Модуль 15

Уральский Государственный Технический
Университет – УПИ
Радиотехнический Институт - РТФ
Кафедра ВЧСРТ
УГФС
Устройства генерирования и
формирования сигналов
ВОЗБУДИТЕЛИ
РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ
Лекторы
Харитонов Феликс Васильевич
Булатов Лев Иосифович
Авторы Булатов Л.И.
Гусев Б.В.
Лагунов Е.В.
УГФС

Студент должен знать: требования к
возбудителям современных
передатчиков, методы формирования
сетки стабильных дискретных частот
с заданным шагом в определенном
диапазоне, структуру синтезаторов
сетки дискретных частот.
УГФС
Темы лекций
Требования к синтезаторам
 Пассивные некогерентные синтезаторы
 Синтезатор с идентичными декадами
 Синтезаторы с использованием
косвенного метода синтеза сетки
дискретных частот
 Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ

УГФС
Автогенераторы с колебательным
контуром, определяющим частоту
автоколебаний, а также кварцевые
автогенераторы используются в качестве
возбудителей только в простых
радиопередатчиках.
 Возбудители современных
радиопередатчиков – это сложные
устройства, в состав которых входят
автогенераторы, усилители, умножители
и делители частоты, системы
автоматической подстройки частоты.

УГФС
Стабильность частоты на выходе
возбудителя определяется требованиями
МККР (Международного консультативного
комитета по радио) к данному классу
радиопередатчиков. Как правило,
относительная нестабильность
генерируемых в возбудителе колебаний
лежит в диапазоне 10-5 – 10-7.
 При таких требованиях к стабильности
частоты очень трудно создать
возбудитель с плавной перестройкой
рабочей частоты.

УГФС

По этой причине в качестве
возбудителей используются синтезаторы
сетки дискретных частот (СЧ).
Синтезаторы сетки дискретных частот –
это устройства, генерирующие
высокостабильные колебания, частота
которых изменяется в заданном
диапазоне дискретно с определенным
шагом – F. Шаг сетки F в
коротковолновых передатчиках – от
долей герца до сотен герц, в
ультракоротковолновых – единицы или
десятки килогерц.
УГФС
Требования к возбудителям РПУ
Возбудители РПУ должны обеспечивать:
 диапазон рабочих частот fМИН - fМАКС
 шаг сетки частот - F – минимальный
интервал перестройки (переключения)
рабочей частоты возбудителя
 долговременную нестабильность частоты
f/f = 10-5-10-9
 заданное время перехода с одной
рабочей частоты на другую

УГФС
Требования к возбудителям РПУ
мощность РВЫХ колебаний на выходе
возбудителя. Обычно РВЫХ = 1-10 мВт
 коэффициент подавления побочных
колебаний D  10 lg PВЫХ / PПОБ
где РВЫХ, РПОБ - мощности рабочего и
побочного излучений на выходе
возбудителя. Побочные излучения могут
иметь сплошной спектр (тепловой шум)
или дискретный. По существующим
нормам D > 60-100 дБ

УГФС

По способу формирования выходного
сигнала синтезаторы делятся на
пассивные и активные. Иногда эти
способы называют прямым и непрямым
синтезом частот.
УГФС

В синтезаторах активного типа
выделение сигнала нужной частоты
осуществляется обычно с помощью
активного фильтра, например кольцом
ФАПЧ, включающим в себя
перестраиваемый автогенератор.
УГФС

В синтезаторах пассивного типа
выходной сигнал формируется путем
многократного преобразования
исходного опорного колебания и
выделением нужного колебания
пассивными фильтрами. Уровень
побочных частот на выходе синтезатора
этого типа зависит от качества фильтров.
Как правило, чистота спектра у
пассивного синтезатора хуже, чем у
активного.
УГФС
Интерполяционная схема
синтезатора

В состав этого устройства входит
кварцевый автогенератор G1,
генерирующий колебания с частотой f1.
УГФС

Относительная нестабильность этих
колебаний Δf1/f1 порядка 10-6 ÷ 10-7.
Второй автогенератор G2 генерирует
колебания с частотой f2. Это
автогенератор, который перестраивается
от f2 МИН до f2 МАКС. Относительная
нестабильность Δf2/f2 порядка 10-4.
Частота f2 выбирается примерно на
порядок меньше частоты f1. Колебания
этих генераторов подаются на
балансный смеситель, на выходе
которого появляются комбинационные
частоты – f1 + f2 и f1 – f2
УГФС

