Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор рационального метода построения синтезированных гетеродинов для панорамных РПУ
1.1 Основные требования к техническим характеристикам синтезированных гетеродинов 20
1.2 Сравнительный анализ методов синтеза гетеродинных частот 22
1.3 Исследование особенностей тандемных схем построения синтезированных гетеродинов 39
Глава 2. Математическое моделирование синтезированных гетеродинов
2.1 Сопоставительный анализ методов математического моделирования синтезатор в частот с ИФАПЧ 47
2.2 Математическое описание переходных процессов в системе ИФАПЧ при смене гетеродинных частот 65
2.3 Линеаризованная модель преобразования шумов в системе ИФАПЧ 68
2.4 Разработка математической модели тандемных синтезированных гетеродинов 75
2.5 Расчет частот среза прецизионных опорных колец ИФАПЧ 81
2.6 Расчет и сравнительный анализ спектральных и динамических характеристик синтезированных гетеродинов на основе разработанной модели 84
Глава 3. Подавление помех дробности в синтезированных гетеродинах
3.1 Критический анализ методов снижения уровня ПД в синтезаторах с дробными делителями частоты 93
3.2 Генерация псевдослучайных последовательностей в дельта-сигма модуляторах синтезированных гетеродинов 102
3.3 Исследование эффективности подавления ПД в синтезированных гетеродинах с использованием имитационной модели 106
Глава 4. Практическая реализация синтезированных гетеродинов
4.1 Порядок проектирования синтезированных гетеродинов 125
4.2 Выбор элементной базы, реализация отдельных узлов и элементов систем ИФАПЧ синтезированных гетеродинов 127
4.3 Расчет параметров синтезированных гетеродинов 140
4.4 Экспериментальные исследования синтезатора гетеродинных частот панорамного РПУ 145
Выводы 152
Заключение 153
Литература , 156
Приложения 169
- Сравнительный анализ методов синтеза гетеродинных частот
- Математическое описание переходных процессов в системе ИФАПЧ при смене гетеродинных частот
- Генерация псевдослучайных последовательностей в дельта-сигма модуляторах синтезированных гетеродинов
- Выбор элементной базы, реализация отдельных узлов и элементов систем ИФАПЧ синтезированных гетеродинов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время к аппаратуре автоматизированного радиомониторинга (АРМ) предъявляются высокие требования, связанные с эффективным решением задач радиоразведки и радионаблюдения при проведении антитеррористических мероприятий[27]. В качестве критерия, определяющего эффективность средств АРМ, выбирается показатель его быстродействия, характеризующий вероятность оперативного обнаружения источников радиоизлучения за фиксированный интервал времени[5-8,28,29]. Это обусловлено тем, что в современных радиоэлектронных средствах используются сложные шумоподобные сигналы (ШПС), сигналы с высокоскоростным скачкообразным (до 2000 скачков в секунду) изменением рабочей частоты[1,2,30]. Кроме того, во многих радиосистемах принимаются меры для повышения скрытности и помехоустойчивости[30]:
нахождение на рабочей частоте минимально короткое время;
использование максимально возможного количества рабочих частот в максимально возможном рабочем диапазоне;
работа на минимально достаточной мощности.
Следовательно, эффективное решение задач автоматизированного радиомониторинга в реальных, быстроизменяющихся условиях, во многом зависит от способности приемоанализирующей аппаратуры станции АРМ, обобщенная структурная схема которой показана на рис.В.1, быстро (до 10ГГц/с) сканировать широкий (25 - 1000 МГц) частотный диапазон, достоверно обнаруживать и оценивать параметры радиосигналов обладающих низким соотношением сигнал/шум и динамической частотно-временной структурой на фоне сложной помеховой обстановки[3-8,29]. Исходя из общих требований к подсистемам первичной обработки сигналов средств радиоэлектротюго противодействия, рассмотренных в работах[4,6,7,28], можно выделить основные параметры[79,117,118] приемоанализирущей аппаратуры:
Антенно-фидерная система
Приемоанализирующая аппаратура
Ж-
Радиоприемное устройство
Блок синтезаторов частот
->
Аналого-цифровой преобразователь
^
Цифровая обработка
сигнала
->
Аппаратура измерения параметров обнаруженных радиосигналов
/\
Ж
/К
Блок управления
Рис.В. 1. Обобщенная структурная схема станции автоматизированного радиомониторинга
диапазон рабочих частот;
скорость панорамного обзора;
- разрешающая способность по частоте;
динамический диапазон амплитуды принимаемого сигнала;
чувствительность приемного тракта.
