СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНТЕЗА ЧАСТОТ

Формирование качественного и точного опорного сигнала для каких-либо радиотехнических приборов – одна из основных задач при их проектировании. Для этого в современных приборах используются специальные устройства – синтезаторы частот (СЧ). Они формируют сигнал необходимого вида с необходимыми характеристиками на основе сигнала, полученного с опорного генератора. В связи с этим к СЧ предъявляются требования по следующим важным параметрам: время перестройки, побочные составляющие сигнала, диапазон рабочих частот, шаг переключения частоты. Методов синтеза частот, используемых в СЧ несколько. Основными считаются метод прямого цифрового синтеза (DDS) и метод фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). 

Метод прямого цифрового синтеза (DDS от лат. DirectDigitalSynthesis) – сравнительно новый метод синтеза аналогового сигнала. Сигнал с помощью этого метода формируется следующим образом: с опорного генератора на аккумулятор фазы подается тактовый сигнал. Также на аккумулятор фазы подается код частоты. Аккумулятор выдает сигнал, который является адресом памяти, где хранится значение функции, форму которой должен иметь сигнал (чаще всего синус). Входное значение для памяти – аргумент функции, выходное – значение функции для данного аргумента. Далее сигнал с памяти устройства поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). После ЦАП сигнал попадает на фильтр и на выходе фильтра мы получаем необходимый нам сигнал.Структурная схема данного синтезатора представлена на рисунке 1. Шаг сетки в данном методе определяется следующей формулой:, где F_clk – частота ОГ, N – разрядность аккумулятора фазы. Рабочий диапазон частот, а именно максимальная синтезируемая частота, по теореме Котельникова не может превышать половины частоты ОГ, а на практике он еще меньше. Таким образом, для DDS СЧ необходим высокочастотный ОГ. Для СЧ с ФАПЧ такой необходимости нет. Время перестройки частот у данного вида синтезаторов составляет порядка 10^-9 с. Зависит это время от текущего состояния СЧ и от кода частоты, который поступает на аккумулятор [1].

Рисунок 1. Структурная схема прямого синтезатора частот

Метод формирования частоты с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) основан на компенсации разности частот сигнала с генератора, управляемого напряжением (ГУН) и сигнала с опорного генератора (ОГ). Обнаружение ошибки обеспечивается фазовым детектором (ФД), который работает на определенной частоте. Эта частота получается путем деления частоты ОГ на коэффициент N. Частота ГУН делится на коэффициент M и затем сравнивается с рабочей частотой ФД. При отклонении частоты ГУН от рабочей частоты ФД на выходе ФД появляется управляющее напряжение, которое поступает на ГУН. Он же в свою очередь подстраивает частоту пока не будет компенсировано воздействие управляющего напряжения. Эта операция повторяется до тех пор, пока на выходе ФД будет напряжение. Структурная схема данного синтезатора представлена на рисунке 2. Шаг сетки в данном методе определяется следующей формулой: , где F_clk – частота ОГ, N – коэффициент деления частоты опорного генератора перед ФД. Максимальная синтезируемая частота в данном методе не ограничивается частотой опорного генератора, так как данный метод синтеза частот работает по принципу усиления. Максимальная частота  в этом случае определяется свойствами ГУН. В сравнении с DDS СЧ время перестройки частот выше. Это обуславливается наличием обратной связи и наличием переходного процесса в петлевом фильтре. Сейчас время перестройки таких СЧ примерно равно 10^-6 – 10^-3 с[2,3].

Рисунок 2. Структурная схема синтезатора с ФАПЧ

Побочные составляющие спектра для DDS СЧ и СЧ с ФАПЧ представлены на рисунках 3 и 4. По этим графикам видно, что побочные составляющие спектра для DDS СЧ и СЧ с ФАПЧ соответственно равны -60 дБ и -130 дБ для выходной частоты 25 кГц. Это объясняется фильтрацией нежелательных составляющих петлей ФАПЧ разрядностью DDS синтезаторов.

Рисунок 3. Спектр выходного сигнала DDS СЧ до (верхний график) и после (нижний график) фильтрации при синтезе сигнала частотой 25 кГц

Рисунок 4. Спектр выходного сигнала СЧ с ФАПЧ при синтезе сигнала частотой 25 кГц

Помимо методов построения синтезаторов частот, так же есть различные методы подбора параметров при построении тех или иных типов СЧ. Одним из таких методов является метод подбора коэффициентов делителей в петле ФАПЧ с помощью диофантовых линейных уравнений. Этот метод предложил американский ученый Пол Сатиридас. Метод позволяет подобрать целочисленные коэффициенты деления, которые обеспечат достаточно малый шаг сетки частот, достаточно быстрое время перестройки и малые шумы, особенно вблизи несущей частоты. Все эти параметры достигаются за счет свойств синтезатора частоты на базе ФАПЧ и за счет небольших коэффициентов деления в петле ФАПЧ. Минусом данного метода является использование не одной петли ФАПЧ, тем самым увеличивая громоздкость схемы, но повышая ее функциональные возможности. Например, при несущей частоте 5 МГц необходимо 4 петли ФАПЧ для достижения шага сетки частот 0.25 Гц. Подробнее данный метод рассмотрен в [3]. Так же там представлен алгоритм подбора коэффициентов деления для петли ФАПЧ.

Таким образом, был проведен сравнительный анализ двух самых распространенных методов синтеза частот и были рассмотрены основные характеристики данных методов. Основываясь на этих характеристиках можно выбрать необходимый метод для решения поставленной задачи.

Список литературы:

1. Теплов В.Ю. Методы синтеза частот./В.Ю. Теплов. - Казань.: Казанский университет, 2015 – 45 с.
2. Шапиро Д.Н., Паин А.А. Основы теории синтеза частот./Д.Н. Шапиро. - М.: Радио и связь, 1984 – 264 с.
3. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике связи./А.В. Рыжков. - М.: Радио и связь, 1991– 284с.