проектировании однокольцевого синтезатора частот. С целью факторизации выражений (2.1), (2.2) предлагается сохранить только чётные компоненты СПМ воздействий. СПМ фазовых флуктуаций полезного сигнала и помехи для опорного канала и канала управления с учётом старшей компоненты полиномиальной модели СПМ возмущений имеют вид:
Однокольцевой СЧ-ИФАПЧ позволяет реализовать оптимальный фильтр-умножитель частоты для возмущений опорного канала и оптимальный фильтр для возмущений канала управления (2.7). В состав обоих фильтров входит интегратор с форсированием, при этом кольцо ИФАПЧ имеет 2-ой порядок астатизма. + G1OK(jco) Кф1{]со) = коэффициент передачи оптимального фильтра-умножителя для возмущений опорного канала с учётом старшей компоненты полиномиальной модели СПМ; Ho1K(jco)- коэффициент передачи оптимального фильтра для возмущений опорного канала; H1Qco)-коэффициент передачи оптимального фильтра для возмущений в канале управления; K1Ky(jco) - коэффициенты передачи петлевых фильтров; ку 21
Однокольцевой СЧ-ИФАПЧ позволяет реализовать оптимальный фильтр-умножитель частоты для возмущений опорного канала и оптимальный фильтр для возмущений канала управления (2.11). В этом случае кольцо ИФАПЧ имеет 1-ый порядок астатизма, при этом петлевой фильтр отсутствует. В определённых условиях может быть использован пропорционально-интегрирующий фильтр. Для этого необходимо, чтобы эквивалентная и пересчитанная с учётом возмущения (белой частотной компоненты) шумовые полосы кольца без петлевого фильтра и с ПИФ совпали
Если учесть, что в синтезаторах частот действует большое количество возмущений, спектральные плотности которых достаточно сложно описываются, то становится очевидным, что аналитическое решение параметрической оптимизации объединённой структуры невозможно.
В работе [26, 27] предлагается методика вычисления среднеквадратических оценок ПОЧ, ПОФ и оптимизации параметров СЧ с произвольной структурой и учётом только двух возмущений фазового шума сигналов ОГ и ПГ. В диссертационной работе при параметрическом синтезе предлагается учесть СПМ шума ЦМ и активного фильтра, при этом СЧ имеет структуру, полученную на первом этапе.
Используя полиномиальную модель возмущений, а также исходя из линейности модели кольца, предлагается интегрировать (2.3) отдельно по каждой составляющей суммы, вынося постоянные коэффициенты за знак интеграла. Для нахождения численных оценок ПОЧ и ПОФ с использованием полученных зависимостей в соответствии с (2.3) получим следующие выражения: определяющий точку приложения возмущений (k = 1 для шумов опорного канала, k = 2 для шумов канала управления). Для нахождения оптимальных параметров кольца (параметрической оптимизации) необходимо численно вычислить показатели качества (ПОЧ, ПОФ) во всей области допустимого изменения параметров кольца и определить значения параметров, обеспечивающих их минимум.
В качестве примера на рис. 2.1 представлены теоретические значения СПМ фазовых флуктуаций сигнала с частотой 10 ГГц двух СЧ: первый СЧ имеет 1-ый порядок астатизма (СПМ выделена синим цветом), второй СЧ с астатизмом 2-го порядка (СПМ выделена чёрным цветом). На рис. 2.1а представлены результаты структурно-параметрического синтеза без учёта старшей компоненты СПМ возмущений, на рис. 2.1б – с учётом старшей компоненты СПМ возмущений. Первый СЧ имеет минимальный уровень фазовых флуктуаций, следовательно, минимальное значение ПОФ формируемого сигнала в области частотных отстроек более 2-3 кГц.