В аппаратуре автоматизированного радиомониторинга обычно применяются поисковые по частоте РПУ панорамного типа, с полосой приема равной ширине спектра разведываемых сигналов Afp = Afc[3-5]. Рассмотрим блок-схему (рис. В.2) и некоторые технические характеристики широкодиапазонного панорамного радиоприемного устройства[29]. Диапазон частот РПУ составляет 25,0 - 1000,0 МГц. Ширина спектра разведываемого сигнала - 10 МГц. Выходной сигнал приемника поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в блоке приемоанализирущей аппаратуры, как показано нарис.В.1-.;
Чтобы обеспечить заданную разрешающую способность по частоте и время панорамного обзора[4,5,29], радиоприемное устройство разделено на четыре блока, осуществляющих прием радиосигнала в поддиапазонах 25 -125 МГц, 125- 325 МГц, 325- 525 МГц 525 -1000 МГц. Каждый из блоков содержит входной аттенюатор, тракт предварительной селекции частоты (пре-селектор) и тракт промежуточной частоты. Блоки приема указанных поддиапазонов построены по супергетеродинной инфрадинной схеме с тремя преобразованиями входной частоты. В качестве источников гетеродинных сигналов, во всех блоках используются синтезаторы частот (СЧ). При этом синтезаторы первого гетеродина (или первые синтезированные гетеродины) обеспечивают перестройку частоты РПУ, вторые и третьи синтезированные гетеродины формируют фиксированные частоты для тракта промежуточной частоты.
Рассмотрим связь спектральных и динамических характеристик синтезированных гетеродинов (СГ) панорамного радиоприемного устройства
ін ggg ИХ)—f^l—>(Я>-^Р^}
jAn»».^ |_^пр^,.тр |->(5^)—4*35*1—»(50—4*и
!)Лок приема 2го поддиапазона
*(" . - ., . |—«.I Пг*:**.«n-.f-
Блок приема 3 поддиапазона Смеситель I
м^иісіи, і ^MHimxsiu.z имеентельі
Ёлок приема 4fs поддиапазона Смеситель 1
Смеситель .5
525-ЮООМГц + *
Рис.В.2. Блок-схема радиоприемного устройства аппаратуры АРМ
с общими параметрами аппаратуры автоматизированного радио мониторинга.
Известно, что фактором, определяющим разрешающую способность РПУ по частоте[118], является чистота спектра синтезированных гетеродинов [3,4,27-29,79]. Требуемый уровень фазовых шумов и паразитных спектральных составляющих выходного сигнала гетеродина в полосе приема определяется соотношением:
A
где А - уровень шумов синтезатора в полосе приема при заданной отстройке от несущего колебания, D - динамический диапазон обнаружения при заданной отстройке от несущей, В - заданное отношение сигнал/шум, соответствующее чувствительности. В таблице В.1 приведены требования к спектральной чистоте сигналов синтезированных гетеродинов при ширине спектра разведываемого сигнала, Afp = Afc =10,0 МГц, D = 75 дБ в полосе измерения 9 кГц, В = 12 дБ.
Таблица В. 1
Рассмотрим, как связано время установки частоты первых синтезированных гетеродинов радиоприемного устройства и быстродействие всей системы АРМ. Общее время задержки аппаратуры станции радиопротиводействия определяется, как показано в работе[28]:
7д = ТЬрм+Тцос+Тпрд, (В.2)
где Тпрм - время задержки приемного устройства, Гцос - время, затрачиваемое на цифровую обработку сигнала, ГПрд - время перестройки возбудителя. Применительно к аппаратуре АРМ, время задержки приемного устройства Тпрм = *у + '«> где h ~~ вРемя установки частоты первого синтезированного ге-
теродина, t„ - время переключения поддиапазонов преселектора. Обычно переключение поддиапазонов преселектора много меньше, чем время установки частоты синтезатора. Следовательно, при ty » t„ [28,29], можно записать:
ty = Тпрм - Тцос- (В.З)
В рассмотренной современной системе АРМ, для достоверного обнаружения средств радиосвязи со скачкообразным изменением частоты, 1У первых синтезированных гетеродинов не должно превышать 100 мксек с точностью установки частоты ±4,5 кГц при изменении выходной частоты на 10 МГц[29].
Поиск путей построения синтезированных гетеродинов, сочетающих в
себе перечисленные качественные характеристики, является сложной научно-
технической задачей, поскольку требования к быстродействию, диапазону
частот и спектральной чистоте синтезированного сигнала при отстройке от
несущей от 25 кГц до 50 МГц, значительно отличаются от требований к син
тезаторам для приемопередающей аппаратуры радиосвя-
зи[12,78,82,87,105,117].
Исходя из вышеизложенного материала, можно заключить, что важнейшие характеристики, определяющие эффективность функционирования аппаратуры автоматизированного радиомониторинга, такие как диапазон рабочих частот, скорость панорамного обзора, разрешающая способность по частоте, потребляемая мощность, массогабаритные показатели однозначно связаны с шагом сетки частот, временем установки заданной частоты, диапазоном синтезируемых частот, спектральной чистотой выходного сигнала использующихся в ее составе синтезированных гетеродинов. Кроме того, при построении СГ для аппаратуры АРМ необходимо решать специфические проблемы, которые практически не встречаются при создании синтезаторов частот для устройств радиосвязи[79].
