авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Ярославский государственный

университет им. П.Г. Демидова»

На правах рукописи

ВИШНЯКОВ ДЕНИС ЮРЬЕВИЧ

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

ШИРОКОПОЛОСНЫХ СВЧ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ С ИФАПЧ

Специальность: 05.12.04 –

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Казаков Л.Н.

Ярославль АННОТАЦИЯ Диссертация посвящена разработке алгоритмов структурно параметрического синтеза синтезаторов частот c ИФАПЧ с низким уровнем фазовых флуктуаций и принудительной компенсации частотной расстройки во время переходного процесса. Особенностью предлагаемого алгоритма структурно-параметрического синтеза является оценка внутренних (эквивалентный фазовый шум цифрового модуля, перестраиваемый генератор, активный фильтр) и внешних (опорный генератор) возмущений при постановке оптимизационной задачи для получения сглаживающих фильтров на основе винеровской фильтрации.

Принудительная компенсация частотной расстройки осуществляется за счёт оптимального управления состоянием петлевого интегро дифференцирующего фильтра во время переходного процесса.

Предлагаемый вариант коммутации структуры и параметров позволяет реализовать предложенный алгоритм оптимального управления с учётом квазиоптимальной структуры и ограниченности координат кольца ИФАПЧ. Полученные в диссертации результаты позволили сформировать предложения по повышению спектральных и динамических характеристик систем частотного синтеза с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты.

Результаты диссертации внедрены в НИР, выполняемые кафедрой Радиотехнических систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова, в учебный процесс на кафедре Радиотехнических систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова, НИОКР ОАО «КБ «Луч», ОАО «НПО «ТРАНСКОМСОФТ», в учебный процесс на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Оглавление стр.

Введение......................................................................................................... ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЧАСТОТНОГО СИНТЕЗА НА ОСНОВЕ ИФАПЧ............................................................... 1.1. Способы построения синтезаторов частот СВЧ диапазона......... 1.1.1. Однокольцевые синтезаторы частот........................................... 1.1.2. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца............................................................................................................. 1.2. Шумовые характеристики функциональных узлов синтезаторов частот.

............................................................................................................. 1.3. Шумовые характеристики сигнала СЧ.......................................... 1.4. Способы построения быстродействующих синтезаторов частот 1.4.1. Синтезаторы частот с переменной частотой дискретизации колец............................................................................................................... 1.4.2. Синтезаторы частот с постоянной частотой дискретизации колец............................................................................................................... 1.5. Выводы.............................................................................................. ГЛАВА 2. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МНОГОКОЛЬЦЕВЫХ СЧ-ИФАПЧ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ФАЗОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ФОРМИРУЕМОГО СИГНАЛА..................................... 2.1. Постановка оптимизационной задачи............................................ 2.2. Структурно-параметрический синтез синтезаторов частот на основе оптимальной фильтрации Винера................................................... 2.3. Реализация синтезаторов частот с оптимальной структурой и параметрами................................................................................................. 2.3.1. Однокольцевые синтезаторы частот....................................... 2.3.2. Синтезаторы частот с ДДПКД и алгоритмической компенсацией помех дробности.................................................................. 2.3.3. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца................................................................................................ стр.

2.4. Выводы.............................................................................................. ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПРЕЦИЗИОННЫХ СИНТЕЗАТОРАХ ЧАСТОТ...................................... 3.1. Решение задачи оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот с учётом нелинейности статической модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением........................ 3.1.1. Особенности переходного процесса при оптимальном управлении в синтезаторе частот с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром........................................................................................................ 3.1.2. Реализация оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот при условии ограниченности координат кольца ИФАПЧ и погрешностей переключений управляющего воздействия.... 3.2. Эффективность оптимального управления в прецизионных СЧ ИФАПЧ........................................................................................................... 3.3. Выводы.............................................................................................. ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ СВЧ ДИАПАЗОНА..................................... 4.1. Методика проектирования синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальным управлением................................................................................................... 4.2. Метрологическое обеспечение измерений динамических и спектральных характеристик синтезаторов частот................................... 4.3. Практическая реализация и экспериментальные исследования однокольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона................................ 4.3.1. Проектирование однокольцевого широкополосного синтезатора частот........................................................................................ 4.3.2. Экспериментальное исследование однокольцевого синтезатора частот.............................................................................................................. стр.

