Syntezery częstotliwości.

1) Pojęcie syntezy częstotliwości i rodzaje klas syntezerów.

Częstotliwość jest wielkością fizyczną, którą można obecnie wytwarzać z bardzo dużą dokładnością. Wynika to z tego, że zmniejszenie odstępów międzykanałowych
i stosowanie modulacji wąskopasmowych po­woduje znaczny wzrost wymagań na dokładność i stabilność częstot­liwości nośnych nadajników radiowych i generatorów lokalnych odbior­ników.

Źródłami częstotliwości o największej dokładności i stabilności są wzorce atomowe i wzorcowe generatory kwarcowe, pracujące w opty­malnych warunkach. Źródła te mogą dostarczać tylko jedną ściśle ok­reśloną częstotliwość. Aby otrzymać dowolną wartość pożądanej częs­totliwości, nie tracąc przy tym na dokładności i stabilności, buduje się urządzenia elektroniczne zwane syntezerami częstotliwości.

Syntezery częstotliwości stanowią bardzo szeroką klasę urządzeń.
W najprostrzych, wytwarzana jest jedna częstotliwość wyjściowa, a w bardziej skomplikowanych rozwiązaniach za pomocą przełączników można wybierać dowolną częstotliwość ze zbioru kilku miliardów częstotli­wości wyjściowych. Najogólniej synteza częstotliwości sprowadza się do realizacji prostych operacji mnożenia
i dzielenia częstotliwości wzorcowej przez liczby naturalne oraz operacji dodawania
i odejmowa­nia częstotliwości. Podstawowymi układami realizacji wymienionych przekształceń są powielacze i dzielniki częstotliwości oraz miesza­cze i filtry. Układy te oprócz swych zasadniczych funkcji wprowadza­ją zawsze niepożądane napięcia zakłócające w postaci szumów i częs­totliwości niepożądanych. Zakłócenia te powodują, że widmo napięcia wyjściowego z syntezera nie przedstawia sobą idealnie czystego prąż­ka i może być znacznie bardziej zakłócone od widma napięcia pocho­dzącego od generatora wzorcowego. Dlatego najistotniejszym problemem syntezy częstotliwości jest wybór odpowiednich układów elektronicz­nych i ich optymalizacja pod kątem minimalizacji napięć zakłócających.

Syntezery częstotliwości możemy podzielić na następujące klasy:

- Syntezery częstotliwości projektowane dla konkretnych zas­tosowań bez wykorzystania jakiejś ogólnej zasady działa­nia. Wszystkie bloki takiego syntezera mogą być różne i nie istnieje możliwość rozszerzenia układu i adaptacji do innych wymagań.

- Iteracyjne syntezery częstotliwości, które budowane są z jednakowych bloków dekad syntezy. W każdej dek­adzie D powtarzane są takie same operacje arytmetyczne,
a mianowicie sumowanie i dzielenie częstotliwości przez 10. Łącząc od­powiednią liczbę dekad syntezy można otrzymać dow­olnie mały skok częstotliwości, który ograniczony jest prak­tycz­nie dokładnością wzorca.

- Synchronizowane syntezery częstotliwości działa na zasad­zie synchronizacji fazy dwóch sygnałów: wz­or­cowego i wyj­ściowego.

2) Zastosowania syntezerów częstotliwości.

Syntezery znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach współczesnej techniki. Do zalet ich możemy zaliczyć:

- istotne zwiększenie się dokładności dostrojenia i stabilności częstotliwości w warunkach eksploatacji, gdy występują wibracje, zmiany ciśnienia, wilgotności, temperatury czy też zmiana napięć zasilania;

- uproszczony i skrócony zostaje proces dostrojenia ponieważ urządzenia skalowane zastąpione zostają przez grupę przełączników i wyświetlaczy cyfrowych;

- pojawia się możliwość zmiany częstotliwości w/g zadanego prog­ramu, także zdalnie oraz z szybkością w zasadzie nieosiągalną przy wykorzystaniu zwykłych generatorów;

- zmniejszona zostaje liczba operacji dotyczących korekcji częs­totliwości w przypadku starzenia się elementów bądź zmiany ich parametrów w czasie, nie występuje prawie problem korekcji częstotliwości (dotychczas była ona dokonywana w kilku miej­scach zakresu), a rozstrojenia należą do rzadkości;

- nie ma konieczności stosowania dużej ilości specjalizowanych elementów, których produkcja wymaga wysoko specjalizowanego personelu;

- uproszczona zostaje regulacja oraz przygotowanie aparatury, a współczesne cyfrowe systemy syntezy częstotliwości zbudowane bardzo często na układach wielkiej skali integracji wcale nie wymagają regulacji;