Таким образом, исследование путей построения малошумящих быстродействующих синтезаторов частот для аппаратуры автоматизированного радиомониторинга является важной и актуальной темой.
Цели и задачи исследования. В отечесгвенных и зарубежных публикациях
в настоящее время отсутствует детальное исследование вопросов, связанных с получением высокого быстродействия синтезаторов частот при низком уровне шумов выходного сигнала. Это обстоятельство предопределило цели и задачи настоящей работы, которые сводятся к следующему:
Исследование общих методов и принципов синтеза частот для определения путей построения рациональной структурной схемы синтезированных гетеродинов радиоприемного устройства в аппаратуре автоматизированного радиомониторинга.
Разработка математической модели (ММ) тандемной схемы синтеза частот для исследования динамических и спектральных характеристик синтезированных гетеродинов.
Построение имитационной математической модели системы импульс-но-фазовой автоподстройки частоты с дробным делителем на основе дельта-сигма модулятора (ДСМ) и генератором псевдослучайной последовательности (ПСП).
ш Оценка эффективности подавления помех дробности в делителе частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД) методом генерации псевдослучайной последовательности и определение границ применимости этого метода в системах ИФАПЧ с ДСМ-ДДПКД третьего порядка на основе разработанной имитационной математической модели.
Разработка на основании новых технических решений опытных образцов быстродействующих синтезированных гетеродинов с малым уровнем шумов.
Проведение экспериментальных исследований образцов синтезированных гетеродинов панорамного приемного устройства для проверки результатов диссертационной работы и последующего их внедрения в производство.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, методы математического анализа радиотехнических цепей, ме-
тоды имитационного моделирования с использованием поведенческих моделей отдельных узлов системы автоматического регулирования, методы экспериментальных исследований.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложен быстродействующий синтезированный гетеродин с низким уровнем шумов на основе тандемнои схемы вкгаочеїшя двух систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты.
Разработана методика определения оптимальных частот среза опорных колец ИФАПЧ и получения прецизионного шумового профиля опорного сигнала для достижения требуемых спектральных и динамических характеристик тандем-ных синтезированных гетеродинов РПУ.
Разработана методика расчета параметров опорного кольца ИФАПЧ, эффективно улучшающая спектральные и динЕмические характеристики синтезаторов частот.
Проведен анализ снижения уровня помех дробности в выходном сигнале синтезатора, с использованием предложенной имитационной математической модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
Рациональная концепция построения синтезированных гетеродинов приемных устройств быстродействующей аппаратуры АРМ.
Обоснование методики оптимизации частот среза опорных колец ИФАПЧ для получения наилучшего шумового профиля опорного сигнала в тан-демных синтезированных гетеродинах.
Обоснование имитационной математической модели выходных колец ИФАПЧ с ДСМ-ДЦПКД, позволяющей анализировать влияние генерации ПСП в дельта-сигма модуляторе третьего порядка с целью снижения уровня помех дробности в выходном сигнале синтезированного гетеродина.
Принцип определения граничных условий применимости метода подавления помех дробности с помощью генерации псевдослучайных последо-
вательностей в системах ИФАПЧ содержащих ДЦПКД с дельта-сигма модуляторами третьего порядка.
Результаты анализа спектральных и динамических характеристик тан-демных синтезированных гетеродинов с дробным делителем частоты, построенным с использованием ДСМ третьего порядка.
Технические и конструктивные решения, результаты экспериментальных исследований и рекомендации по разработке малошумящих синтезаторов гетеродинных частот с высоким быстродействием для приемных устройств аппаратуры автоматизированного радиомониторинга.
Практическая ценность работы.
Разработаны и введены в эксплуатацию синтезированные гетеродины, построенные на основе двух последовательно включенных систем ИФАПЧ, одна из которых формирует опорный сигнал для второй, содержащей ДДПКД с ДСМ в-цепи обратной связи и генератором ПСП для снижения уровня ПД в спектре выходного сигнала. Применение образцов синтезированных гетеродинов в панорамном радиоприемном устройстве позволило получить скорость обзора диапазона 25 - 1000 МГц до 7500 МГц/секунду при разрешающей способности 25 кГц.
Разработано математическое обеспечение в виде прикладных программ к пакету «MatLab» 6.5 для инженерного расчета параметров СЧ.