В результате параметрического синтеза параметры объединённой структуры отличаются от параметров оптимальных структур для возмущений опорного канала и канала управления, которые были получены с применением винеровской фильтрации на первом этапе. Оценить погрешность фильтрации, вызванную отклонением параметров реализованной структуры СЧ по отношению к оптимальным структурам с учётом фликкерных компонент воздействий можно следующим образом [83]: ҐТл =
Особенности переходного процесса при оптимальном управлении в синтезаторе частот с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром
1. В главе предложен двухэтапный алгоритм структурно параметрического синтеза многокольцевых синтезаторов частот косвенного типа, обладающих предельно малым уровнем фазового шума синтезируемого сигнала в заданной полосе анализируемых частот. Структурно-параметрический синтез включает два этапа:
1) на первом этапе синтезируются оптимальные фильтры сигналов внешних и внутренних возмущений, имеющих полиномиальную модель распределения фазовых флуктуаций. Синтез осуществляется с применением теории оптимальной фильтрации Винера и учётом влияния старшей компоненты СПМ возмущений;
2) на втором этапе осуществляется поиск структуры физически реализуемого синтезатора частот, близкой к оптимальным фильтрам, полученным на первом этапе, и параметров, обеспечивающих минимум паразитных отклонений фазы и частоты формируемого сигнала. 2. Согласно предложенному алгоритму структурно параметрического синтеза получены оптимальные структуры физически реализуемых однокольцевых и многокольцевых синтезаторов частот. При этом были получены следующие основные результаты:
1) при реализации СЧ-ИФАПЧ для радиотехнических систем с низкой границей частоты анализа целесообразно использовать кольца 3-го порядка с астатизмом 2-го порядка, при реализации СЧ-ИФАПЧ в радиотехнических системах с высокой границей частоты анализа целесообразно использовать кольца с астатизмом 1-го порядка;
2) применения колец ИФАПЧ высокого порядка, используемых при построении синтезаторов частот, при больших коэффициентах деления практически нецелесообразно. В случае преобладания шума опорного канала значение ПОФ сигнала СЧ с кольцом 3-го порядка практически совпадает со значением ПОФ кольца 4-го и более высокого порядков. Выбор показателя колебательности и полосы единичного усиления колец ИФАПЧ осуществляется из условия минимизации паразитных отклонений частоты и фазы формируемого сигнала;
3) применение дробно-переменного коэффициента деления в обратной связи кольца ИФАПЧ позволяет увеличить частоту дискретизации кольца, тем самым уменьшить коэффициент умножения фазовых флуктуаций сигнала опорного генератора и ошибку фильтрации.
В результате чередования коэффициентов деления в выходном сигнале фазового детектора возникает регулярная фазовая ошибка, которая приводит к паразитной угловой модуляции сигнала перестраиваемого генератора, как результат появляются паразитные спектральные составляющие в спектре выходного сигнала. При практическом совпадении шага частотной сетки паразитные отклонения фазы и частоты сигнала синтезатора частот с ДДПКД меньше паразитных отклонений фазы и частоты сигнала синтезатора частот с ДПКД в 1.5…2 раза. Стоит заметить, минимальные значения паразитных отклонений фазы и частоты сигнала синтезатора частот с ДДПКД достигается при полосе единичного усиления кольца ИФАПЧ, практически совпадающей с полосой единичного усиления кольца ИФАПЧ, используемого при построении синтезатора частот с ДПКД. Наличие паразитных спектральных составляющих в спектре сигнала СЧ-ИФАПЧ с ДДПКД и необходимость сокращения полосы единичного усиления кольца ИФАПЧ при их проектировании ограничивает применение подобных систем частотного синтеза на практике;
4) двухкольцевые СЧ-ИФАПЧ позволяют сократить уровень фазового шума сигнала на 15…20 дБ по сравнению с однокольцевыми СЧ. Уменьшение фазового шума происходит в области частотных отстроек, где преобладает белая фазовая компонента эквивалентного фазового шума цифровых модулей. В области частотных отстроек, где преобладает фликкерная компонента эквивалентного фазового шума цифровых модулей, уровень фазового шума сигнала двухкольцевого СЧ совпадает с уровнем фазового шума сигнала однокольцевого СЧ. Поэтому в области малых частотных отстроек однокольцевой СЧ не уступает многокольцевым. Применение оптимального управления в прецизионных многокольцевых синтезаторах частот
При разработке СЧ-ИФАПЧ большое внимание уделяется их динамическим характеристикам. При исследовании свойств динамического поведения синтезаторов особенно важной характеристикой является время переходных процессов – время перестройки синтезатора с одной частоты на другую, которое характеризует быстродействие приемо-передающей аппаратуры в целом. Реализация СЧ-ИФАПЧ со структурой, обеспечивающей минимальный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала, приводит к существенному возрастанию времени переходного процесса. Поэтому основной проблемой при создании современных СЧ является нахождение разумного компромисса по преодолению трех требований: широкой полосы синтезируемых с малым шагом сетки частот, скорости перестройки и чистоты спектра формируемых сигналов.