4.4. Практическая реализация и экспериментальные исследования двухкольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона................................. 4.4.1. Проектирование двухкольцевого широкополосного синтезатора частот........................................................................................ 4.4.2. Экспериментальное исследование двухкольцевого синтезатора частот.............................................................................................................. 4.5. Выводы.............................................................................................. ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. Список литературы....................................................................................... Приложение................................................................................................... СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ортогональное OFDM частотное мультиплексирование – (Signal Source Analyzer) анализатор источников сигналов SSA АФ – активный фильтр БЗ – способ ускорения ПП – «быстрый захват»

ГТ – генератор тока ГУН – генератор, управляемый напряжением ДДПКД – делитель с дробно-переменным коэффициентом деления ДЗН – способ ускорения переходных процессов с двумя зарядовыми накачками ДПКД – делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДСМ – дельта-сигма модулятор ДФКД – делитель с фиксированным коэффициентом деления ИФАПЧ – импульсно-фазовая автоподстройка частоты ИФД – импульсно-фазовый детектор КАМ – квадратурная амплитудная модуляция КЛ – ключ КМОП – комплементарный металлооксидный полупроводник МК – микроконтроллер ОГ – опорный генератор ОУ – операционный усилитель ПГ – перестраиваемый генератор ПИФ – пропорционально-интегрирующий фильтр ПОФ – паразитное отклонение фазы ПОЧ – паразитное отклонение частоты ПСС – паразитные спектральные составляющие РПдУ – радиопередающее устройство РПрУ – радиоприемное устройство СВЧ – сверхвысокие частоты СМ – смеситель СМХ – статическая модуляционная характеристика СПМ – спектральная плотность мощности СЧ – синтезатор частот СЧС – система частотного синтеза СЧ-ИФАПЧ – синтезатор частот на основе ИФАПЧ С/Ш – отношение сигнал-шум УРС – способ ускорения за счет устранения режима скольжения ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты ФД – фазовый детектор ФНЧ – фильтр низких частот ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ЦВС – цифровой вычислительный синтезатор ЧФД – частотно-фазовый детектор Э/М – электромагнитный ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы Существенный прогресс в области радиотехники по формированию и обработке полезной информации предъявляет всё более жёсткие требования к источнику несущего сигнала информационных сообщений.

На современном уровне развития систем связи при проектировании систем частотного синтеза предпочтение отдаётся синтезаторам частот на базе импульсных систем фазовой автоподстройки частоты (СЧ-ИФАПЧ).

Известно, что СЧ-ИФАПЧ широко используются в системах радиосвязи, телевидения и радиолокации, телеметрии и радиоастрономии и в других радиотехнических системах. Проектируемые СЧ должны обеспечить компактное размещение каналов радиосвязи с предельно мелкой сеткой и минимальными допусками на долговременную нестабильность и точность установки частоты, широкий диапазон перестройки, высокую чистоту спектра выходного сигнала и минимально возможное время перехода с одной частоты на другую [1-7].

В последние годы интенсивно проводятся исследования в области систем частотного синтеза с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты, позволяющих формировать сигналы в СВЧ диапазоне. Современные технологии существенно расширили возможности СЧС с ИФАПЧ. С выбором структуры синтезаторов частот и входящих в них узлов появилась возможность реализовать варианты систем, обладающих требуемыми характеристиками по чистоте спектра формируемого сигнала.

За счет усложнения режимов работы колец стало реальностью создание близких к оптимальным условий перестройки рабочей частоты СЧС [8-18].

Значительный вклад в исследование СЧ косвенного типа с учётом шумов элементов кольца ИФАПЧ внесли: В.А. Левин Л.А. Белов, Л.Н.

Казаков, В.Н. Кочемасов, В.Н. Кулешов, 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.

В современных условиях постоянного роста требований к СЧС становится актуальной задача минимизации уровня фазовых флуктуаций формируемого сигнала СЧ-ИФАПЧ [3, 9, 13, 19-29]. Для достижения высоких скоростей передачи данных (десятки, сотни Мб/с), при условии ограниченного частотного ресурса, в современных системах передачи информации используются сигналы высокой кратности (КАМ-16, … КАМ 256). Для когерентного приёма указанных сигналов предъявляются жёсткие требования к уровню фазовых (частотных) шумов сигнала на входе демодулятора, приводящих к снижению достоверности приёма [21].