Теоретические исследования, проведенные в диссертационной работе, использованы при разработке и изготовлении опытных образцов быстродействующих малошумящих синтезаторов частот для панорамных приемных устройств систем АРМ по темам ОКР организации ОАО «Концерн «Созвездие» (акт внедрения от /У. С(. Об).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались ее автором, обсуждались и получили положительную оценку на:
Международной конференции
«Беспроводные системы телекоммуникаций», Воронеж, 2000г.;
7ой Международной научно-технической конференции
«Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2001г.;
Межвузовской научно-практической конференции «Современные проблемы борьбы с преступностью», Воронежский институт МВД России, Воронеж, 2001г.;
Межвузовской научно-практической конференции «Методы и способы повышения эффективности радиоэлектронных средств охраны» Воронежский институт МВД России, Воронеж 2001г.;
ш Всероссийской научно-практической конференции «Охрана и безопасность -2001» Воронежский институт МВД России, Воронеж 2001г.;
ш Международном научно-техническом семинаре РНТОРЭС им. А.С. Попова совместно с Академией Связи Украины и Московским Техническим Университетом Связи и Информатики «Системы синхронизации в радиотехнике и связи», Одесса, 2001г.;
54ой Научной сессии, РНТОРЭС им. А.С. Попова, посвященной Дню радио, Москва, 2001г.;
Международной научной конференции РНТОРЭС им. А.С. Попова к 95-летию В. А. Котельникова, Москва, 2003г.;
Научно-техническом совещании по теме «Гетеромагнитная микроэлектроника в многофункциональных комплексированных устройствах и системах СВЧ -, КВЧ - диапазонов для новых поколений В и ВТ», Саратов, ОАО «Тантал»», 2003г.;
9ой Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2003г.;
Научно-техническом семинаре «Синхронизация, формирование и обработка сигналов», Ярославль, 2003г.;
10ой Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2004г.;
60ой Научной сессии, РНТОРЭС им. А.С. Попова, посвященной Дню радио, Москва, 2005г.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в двадцати печатных работах [77 - 95,106], из числа которых две без соавторства. По теме диссертации получено одно сви-
детельство на полезную модель. Результаты исследований, изложенных в диссертации, были получены при проведении плановых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в организации ОАО «Концерн «Созвездие».
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 118 наименований, восьми приложений, изложена на 191 странице машинописного текста, в котором приведено 85 рисунков и 18 таблиц.
Краткое содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность работы, указываются цели и задачи исследований, результаты, характеризующиеся научной новизной и основные положения, выносимые на защиту. Также характеризуются методы исследований, описываются объем и структура работы с указанием круга рассматриваемых вопросов. Приводятся сведения по апробации основных положений работы, публикациям, а также о внедрении полученных результатов.
В первой главе формулируются основные технические требования к синтезированным гетеродинам панорамных радиоприемных устройств, а также проводится качественный сравнительный анализ основных методов синтеза гетеродинных частот. На основании проведенного анализа найдена рациональная, наиболее полно удовлетворяющая комплексу рассмотренных технических требований, тандемная схема построения синтезированных гетеродинов с прецизионными опорными кольцами ИФАПЧ. Выдвигаются основные задачи по исследованиям спектральных и динамических характеристик тандемных синтезированных гетеродинов.
Во второй главе анализируются и сопоставляются методы математического моделирования синтезаторов частот с системами ИФАПЧ, рассматриваются вопросы вычисления времени установления частоты и преобразования шумов в системах ИФАПЧ. Проводится разработка специальной математической модели, с помощью которой оптимизируется частота среза системы ИФАПЧ-1 для получения прецизионного качества опорного сигнала, учиты-
вается вклад шумов отдельных элементов систем ИФАПЧ в спектральную характеристику синтезированного сигнала, рассчитывается время установления выходной частоты синтезированного гетеродина. На основе математического моделирования и сравнительного анализа динамических и спектральных характеристик синтезированных гетеродинов показаны преимущества тандемной схемы с прецизионным кольцом ИФАПЧ.
В третьей главе рассматриваются вопросы снижения уровней дискретных побочных составляющих в тандемных синтезированных гетеродинах с дробными делителями частоты. Проводится имитационное математическое моделирование систем ИФАПЧ-2 тандемных СГ, содержащих дробные делители частоты с дельта-сигма модуляторами разных порядков. В результате расчетов уровней помех дробности с помощью разработанной имитационной математической модели, определены параметры систем ИФАПЧ-2 тандемных синтезированных гетеродинов, при которых происходит эффективное подавление помех дробности методом генерации псевдослучайных последовательностей. Для подтверждения теоретических выводов проводится сопоставление расчетных и экспериментальных данньгх.
Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации синтезированных гетеродинов панорамного радиоприемного устройства СРПД. Определяются критерии выбора элементной базы для реализации отдельных узлов систем ИФАПЧ-1 и ИФАПЧ-2. Описывается функциональная схема разрабатываемого синтезированного гетеродина, рассчитываются спектральные характеристики и время установления рабочей частоты выходного сигнала, а также осуществляется параметрический синтез элементов его систем ИФАПЧ-1 и ИФАПЧ-2. Поводится сопоставительный анализ расчетных параметров, результатов измерений спектральных и динамических характеристик разработанного СГ и требований технического задания.
В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертационной работы.