Полосовым фильтром выделяется одна
из комбинационных частот, как правило,
верхняя. На выходе полосового фильтра
выделяется сигнал, частота которого
может изменяться в диапазоне от
f1
+ f2 МИН до f1 + f2 МАКС при перестройке
второго автогенератора. Очевидно, что
при этом должен перестраиваться и
полосовой фильтр. Относительная
перестройка выходной частоты мала, так
как f2 << f1
УГФС

Относительная нестабильность частоты
выходного сигнала в этой схеме
определяется соотношением
 f 2 

f вых f1  f 2 f1 
1
1

 




f вых
f1  f 2
f1  1  f 2 f1  f 2  1  f1 f 2 
 Отношение f1 / f 2 называют
интерполяционным числом n. Значение n
выбирается равным 8 ÷ 10. Относительная
нестабильность выходной частоты в этом
устройстве получается равной 10-5, то есть
на порядок лучше относительной
нестабильности частоты плавного
диапазона f2
УГФС
Недостатки пассивного синтеза
низкий уровень подавления
побочных частот на выходе
устройства (около – 30 дБ)
 малый диапазон перестройки по
частоте
 относительно невысокая
стабильность выходной частоты.

УГФС
Синтезатор с идентичными
декадами
УГФС
Шаг сетки зависит от количества
совершенно одинаковых «декад», в
состав которых входит переключатель
каналов, преобразователь частоты,
полосовой фильтр и делитель на 10.
 Стабильность выходной частоты
синтезатора определяется
стабильностью эталонного генератора,
входящего в структуру датчика опорных
частот (ДОЧ)

УГФС

Путем операций деления, умножения
частоты эталонного генератора в ДОЧ
формируются вспомогательная частота f
и десять опорных частот, которые
подаются на десять шин синтезатора.
УГФС

На верхней шине частота равна 9f, на
соседней отличается на величину Δf и
так далее. На нижней, десятой сверху
частота колебаний равна 9f + 9Δf. Сигнал
с каждой из шин с помощью
переключателей n1, n2…..nm можно подать
на вход балансных модуляторов
УГФС

На входы первого балансного
модулятора подаются сигналы с
частотами f и 9f + n1Δf. Полосовой
фильтр выделяет, как правило, верхнюю
комбинационную частоту
9f+n1Δf+f=10f+n1Δf. После деления на 10
сигнал с частотой, равной f + 0,1n1Δf,
поступает на один из входов балансного
модулятора второй декады. На другой
вход подается со второго переключателя
частота 9f + n2Δf.
УГФС
После обработки сигналов во второй
декаде на ее выходе выходная частота
получается равной f + 0,1n2Δf + 0,01n1Δf.
В составе третьей декады нет делителя
частоты. В итоге на выходе синтезатора
формируется гармонический сигнал с
частотой fВЫХ=10f+n3Δf+0,1n2Δf+0,01n1Δf .
 Наращивая число декад, можно
получить сколь угодно малый шаг сетки
частот. В этом синтезаторе шаг сетки
равен 0,01Δf .

УГФС
Пример
Пусть синтезатор состоит из пяти декад
k=5. Последняя декада неполная.
 Пусть все переключатели находятся в
последнем десятом положении:
n5=n4=n3=n2=n1=9. Частота f =1МГц,
Δf =10 кГц.

f вых  (10  0,1n5  0,01n4  0,001n3 
 0,0001n2  0,00001n1 )МГц  10,99999 МГц
УГФС
Если все переключатели установлены в
нулевое положение f вых  10 МГц
 Нижняя частота синтезатора равна
fн=10f.
 Верхняя частота равна fв10f+10f.
 Коэффициент перекрытия по частоте
можно определить из соотношения
9f +9f / 10f . Шаг сетки - 1 Гц.

УГФС

Недостатком синтезаторов, построенных
по методу идентичных декад, является
необходимость применения большого
числа преобразователей частоты и
фильтров, что усложняет фильтрацию
побочных колебаний. Подавление их в
таких синтезаторах не более 60 – 80 дБ.
УГФС

Синтезаторы с использованием
косвенного метода синтеза сетки
дискретных частот
Лучшими характеристиками обладают
синтезаторы, в которых используется
цифровая техника совместно с
системами фазовой подстройки частоты
(косвенный метод синтеза сетки
дискретных частот). Эти синтезаторы на
выходе обеспечивают подавление
побочных колебаний до уровня
100
– 120 дБ, просты в управлении, менее
энергоемки.
УГФС
Основные элементы этой схемы:
 генератор, управляемый напряжением G2
(ГУН) – автогенератор c
параметрической стабилизацией
частоты. С помощью варикапа он
перестраивается в рабочем диапазоне
частот fМИН– fМАКС,

УГФС

делитель с переменным коэффициентом
деления частоты (ДПКД) – цифровой
делитель частоты, коэффициент
деления которого можно изменять через
единицу в диапазоне NМИН – NМАКС,
УГФС
опорный генератор G1 (ОГ) – эталонный
генератор с кварцевой стабилизацией
частоты f1 , определяющий стабильность
частоты на выходе синтезатора,
 делитель частоты с постоянным
коэффициентом деления m,

УГФС
фазовый детектор (ФД),
 фильтр нижних частот,
 управитель частоты ГУНа (варикап).