В [21] представлены результаты исследований, касающиеся эквивалентных потерь необходимого отношения С/Ш при различных значениях среднеквадратического отклонения (СКО) фазовой ошибки между входным и опорным сигналами. Для эквивалентных потерь отношения С/Ш не более 0.5 дБ СКО фазовой ошибки, 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 С/Ш порядка 2 дБ.

Соответственно, значение паразитного отклонения фазы сигналов синтезаторов частот, используемых при передаче и приёме сигналов высокой кратности: КАМ-16, КАМ-64, КАМ-256, КАМ-1024, с учётом эквивалентной потери в отношении С/Ш до 2 дБ имеет значения порядка 0.3, 0.15, 0.07 и 0.04 град. [30].

В целом ряде современных систем передачи (DVB-T;

DVB-T2;

IEEE 802.16, DRM и др.) активно применяют сигналы с ортогональным частотным и пространственным разделением OFDM, MIMO-OFDM [31 36]. Проводятся интенсивные исследования по применению данных сигналов в высокоскоростных авиационных системах передачи, включая каналы связи с БПЛА. Подобные сигналы обладают высокой помехоустойчивостью приёма в условиях частотно-селективных замираний и позволяют эффективно использовать частотный ресурс. В то же время системы передачи, использующие модуляцию OFDM, MIMO обладают повышенной чувствительностью к фазовым OFDM, флуктуациям [31-36]. В ряде работ [35, 36] проведены исследования, касающиеся эквивалентных энергетических потерь при заданном СКО фазовой и частотной нестабильностей сигналов возбудителей передатчика и гетеродинов приемника. На рис. 1 представлены некоторые результаты, заимствованные из работы [35, 36].

Рис. 1. Эквивалентные потери в отношении сигнал/шум в результате частотных флуктуаций сигнала синтезаторов частот На рис. 1 обозначены D – эквивалентные потери в отношении С/Ш, f – СКО частоты сигналов гетеродинов, – частотное расстояние T между поднесущими в OFDM символе. Из приведенных зависимостей можно сделать вывод: для эквивалентной потери в отношении С/Ш не более 0.5 дБ суммарное СКО частотных флуктуаций сигналов не должно превышать 2-3% частотного расстояния между поднесущими для базовой модуляции КАМ-16 и 0.6-0.8% – для КАМ-1024. Значение СКО частотных флуктуаций сигналов синтезаторов частот 7-8% частотного расстояния между поднесущими вызывает эквивалентное уменьшение С/Ш порядка 1…2 дБ для базовой модуляции КАМ-16 и 50..55 дБ – КАМ-1024.

Наиболее остро проблема фазового шума наблюдается в широкополосных СВЧ синтезаторах, получивших в последнее время большое распространение в различных радиотехнических системах. Схемное построение таких СЧ предполагает большое число источников шума и чувствительных к шуму 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.

Существует множество подходов проектирования синтезаторов, направленных на решение указанной проблемы. С учетом достижений в области теории частотного синтеза, а также в технологической области, связанной с современным состоянием производства комплектующих элементов, можно выделить два подхода в проектировании современных синтезаторов частот с ИФАПЧ:

1. Подход, основанный на полиномиальной аппроксимации спектральных плотностей мощности внешних и внутренних воздействий (возмущений, действующих в разных точках системы). При этом структурный синтез СЧ может быть выполнен с применением оптимальной линейной фильтрации для ограниченного числа локализованных эквивалентных воздействий [25]. Такой подход целесообразен при расчётах и оптимизации простейших однокольцевых синтезаторов частот традиционными методами.

2. Подход, при котором структура синтезатора частот предполагается известной, включая тип петлевого фильтра. При этом происходит параметрический синтез с целью уменьшения паразитных отклонений фазы и частоты выходного сигнала и удовлетворения других требований к его качеству [26-28, 37-41].