Развитие техники синтеза частот невозможно без всестороннего исследования динамики многокольцевых СЧ и минимизации времени переходного процесса с учётом нелинейных свойств колец ИФАПЧ. Существует определенная специфика при исследовании динамики многокольцевых СЧ-ИФАПЧ. В первую очередь, она связана с анализом динамики импульсных систем фазовой синхронизации (СФС), являющихся звеньями более сложных систем частотного синтеза. Исследованию динамики импульсных СФС посвящено достаточно много работ, написанных как российскими, так и зарубежными авторами [25, 27, 28, 45-51, 54, 55]. Во многих работах отмечается увеличение времени переходного процесса из-за нелинейных свойств основных звеньев: ИЧФД3, ГУН, входящих в состав колец ИФАПЧ. Достаточно широко в последнее время освещено влияние элементов задержки, неравенства токов заряда и разряда аналоговой части ИЧФД3 на длительность переходного процесса [23].
Метрологическое обеспечение измерений динамических и спектральных характеристик синтезаторов частот
В главе приводится описание структурных схем, расчёт, результаты практической реализации и экспериментальных исследований однокольцевого синтезатора частот с оптимальным управлением и двухкольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона, разработанных автором диссертации. Основой разработок являются результаты, полученные в диссертационной работе:
1. С помощью структурно-параметрического синтеза многокольцевых синтезаторов частот, представленного во второй главе диссертации, были получены структуры и параметры колец ИФАПЧ, используемые при реализации синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала.
2. С целью повышения быстродействия синтезаторов частот на основе импульсно-фазовой автоподстройки частоты с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала были использованы результаты применения оптимального управления, представленные в третьей главе диссертационной работы.
Некоторые технические решения, используемые при реализации разработанных устройств, защищены патентом на полезную модель, включенную в список публикаций автора [13]. Разработка устройств выполнялась в соответствии с техническим заданием, включающим в себя требования к основным характеристикам: диапазону рабочих частот, шагу частотной сетки, долговременной и кратковременной нестабильности частоты, быстродействию – и требования, связанные со спецификой конкретных устройств. К числу последних относятся требования к эксплуатационно-техническим характеристикам, определяющие массо-габаритные параметры, энергопотребление, температурные режимы, способ управления и т.п.
Требования к основным характеристикам устройств синтеза частот являются противоречивыми. К ним относятся: требования к шагу частотной сетки, быстродействию и качеству спектральных характеристик выходного сигнала. Реализация совокупности требований по данным характеристикам приводит к необходимости не только поиска новых научных решений, направленных на преодоление этих требований, но и разработки методики практического применения новых результатов.
Методика проектирования синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальным управлением
Теоретические результаты, представленные в предыдущих главах, позволяют определить методику проектирования многокольцевых синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальным управлением. В качестве исходных данных при проектировании синтезаторов частот обычно задаются: диапазон синтезируемых частот; шаг частотной сетки; время переходного процесса; уровень СПМ фазовых флуктуаций выходного сигнала; уровень паразитных дискретных составляющих.
Порядок проектирования СЧ-ИФАПЧ включает в себя несколько этапов:
1. Выбирается опорный кварцевый генератор и осуществляется интерполяция СПМ фазовых флуктуаций его сигнала.
2. Исходя из диапазона синтезируемых частот, выбирается генератор, управляемый напряжением, осуществляется интерполяция СПМ фазовых флуктуации его сигнала и статической модуляционной характеристики.
3. Исходя из требований к уровню фазовых флуктуаций выходного сигнала анализа предельно достижимого уровня фазового шума многокольцевого синтезатора частот, выбираем число колец ИФАПЧ, используемых при построении системы частотного синтеза. Согласно предложенному алгоритму структурно-параметрического синтеза, астатические свойства колец определяются исходя из соотношения нижней границы полосы анализируемых частот и областью частотных отстроек с преобладанием фликкер-частотного шума возмущений опорного канала и канала управления. Порядок и значения параметров колец определяются из условия минимизации паразитных отклонений частоты, фазы и дискретных составляющих формируемого сигнала.
4. С целью минимизации общего времени переходного процесса многокольцевого синтезатора частот предлагается использовать оптимальное управление и коммутацию структуры и параметров наиболее инерционных колец ИФАПЧ. Выражения (3.6) позволяют определить моменты переключения и выключения управляющего воздействия, рассчитанного для кольца ИФАПЧ 3-го порядка, с учётом нелинейной статической модуляционной характеристики перестраиваемого генератора.
Выбор величины управляющего воздействия обусловлен требованием к времени переходного процесса и существующими возможностями элементной базы.