- polepsza się stosunek sygnału do szumu na wyjściu syntezera w skutek obniżenia poziomu pasożytniczych składowych widma na­dajnika oraz heterodyn odbiorników;

- możliwa jest unifikacja źródeł sygnałów;

- wznaczny sposób polepsza się niezawodność aparatury;

Zakres zastosowań syntezerów częstotliwości można podzielić na trzy grupy:

- telekomunikacja, gdzie syntezery są źródłami fal nośnych pilo­tów i innych sygnałów, w stosunku do których stawia się ostre wymagania dotyczące stałości częstotliwości;

- miernictwo telekomunikacyjne;

- systemy, w których istotną rolę odgrywa programowana szybka zmiana częstotliwości;

3)Metody analizy syntezy częstotliwości.

Proces syntezy częstotliwości może przebiegać w oparciu o syntezę i analizę. Synteza ma tę wadę, że napięcie wyjściowe zanika przy braku jednej ze składowych częstotliwości. Niekorzystnym jest również i to, że bezwzględna szerokość wstęgi po każdym mieszaniu musi być zwiększona. Jeżeli poszczególne stopnie nie mają możliwości tłumienia częstotliwości niepożądanych, występujących przy mieszaniu, to każdy stopień musi mieć odpowiednio mniejszy od wymaganego poziomu częstotliwości niepożądanych. Metoda analizy ułatwia wyeliminowanie częstotliwości niepożądanych, gdyż bezwzględna szerokość wstęgi po każdym mieszaniu może być zmniejszona.

Metoda syntezy nadaje się do urządzeń jednowstęgowych pracujących na stałych częstotliwościach lub z wąskimi pasmami częstotliwości. Przy stosowaniu metody syntezy do pokrycia dużego zakresu częstotliwości, występują kłopoty z wytłumieniem niepożądanych częstotliwości, powstałych przy formowaniu częstotliwości wyjściowej. Przy metodzie syntezy osiąga się tłumienie częstotliwości niepożądanych maksimum 80 dB. Metoda analizy nie ma tej wady i umożliwia osiągnięcie tłumienia częstotliwości niepożądanych więcej niż 120 dB.

4) Zasady syntezy częstotliwości.

4.1) Podział metod syntezy częstotliwości.

Wytworzenie dużej liczby częstotliwości z jednej lub kilku częs­totliwości wzorcowych jest zagadnieniem bardzo złożonym. Głównym problemem jest wytworzenie pożądanej częstotliwości z odpowiednim tłumieniem niepożądanych częstotliwości, takich jak częstotliwości kombinowanych, harmonicznych, itp. Tłumienie tych niepożądanych częstotliwości powinno wynosić od 60 do 120 dB.

Współcześnie stosowane są trzy techniki syntezy częstotliwości:

- synteza bezpośrednia - w której operacje mnożenia, dzielenia, dodawania, odejmowania częstotliwości wykonywane są przy uży­ciu generatorów harmonicznych, modulatorów, filtrów i dzielni­ków;

- synteza pośrednia - w której wykorzystuje się pętlę synchroni­zacji fazowej(PLL);

- cyfrowa synteza częstotliwości - polegająca na okresowym obli­czaniu w czasie rzeczywistym fazy sygnału i odtwarzaniu sygna­łu z próbek odszukanych w pamięci dla dyskretnych wartości fazy i dostarczanych w czasie rzeczywistym;

Podział metod syntezy częstotliwości:

a) metoda pasywna;

- analogowa;

* czystego sumowania i odejmowania;

* czystego sumowania i dzielenia;

* syntezy częstotliwości;

* selekcjonowania harmonicznych;

* potrójnej przemiany;

* podwójnej przemiany;

* sumowania, mnożenia i dzielenia

(Brute - Force);

- cyfrowa;

* bezpośrednia;

b) metoda aktywna;

- analogowa;

* zasilania równoległego;

* zasilania szeregowego;

* cyfrowego komparatora częstotliwości;

* detektora częstotliwości połączonego równolegle z de­tektorem fazy;

* detektora fazowo - częstotliwościowego;

* AC detektora i generatora podstawy czasu;

* pomocniczego detektora fazy;

- cyfrowa;

* podwójnej pętli;

* wielopętli;

* dzielnika o ułamkowym stopniu dzielenia;

Systemy aktywnej syntezy częstotliwości lub też w skrócie systemami syntezy aktywnej nazywamy systemami koherentnej syntezy częstotliwości, w których filtracja częstotliwości syntezowanego sygnału jest realizacja przy pomocy aktywnego filtru w postaci układu pętli synchronizacji fazy (PLL). Systemy pasywnej syntezy częstotliwości nazywamy systemy koherentnej syntezy częstotliwości, w których filtracja oscylacji syntezowanej częstotliwości jest realizacja bez zastosowania układu PLL.