В приложениях приводятся текстовые и графические файлы разработанных прикладных программ, результаты имитационного моделирования, электрическая принципиальная схема и фотография разработанного синтезированного гетеродина, а также протокол лабораторных испытаний и акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Сравнительный анализ методов синтеза гетеродинных частот
Синтезом частот называют процесс получения одного или нескольких колебаний с необходимыми номинальными значениями частоты из конечного числа исходных колебаний путем преобразования частот[9-15]. Рассмотрим представленную на рис. 1.1 примерную классификацию и взаимную связь наиболее распространенных в настоящее время методов синтеза частот.
Существует основное разделение методов синтеза частот на пассивные и активные. Пассивные методы, в свою очередь разделяются на аналоговые и цифровые. Исследованию аналоговых систем синтеза частот посвящены работы В.И. Борисова, Д.Н. Шапиро[15,26,42], вопросы построения пассивных цифровых синтезаторов рассмотрены в исследованиях В.Н. Кулешова[36].
Косвенный метод синтеза предполагает использование для получения дискретного множества частот контура автоматического регулирования. В зависимости от применения аналоговых или цифровых (импульсных) систем автоматической подстройки частоты, этот метод соответственно разделяется на аналоговый и цифровой.
Синтезаторы частот на основе контура импульсно-фазовой автоподстройки в свою очередь разделяются на подгруппы по использованию делителей частоты с целочисленными или дробными коэффициентами деления в цепи обратной связи, а также по использованию в системе ИФАПЧ различных частотно-фазовых детекторов (с тремя устойчивыми состояниями, «выборка-запоминание» и др.[11]).
Теория и практика косвенных методов синтеза частот, базирующихся на контурах автоматического регулирования разработана в исследованиях В.В. Шахгильдяна, А.В Пестрякова, А.В. Рыжкова, С.К. Романова, Л.II. Казакова. -12,31-35,37]
Также можно выделить в отдельную группу комбинации прямых пассивных и косвенных активных методов получения сетки частот. Использование технических решений соединяющих различные методы синтеза связано со стремлением к преодолению противоречий и недостатков, свойственных классическим методам.
Современные тенденции и проблемы развития методов синтеза частот нашли отражение в ряде публикаций отечественных и зарубежных авторов 1-35,37-44,49,54-58,65-76].
Каждый из методов синтеза частот имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому для решения задачи построения малошумящих синтезированных гетеродинов быстродействующей аппаратуры АРМ рассмотрим основные методы на качественном уровне.
На рис. 1.2 представлена простейшая структурная схема СЧ, построенного по методу прямого аналогового синтеза[15]. Сигнал опорной частоты Уог подается на датчик опорных частот ДОЧ, содержащий умножитель и делитель частоты с коэффициентами М\ и Мг соответственно. Сигналы с частотами /отМ\ vifor/M2 поступают на входы так называемых генераторов гармоник ГГ1 и ГТ2, содержащих формирователи импульсов ФИ1 и ФИ2 и перестраиваемые полосовые фильтры Ф1 и Ф2. Формирователи преобразуют колебания с частотами огД г и/огМі в последовательность очень коротких (по сравнению с периодом колебания) импульсов.
Спектр такой последовательности содержит интенсивные высшие гармоники, одну из которых и выделяет фильтр. Таким образом на выходах ГГ1 и ГГ2 возможно сформировать колебания с частотами N\forMi и Ы ох-/М2. Оба этих колебания подаются на сумматор, содержащий смеситель СМ и перестраиваемый полосовой фильтр ФЗ, который выделяет из выходного спектра колебание с нужной частотой Л /ог/М2.
Перейдем к рассмотрению пассивного цифрового метода синтеза частот. На рис. 1.4 приведена структурная схема синтезатора, построенного на основе вычислительных процедур или цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС).где К - число на входе накопителя фазы, С и Сі - разрядность накопителя фазы (НФ) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) соответственно. Последние разработки синтезаторов такого типа выполненные фирмой «Analog Devices», например ЦВС AD9858, позволяют ігри тактовой частоте в 1 ГГц, синтезировать частоты до 400 МГц, причем СПМФШ при отстройке 1 кГц от несущей на частоте 100 МГц составляет менее -145 дБн/Гц, а время переключения частот менее 10 нс[36,84,107].
Основные недостатки ЦВС заключаются в следующем. Во-первых, диапазон частот ЦВС, на современном уровне развития микроэлектроники составляет не более 40% от входной тактовой частоты и в настоящее время верхняя граница этого диапазона не превышает 400 МГц при тактовой частоте 1000 МГц [107]. Во-вторых, в спектре выходного колебания СЧ присутствуют дискретные побочные составляющие на частотах, кратных частоте дискретизации ЦВС (см. рис. 1.5) относительным уровнем -45 - 50 дБ[82,104] и их комбинации с гармониками опорного колебания, полное подавление которых практически невозможно, а специальные решения, применяемые для снижения уровня дискретных побочных спектральных составляющих не носят универсального характера[36,84]. Все перечисленные недостатки устройств на базе систем прямого цифрового и аналогового синтеза делают их неприемлемыми для построения синтезированных гетеродинов в рассматриваемом радиоприемном устройстве.