В свою очередь, вопрос минимизации фазовых флуктуаций сигнала СЧ тесно связан с необходимостью исследования собственных шумов всех элементов кольца ИФАПЧ. Если в отношении генераторных схем вопрос собственных нестабильностей достаточно изучен как в линейном, так и в нелинейном приближении, то в отношении ряда других элементов, к которым относятся цифровой частотно-фазовый модуль, активные фильтры, вопрос нестабильности решается иначе. Сравнительно недавно появились работы, посвященные анализу собственных шумов частотно фазовых детекторов, построенных на КМОП-структурах [42-44].

Приведенные результаты указывают на сложную зависимость эквивалентных фазовых шумов детекторов от рабочей частоты (частоты дискретизации кольца ИФАПЧ) и наличие спектральных компонент различного порядка. Подобные зависимости необходимо учитывать при проектировании прецизионных синтезаторов. Аналогичная ситуация наблюдается и с активными фильтрами, которые используются при проектировании широкополосных синтезаторов. Реализация активных фильтров на операционных усилителях приводит к необходимости учета собственных флуктуаций последних.

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.

Малоизученным остаётся вопрос выбора структуры и параметров отдельных колец ИФАПЧ с целью минимизации фазового шума сигнала многокольцевых СЧ. Оптимизация многокольцевых структур синтезаторов частот при воздействии большого числа источников случайных воздействий требует новых подходов, ориентированных на эффективное использование методов оптимальной фильтрации и вычислительной техники.

Развитие техники синтеза частот невозможно без всестороннего исследования динамики широкополосных однокольцевых и многокольцевых СЧ и сокращения времени переходного процесса с учётом нелинейных свойств колец ИФАПЧ [3, 8, 10, 27, 28, 40, 45-55]. 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. Применение известных решений на основе предустановки частоты предполагает использование аналоговых сумматоров в канале управления. В [56] показано, что наличие операционного усилителя в канале управления, выполняющего функцию аналогового сумматора, приводит к возрастанию фазового шума в полосе кольца до 10…15 дБн/Гц. В свою очередь, требования по широкополосности СЧ могут в значительной степени усложнить вопрос применения оптимального управления и внести коррективы в известные подходы.

Указанные факторы определяют актуальность решения научной проблемы теоретического и экспериментального обоснования новых научно-технических решений по построению широкополосных прецизионных синтезаторов частот, функционирующих в СВЧ диапазоне и обладающих высоким быстродействием.

В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная разработке алгоритма структурно-параметрического синтеза многокольцевых 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. Математические расчеты проводились в среде Matlab.

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 статьях (2 из них – в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 1 патенте, докладах на международных и всероссийских конференциях и семинарах.

Внедрение результатов диссертации Результаты диссертационной работы вошли в 4 отчета по НИР, выполняемых соискателем на кафедре РТС ЯрГУ. Среди них:

• НИР «Развитие нелинейной теории обработки сигналов и изображений в радиотехнике и связи», выполняемой в рамках ВП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)»

Министерства образования и науки РФ, № 2.1.2/7067, 2009-2010 гг.;

• НИР «Развитие теории нелинейной цифровой обработки сигналов и изображений в технических системах», выполняемой в рамках проекта РФФИ № 10-08-01186а, 2010-2012 гг;

• НИР «Моделирование и оценивание сигналов высокой размерности для телевизионных и связных систем в условиях пространственно-частотно-временного рассеяния», выполняемой в рамках проекта РФФИ № 11-07-00736, 2011-2013г.г.

Результаты исследования внедрены в учебный процесс ЯрГУ им.

П.Г. Демидова, МГТУ им. Н.Э Баумана, НИОКР ОАО «Луч» (г. Рыбинск), ОАО «НПО «ТРАНСКОМСОФТ» (г. Москва).

В ходе выполнения диссертационных исследований был получен патент на полезную модель (Вишняков Д.Ю., Ходунин А.В., Казаков Л.Н.

Синтезатор частот с коммутацией структуры и параметров // Патент России № 128046. 2013. Бюл. № 13.).

Объём и структура работы Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и одного приложения, содержит 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.

Краткое содержание работы Результаты работы изложены в следующей последовательности.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание работы. Далее сформулированы сведения о публикациях, апробации и реализации основных научных результатов.