УГФС

Частота колебаний генератора,
управляемого напряжением, делится в N
раз с помощью ДПКД и импульсная
последовательность с частотой fВЫХ/N
поступает на один из входов импульснофазового детектора (ФД). На второй вход
ФД подается импульсная
последовательность с частотой
эталонного генератора, предварительно
деленной в m раз – f1/m. На выходе
фазового детектора напряжение
пропорционально разности фаз этих
импульсных сигналов.
УГФС
Через фильтр нижних частот, который
подавляет помехи в системе ФАПЧ,
напряжение ошибки подается на
варикап, который изменяет частоту ГУНа
так, чтобы свести к минимуму разность
фаз импульсных последовательностей
 В синхронном состоянии частоты
сигналов, которые сравниваются на
фазовом детекторе, равны:

f1 f ВЫХ

m
N
или
f ВЫХ
Nf1

m
УГФС
Меняя коэффициент деления N, можно
изменять частоту на выходе синтезатора
fВЫХ. Шаг сетки дискретных частот в этом
устройстве равен f1/m.
 Синтезаторы этого типа просты в
реализации, так как ГУН, ДПКД и
элементы ФАПЧ объединены в одной
микросхеме. Достаточно только
подключить к ней колебательную
систему, определяющую диапазон
рабочих частот синтезатора и
устройство, управляющее
коэффициентом деления ДПКД

УГФС
Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ

На входах ФД суммируются фазовые
шумы ОГ и ГУНа, продукты
детектируются, фильтруются,
усиливаются и управляют частотой
ГУНа, то есть определяют его спектр
УГФС
К1 - коэффициент передачи ФД;
 К2 - коэффициент передачи ФНЧ;
 К3 - коэффициент передачи управителя
ГУН;
 UШ 0 - шумы на выходе ГУНа;
 UШ ОГ - шумы опорного генератора

УГФС

Для шумов, спектр которых лежит в
полосе ФНЧ, можно записать
U Ш0

К3
 (U Ш ОГ  U Ш 0 ) К1К 2( р)
р
Знак «–» означает, что обратная связь в
кольце ФАПЧ отрицательная. Из
соотношения следует
U Ш0
U Ш ОГ
К1К 2( р ) К 3 / р

1  К1К 2( р ) К 3 / р
УГФС

Если К1=К2=К3, что возможно при
отсутствии ФНЧ, то
U Ш0
U Ш ОГ

1

1 р
Это уравнение ФНЧ первого порядка или
интегратора
УГФС
1. Фазовые шумы синтезатора в полосе
пропускания петли ФАПЧ определяются
фазовыми шумами опорного генератора.
 2. Если частота ГУНа в n раз выше
частоты ОГ (или частоты сравнения), то
фазовые шумы синтезатора на 20 lg n
выше фазовых шумов ОГ. То есть
медленные изменения частоты ОГ
полностью отрабатываются кольцом
ФАПЧ, увеличиваясь на выходе в n раз.

УГФС

Для шумов, лежащих выше полосы
фильтра, в частности для шумов ГУНа,
запишем
U Ш 0  U Ш ГУН  U Ш 0 К1К 2 К 3 / р
UШ0 

U Ш ГУН
UШ0
11/ р
U Ш ГУН
р

1 р
За полосой пропускания петли ФАПЧ
шумы определяются только
собственными шумами ГУНа
УГФС
Список литературы



Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/
В.В. Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др.;
Под ред. В.В.Шахгильдяна.- 3-е изд.,перераб.и доп.
– М.: Радио и связь, 1996.- 560 с.
Радиопередающие устройства:Учебник для
вузов/.В.В. Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин
и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна.- 4-е
изд.,перераб.и доп. – М.: Радио и связь, 2003.
Устройства генерирования и формирования
радиосигналов: Учебник для вузов /
Л.А.Белов,В.М.Богачев, М.В. Благовещенский и др.;
Под ред. Г.М. Уткина , В.Н. Кулешова, М.В.
Благовещенского. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.:
Радио и связь, 1994. – 416 с.