Математическое описание переходных процессов в системе ИФАПЧ при смене гетеродинных частот
При синтезе параметров системы при заданных частоте среза и показателях колебательности Ми RM получим:исходя из требуемого значения сос и запасов устойчивости ЛА и ц. Затем необходимо определить 7}. Например, Т(= Tz/(n-l)\\X\.
Переходные процессы в системе ИФАПЧ обусловлены, в общем случае, изменением коэффшщента деления N ДПКД или Nm ДДПКД. Основным показателем переходного процесса является его длительность tv. Величина ty находится согласно[ 11,12,15] как время, за которое некоторая координата системы xt(t) приближается к установившемуся значению хіСт±Ахе Переходные процессы описываются системой нелинейных разностных уравнений вида (2.2, 2.9). Пршгимая во внимание условие (2.12) описание пе реходного процесса можно провести с использованием непрерывной системы автоматического регулирования (рис.2.12). Рис.2.12 Непрерывная система ИФАПЧ для анализа переходных процессов
Пусть изменение выходной частоты происходит за счет увеличения или уменьшения коэффициента деления ДПКД от Л і до Л . Это эквивалентно появлению начальной расстройкиУН[11] АсоГун.н-{ \- г)( о- Тогда:где A(DryH{s) преобразованная по Лапласу Ай?гун(0- Если из (2.24) найти оригинал AcoryiI(s), то, используя (2.14) возможно определить длительность переходных процессов [ 11,70].условия (2.12)
Например, разложив Ge(s)/s на элементарные дроби[78], получим: Ьа гун(1) = Ьа гун.н Согласно[74,75] членами, имеющими большую скорость затухания можно пренебречь:где аШн- минимальное значение среди дискретного множества {от,}, уШин-минимальное значение среди дискретного множества { ,-}[П], АсоЕ -заданная точность установления частоты.
Учитьгеая, что при синтезе ИФАПЧ по показателю колебательности М, два корня G3(s) - комплексные, а один -действительный [10], найдем оригинал (2.19) с помощью обратного преобразования Лапласа[17].где / = сойБ1, коэффициенты В,С,а,у, Л,9 определены в [11] табл. 6.3, 6.4 для расчетов по показателям колебательности Ми Ям соответственно.
Соотношения (2.30а и 2.306) позволяют с высокой точностью рассчитывать время установления частоты синтезированного гетеродина при выполнении условия «медленности» процессов в ИФАПЧ (2.12)[11,74,75].
Для расчета значений спектральной характеристики выходного сигнала СЧ в установившемся режиме, введем линеаризованную шумовую модель системы ИФАПЧ принимая в внимание допущение[11,73], что шумы элементов системы достаточно малы по сравнению с полезным сигналом, аддитивны и взаимно некоррелированны. Рисунок 2.14 поясняет модель системы ИФАПЧ с источниками шума. Согласно[11,72-75] запишем выражение для преобразованных по Лапласу выходных фазовых шумов: Следует, применительно к системе, показанной на рис 2.14:
Перейдем к определению интегральных характеристик шумов выходного сигнала на основе БсрвЬ1Х((о). При известном S,peblx(a)) дисперсия рвых(0 определяется как[11]:
Так как используемые модели сигналов S p вых (со) таковы, что интеграл от них «расходится», необходимо ввести дисперсию фазы в ограниченной полосе частот от а ь до (Оц [
Для некоторых видов использования СЧ важна разность между срвых (І) и Л(рвых (t)=(peblx (1+т)- рвых (t), которая носит название набег («дрейф») фазы за время т. Например, т=1-2я/(0[ун, где /- целое число 7=1,2,3....