Systemy jednego i drugiego typu mogą być wykonane w całości na elementach analogowych lub też przy pomocy szerokiego zastosowania podzespołów cyfrowych. Systemy aktywnej syntezy częstotliwości, w których filtrowanie oscylacji syntezowanej częstotliwości dokonuje się przy pomocy aktywnego filtrów postaci układu PLL wykonywanego w oparciu o cyfrowe podzespoły nazywane są systemami aktywnej cyfrowej syntezy częstotliwości. Systemy pasywnej syntezy częstotli­wości realizowane metodą techniki cyfrowej nazywane są systemami pasywnej cyfrowej syntezy częstotliwości. W tych przypadkach, gdy wykluczona jest możliwość nieporozumień, jedne i drugie systemy nazywamy układami syntezy cyfrowej.

Na rys.1. przedstawiony jest strukturalny schemat najprostsze­go systemu syntezy pasywnej.

Częstotliwość wzorcowego generatora (GW) f₀ (pierwotna częstotli­wość wzorcowa) jest podawana na wejście mieszacza, w którym przy pomocy układu mnożącego i dzielnika częstotliwości wytwarzane są dwa przebiegi o częstotliwościach f₁=f₀M₁ oraz f₂=f₀/M. Podawane są one na wejścia dwóch tzw. generatorów harmonicznych GH-1 i GH-2. Każdy z nich składa się z układu formowania impula6w oraz przestrajanego filtru pasmo­wego. Pierwszy z nich przekształca wejściową quasi-harmoniczną os­cylację w ciąg bardzo krótkich (w porównaniu z okresem tej oscy­lacji) impulsów tej częstotliwości. Widmo tego sygnału posiada wyrażne wyższe harmoniczne, które za pomocą filtru są odpowiednio wydzielane. W rezultacie tego na wyjściach generatorów harmo­nicznych uzyskujemy quasi-harmoniczne o częstotliwościach N₁f₀M₁ oraz N₂f₀/M₂. Obie to harmoniczne są podawane na sumator częstotliwości składający się z mieszacza oraz przestrajalnego filtru pasmowego. Filtr wydziela z widma produktu mieszacza sygnał o pot­rzebnej częstotliwości.

Wadą omawianego systemu jest duża liczba niepożądanych składowych wyjściowych, których poziomy trudno jest zminimalizować. W widmach sygnałów wyjściowych istnieją składowe o częstotliwościach n₁f₀ oraz n₂f₀/M₂ gdzie n₁ oraz n₂ mogą przyjmować wszystkie wartości całkowite. Składowe tych częstotliwości zawierają widma wyj­ściowych napięć generatorów harmonicznych, przy czym niepożądanymi są tutaj wszystkie składowe oprócz odpowiadających n₁=N₁M₁ oraz n₂=N₂. Całkowite widmo sygnału wyjściowego składa się z dużej ilości prążków o częstotliwościach f₀(n₁+n₂/M₂), z których tylko jedna jest pożądana. Poziom wszystkich pozostałych składowych za­leży głównie od efektywności filtrów.

Na rys.2. jest przedstawiany schemat strukturalny najprostszego systemu aktywnej syntezy z układem PLL.

Wyjściowa częstotliwość f wytwarzana jest tutaj przy pomocy generatora G, płynnie przestrajanego przy pomocy elementu reaktancyj­neg, który jest sterowany napięciem podawanym z detektora fazy DF przez filtr dolno-przepustowy FDP

Całość generatora oraz elementu reaktancyjnego tworzy tzw. generator przestrajany napięciem (VCO). Generator częstotliwości wzorcowej wypracowuje sygnały o częstot­liwościach wzorcowych f₀M₁, f₀/M₂ i f₀M₃. Sygnały o częstotliwości f0/M2 tak jak na rys.2.1 podawane są do generatora harmonicznych, na wyjściu którego uzyskujemy sygnał o częstotliwości N₂f₀/M₂ gdzie N₂ może przyjmować pewien szereg wartości liczb całkowitych. Sygnały o częstotliwościach f0, f0Mi oraz N2f0/M2 są podawane do toru przekształcania częstotliwości. W torze tym zakres częs­totliwości wejściowej ulega przetworzeniu w bardziej wąski zakres częstotliwości lub w jedną częstotliwość.