Дисперсия набега фазы ог 2(рвых определяется выражением:Так как для реальных спектров характерно возрастание подынтегральной функции до бесконечности, то необходимо и в этом случае ограничить пределы интегрирования й и сонн ввести:Спектральные плотности фазовых пгумов элементов ИФАПЧ в зависимости от частоты молено представить в следующем виде[11,20,74], для цифровых делителей, ИЧФД, активных ФНЧ, учитывая/ = —: Для опорных и управляемых автогенераторов:
Постоянные коэффициенты ао, а і а2, a3i а4 [20,41,42,46] определяются из справочных данных конкретных устройств генераторов.Например, спектральные плотности фазовых шумов ОГ и ГУН аппроксимируются степенными функциями вида (2.38)[11]:где:/-частота,«о - характеризует белый ФМ шум, ctj - фликкер ФМ шум, а2 - белый ЧМ шум, а3- фликкер ЧМ шум, а4 - хаотический ЧМ шум.Для характеристики фазовых шумов ОГ и ГУН используется также зависимость [40]:S p(f) или L(f) измеряется либо в рад /Гц либо в дБн, определяемом как:где Ps — мощность выходного сигнала автогенератора, Рьф\Тц - мощность фазовых шумов автогенератора при отстройке от несущей на / в полосе 1Гц[20].Из (2.41) можно определить:Для получения коэффициентов аналитического выражения (2.39) из табличных значений СПМФШ реальных устройств, предлагается следующая методика, так как попытки применить стандартные программы среды «Mat
Генерация псевдослучайных последовательностей в дельта-сигма модуляторах синтезированных гетеродинов
Для анализа схемы подавления ПД с помощью псевдослучайной последовательности необходимо выделить их основные свойства, и рассмотреть возможность аппаратного формирования последовательности в схеме
Цифровой автомат состоит из регистра со сдвигающими триггерами Ті, Т2,..-Ть, осуществляющими задержку входного символа на один такт. Пусть используютсяр различных символов 0,1,2,... ,р-1. Символы на выходах триггеров приу -том такте обозначены какл: , X2j,... ,Xkj. Символ на входе первого триггера обозначен xoj. Символ на выходе 1-го триггера нау +7 такте xiJ+j= XI.JJ, так как с каждым тактом символ с входа «переходит» на выход. Символы с выходов триггеров поступают на умножители, с выходов которых
Следовательно, можно записать, что символ на входе Ту ву -м такте равен:Для y+7 такта состояние регистра характеризуется переменными, которые можно записать как: Анализ работы цифрового автомата формирования ПСП на основе рекуррентного уравнения (3.4) показывает, что работа этого автомата полностью определяется характеристическим многочленом[18]:
При этом коэффициенты связаны с множителями Cj,...,ck соотношением:Учитывая, что в чип-ИФАПЧ используются цифровые автоматы, формирующие двоичіг/ю последовательность, состоящую из символов «О» и «1» [104,112], р=2, из (3.7) следует, что сп=а„, причем c0=aQ=l.
Таким образом, структура цифрового автомата определяется характе ристическим многочленом степени к. Этот многочлен является первообразным корнем уравнения х . Если характеристический многочлен является первообразным, следовательно, он является и неприводимым[18], что удовлетворяет требование, налагаемое на f(x) степени к исходя из теории последовательностей [18].
Цифровой автомат, формирующий ПСП с периодом п=210-1 = 1023, и коэффициентами характеристического многочлена ао-1, alt...,0 =0, а —1, Рис. 3.9. Блок схема и схемотехническая реализация цифрового автомата для генерации псевдослучайной последовательности с периодом п=1023триггера подключен к сумматору по модулю два, а если сп=ап=0 то не подключен. Аналогичные автоматы можно построить, руководствуясь таблицей 3.2, в которой приведены коэффициенты характеристических многочле построим имитационную модель рассматриваемого устройства. Такой подход удобен для решения поставленных задач тем, что в основе имитационного моделирования (ИМ) лежит замена реальной физической системы (процесса) ее приближенным отображением в виде математической модели, моделирующего алгоритма и соответствующего программного обеспечения, в своей совокупности реализующих воспроизведение на ЭВМ интересующих аспектов функционирования исходной системы. Важно подчеркнуть, что ИМ это не теория, а синтетическая методология решения проблемы исследования сложной системы, опирающаяся на эксперимент с цифровой моделью реальной системы[5,23]. Надо отметить, что при имитационном моделировании используются специальные типы переменных[23,25]:- входные переменные и воздействия, содержащие внешнюю по отношению к системе информацию;- выходные переменные, характеризующие некоторые стороны функционирования системы и являющиеся ее реакцией на входные воздействия;- переменные состояния, определяющие динамическое поведение системы.
Решить задачу построения имитационной модели для исследованияспектральных характеристик СГ с ДСМ третьего порядка при вводе псевдослучайной последовательности возможно с использованием математической модели, разработанной в[77], которая является одним из вариантов распространенного метода представления системы ИФАПЧ в виде частотно-импульсного модулятор второго рода, который был рассмотрен в гл.2 .
При заданных параметрах системы ИФАПЧ вычисляется значение периода модулирующей последовательности. Период модулирующей последовательности зависит от соотношения между значениями дробной части коэффициента деления ДДПКД, числом последовательно соединетшых накапливающих сумматоров к и их емкостью М. Вычисление периода также необходимо для задания псевдослучайной последовательности, поскольку для «размывания» спектра ДПСС количество бит ПСП должно быть как минимум вдвое больше, чем количество бит дробности[103]. Что бы учесть
Выбор элементной базы, реализация отдельных узлов и элементов систем ИФАПЧ синтезированных гетеродинов
На начальном этапе проектирования синтезированных гетеродинов необходимо определить подходящую элементную базу, которая позволит выполнить требования технического задания и реализовать отдельные узлы и элементы синтезированных гетеродинов в соответствии с проведенными в гл. 1-3 исследованиями.
Необходимо отметить, что, важный вклад в спектральную характеристику каждого синтезированного гетеродина, как показано в п. 1.3 и п.2.5„ внося фазовые шумы опорного генератора. Следовательно, несмотря на то, что выбор опорного генератора не входит в задачи проектирования синтезированных гетеродинов, информация о характеристиках ОГ необходима длярасчета их параметров. Рассмотрим спектральные характеристики опорных кварцевых генераторов, приведенные в табл.4.1. Очевидно, что для достижений требуемого качества опорного сигнала прецизионного кольца ИФАПЧ-1 и синтезаторов фиксированных гетеродинных частот необходим генератор, имеющий наилучший профиль фазовых шумов при отстройках от несущего колебания от 1 до 100 кГц[105]. В данном случае необходимые параметры обеспечивает генератор ГК-54ТС.
Одним из основных компонентов систем ИФАПЧ-2 тандемных синтезированных гетеродинов, следует считать ГУН, который обеспечивает перестройку частоты в заданном диапазоне выходных частот синтезатора, и является объектом регулирования системы ИФАПЧ. Расчет параметров ГУН основан на описанных в исследованиях[40,45] принципах. Некоторые варианты их построения могут быть весьма разнообразными в зависимости от предъявленных требований. Отметим, что чем больше диапазон перестройки при прочих равных условиях (в частности, при тех же фазовых шумах), тем лучше генератор, чем меньше фазовые шумы при прочих равных условиях (в частности, при том же диапазоне перестройки), тем лучше генератор. При этом требования к диапазону перестройки и фазовым шумам при реализации ГУН вступают в противоречие [40].
Схемотехническая реализация, расчет режима работы и характеристики автогенераторов составляет предмет особого изучения и достаточно хорошо освещены в технической литературе[20,40,45,50]. Исходя из анализа существующих методов, используемых для улучшения качественных характеристик ГУН можно выделить несколько наиболее важных: увеличение добротности колебательного контура, применение активных приборов с малыми собственными шумами и высокой граничной частотой, ограничение амплитуды переменного напряжения на варикапе, уменьшение коэффициента включения активного прибора в контур, разделение всей полосы рабочих частот на переключаемые поддиапазоны[40,91,92].
Таким образом, основная задача проектирования малошумящих ГУН состоит в том, чтобы приблизиться к потенциально достижимому уровню фазовых шумов при заданных требованиях к центральной частоте и диапазону перестройки. При этом за потенциально достижимый можно принять тот уровень полных фазовых шумов, который получился бы на той же частоте при замене варикапа идеальным конденсатором постоянной емкости в генераторе с тем же активным элементом - биполярным или полевым транзисто-ром[40,92]. Также следует принять во внимание, что для решения задачи перекрытия широкого диапазона частот может потребоваться либо один генератор с октавным перекрытием, либо несколько генераторов с небольшим перекрытием.
При построении автогенератора большое внимание уделяется конфигурации монтажа элементов колебательного контура и цепи обратной связи. Как правило, весь ГУН выполняется в экранированном корпусе, защищающем конструкцию от внешних электромагнитных излучений. Вопросы экранирования достаточно полно рассмотрены в работе[45]. Определенные трудности представляет выполнение требований по вибро- и ударопрочности ГУН. В качестве конструктивных мер весьма эффективным является заполнение всего объема корпуса, в котором расположен ГУН или его автогенераторная часть нейтральным компаундом. Однако такое решение приводит к усложнению технологического процесса и удорожаїшю конструкции. Если частота среза системы ИФАПЧ более 3 кГц, то конструктивных мер по обеспечению виброустойчивости не требуется. Необходимо также уделять внимание цепям питания ГУНа для снижения уровня пульсаций и шума в них. Для этого вводят по цепям питания фильтры нижних частот или, что является более эффективным, для подачи напряжения питания ГУНа используются отдельные стабилизаторы напряжения[40,91].
На современном этапе развития электроники существует тенденция к изготовлению генераторов, управляемых напряжением в виде законченных экранированных малогабаритных модулей. Применение таких изделий позволяет ускорить процесс разработки синтезаторов гетеродинных частот.
Однако характеристики серийных ГУНов не всегда удовлетворяют предъявляемым при разработке СГ требованиям. В качестве примера, проанализируем генераторы, производимые фирмой «Mini-Circuits». Для этих ГУН, перекрывающих диапазон частот 25 МГц - 3000 МГц[110] с различными коэффициентами перекрытия, приводятся наиболее полные данные по спектральной плотности мощности фазовых шумов. Поставим в соответствие каждому ГУН точку на плоскости переменных, определяемую соотношением из(2.40):где /off— отстройка от несущего колебания, a L(f0jj) - половина СПМ фазового шума (или СПМ фазового шума в одной боковой полосе), выраженная в децибелах относительно уровня мощности основного колебания и обозначаемая дБн/Гц. Наборы точек в плоскости {df, L) при четырех значениях отстройки от несущей показаны на рис.4.2. Номер каждой точки соответствует номеру генератора в табл.4.2. Очевидно, что при одинаковом уровне фазового шума лучшим является генератор с большей перестройкой, а при одинаковой перестройке лучше тот генератор, у которого ниже фазовые шумы[40,86].