Podsumowując

Struktury wyżej omówionych systemów są proste konstrukcyjnie, a czas ustalenia się częstotliwości sygnałów wyjściowych może być zredukowany do μs, dziesiątek a nawet jednostek ns. Prawdopodo­bieństwo pojawienia się na wyjściu częstotliwości różnej od usta­wionej jest niewielkie. Systemy te posiadają jednak istotne wady. Trudno w nich uzyskać sygnały wyjściowe o wysokiej czystości widma. Podwyższenie częstotliwości widma osiągane jest przez zastosowanie dużej ilości wysokoefektywnych filtrów, które przy współczesnym poziomie techniki nie poddają się minimalizacji na wszystkich częstotliwościach. W związku z tym zwiększają się gabaryty, masa oraz koszty aparatury. Z reguły w systemach tych wykorzystywana jest duża liczba częstotliwości wspomagających, od których wymaga się dużej częstotliwości widmowej - wyższej niż w stosunku do częstot­liwości wyjściowych całego systemu.

Systemy pasywnej syntezy cyfrowej zapewniają również wysoką szybkość przestrajania, jak i systemy syntezy pasywnej analogowej. Jednak w odróżnieniu od analogowych, systemy te są wykonywane przy użyciu obwodów scalonych oraz obwodów scalonych dużej skali inte­gracji.

Ogólną zaletą systemów pasywnej syntezy częstotliwości zarówno analogowych, jak i cyfrowych jest to, że zmniejszenie kroku siatki uzyskuje się w nich bez specjalnych trudności.

RYS.1. Najprostszy schemat syntezy pasywnej.

gdzie:

- UTSC - układ tworzący siatkę częstotliwości;

- UFI - układ formujący impulsy;

- FP - filtr pasmowy;

- M - mieszacz;

RYS

Rys.2. Najprostszy schemat syntezy aktywnej

Gdzie:

- DF - detektor fazy;

- FDP - filtr dolnoprzepustowy;

- ER - element reaktancyjny;

-VCO - generator przestrajany napięciem;

Częstotliwość wyjściowa syntezera jest równa.

(1)

4.2) Opis metod pasywnej syntezy częstotliwości.

a) Metoda czystego dodawania i odejmowania częstotliwości.

RYS.3. Schemat blokowy metody czystego dodawania i odejmowania częstotliwości

Wady tej metody:

• duża ilość rezonatorów kwarcowych:

• niedokładność i niestałość wszystkich częstotliwości sumuje się w częstotliwości wyjściowej;

• duża liczba częstotliwości niepożądanych, które trzeba odfiltrować;

b)Metoda prostego dodawania i dzielenia częstotliwości.

RYS.4Schemat blokowy metody prostego dodawania i dzielenia częstotliwości.

Gdzie:

-GW1, GW2, GW3, GW4 -kwarcowe generatory wzorcowe

-f/10 - dzielnik częstotliwości

Wady tej metody:

• duża ilość rezonatorów kwarcowych:

• niedokładność i niestałość wszystkich częstotliwości sumuje się w częstotliwości wyjściowej;

• duża liczba częstotliwości niepożądanych, które trzeba odfiltrować;

c)Metoda selekcjonowania harmonicznych;

RYS.5.Schemat blokowy metody selekcjonowania harmonicznych.

Zalety metody:

-stosowanie pojedynczego generatora wzorcowego;

-prostota układu syntezera:

Wady metody:

-trudności z wykonaniu filtru pasmowoprzepustowego o odpowiednim nachyleniu zboczy charakterystyk.

d)Metoda syntezy częstotliwości.

RYS.6.Schemat blokowy układu metody syntezy częstotliwości.

Zalety metody:

-stosowanie pojedynczego generatora wzorcowego;

Wady metody:

-niedokładność i niestałość wszystkich częstotliwości sumuje się w częstotliwości wyjściowej;

-duża liczba częstotliwości niepożądanych, które trzeba odfiltrować;

e)Metoda podwójnej przemiany częstotliwości.

RYS.7.Schemat blokowy układu metody podwójnej przemiany częstotliwości.

Zalety metody:

-stosowanie pojedynczego generatora wzorcowego;

Wady metody:

-trudności z wykonaniu filtru pasmowoprzepustowego o odpowiednim tłumieniu częstotliwości niepożądanych.

f)Metoda potrójnej przemiany częstotliwości.

RYS.8.Schemat blokowy układu metody potrójnej przemiany częstotliwości.

Wady metody:

-trudności z wykonaniu filtru pasmowoprzepustowego o odpowiednim tłumieniu częstotliwości niepożądanych.

-duża liczba pasożytniczych częstotliwości.

g) Metoda dzielenia, powielania i dodawania częstotliwości.

RYS.9.Schemat metody Brute-Force.

Wady metody:

-trudności z wykonaniu filtru pasmowoprzepustowego o odpowiednim tłumieniu częstotliwości niepożądanych.

-duża liczba pasożytniczych częstotliwości.

4.3) Opis metod aktywnej syntezy częstotliwości.

a)PLL ze sterowaniem równoległym.

RYS.10. PLL ze sterowaniem równoległym.

99-11-04

4

99-11-04

-K-

---