В первой главе рассмотрено современное состояние развития техники синтеза частот с ИФАПЧ. Показана необходимость применения оптимальных методов фильтрации и управления для достижения предельных характеристик синтезатора частот и его выходных сигналов. В свою очередь, учет большого числа источников случайных возмущений приводит к существенному усложнению задачи структурного синтеза.

Наличие нескольких групп нелокализованных источников (минимум 2-х) не позволяет применить стандартную процедуру синтеза структуры на основе оптимальной линейной фильтрации. Необходим новый подход структурного синтеза. Отмечено, что разрешение известного противоречия между спектральными и динамическими характеристиками, которое при проектировании широкополосных синтезаторов частот усиливается, возможно с помощью применения оптимального управления с учётом нелинейных свойств элементов кольца ИФАПЧ.

Во второй главе представлен алгоритм двухэтапного структурно параметрического синтеза однокольцевых и многокольцевых синтезаторов частот с преобразованием частоты внутри кольца с учётом нелокализованных возмущений. На первом этапе синтеза на основе оптимальной фильтрации Винера осуществляется синтез петлевых фильтров отдельно для каждой группы возмущений с учетом заданной полосы анализа, на втором – поиск оптимальных параметров структуры, сочетающей свойства полученных фильтров. Приведены примеры построения однокольцевых и многокольцевых синтезаторов частот с применением структурно-параметрического синтеза. Отмечается, что использование колец ИФАПЧ высокого порядка, делителя с дробно переменным коэффициентом деления в ряде случаев не достаточно для сокращения ошибки фильтрации, паразитных отклонений фазы и частоты, эффекта умножения фазовых возмущений опорного канала.

В третьей главе построена обобщенная структурная схема однокольцевого СЧ-ИФАПЧ с оптимальным управлением и рассмотрены особенности переходных процессов. Получена система уравнений для определения моментов переключения и выключения экстремального воздействия в случае нелинейной модуляционной характеристики ПГ для СЧ-ИФАПЧ с кольцом произвольного порядка. Установлено, что применение экстремального воздействия в СЧ-ИФАПЧ с интегро дифференцирующим фильтром приводит к возрастанию напряжения управления ПГ, и это ограничивает его использование на практике.

Исследовано влияние отклонений моментов переключения и выключения управляющего воздействия на точность установки частоты ПГ. При реализации оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот предлагается коммутировать постоянную форсирующего звена петлевого фильтра, что позволит сократить величину необходимого напряжения управления. Проведён анализ существующих возможностей при реализации оптимального управления в СЧ-ИФАПЧ с учётом существующих комплектующих. Получена оценка эффективности по динамическим параметрам синтезаторов с коммутацией структуры и оптимальным управлением.

В четвертой главе разработана методика проектирования синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций и высоким быстродействием. Приведены примеры практической реализации и результаты экспериментальных исследований ряда синтезаторов частот.

Охарактеризовано метрологическое обеспечение измерений динамических параметров, чистоты спектра опытных образцов синтезаторов частот.

В заключении приведены основные научные результаты, полученные при разработке синтезаторов частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты, которые могут быть предметом дальнейших исследований, направленных на повышение спектральных и динамических характеристик частотообразующих устройств приемо-передающей аппаратуры.

Глава 1. Анализ путей построения систем частотного синтеза на основе ИФАПЧ 1.1. Способы построения синтезаторов частот СВЧ диапазона Среди существующих методов получения дискретного множества частот можно выделить [3, 4, 21, 25-28, 45, 38, 39]:

1) метод прямого цифрового или аналогового синтеза, основанный на преобразовании ряда опорных частот с последующим выделением нужной частоты при помощи фильтров;

2) метод активного косвенного синтеза, основанный на сравнении выходной частоты с некоторой стабильной частотой и последующей подстройки выходной частоты по сигналу рассогласования при помощи кольца автоподстройки;

3) метод комбинированного синтеза, объединяющий в себе пассивные и активные методы синтеза.

Несомненным достоинством активного косвенного синтеза с использованием колец импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) является возможность формирования сигналов в СВЧ диапазоне [3, 21, 43].

В [21] выделяется три основных направления построения систем синтеза СВЧ. Первое – использование отработанных и освоенных в производстве синтезаторов метровых волн с последующим умножением частоты выходного колебания в СВЧ диапазон. Однако при умножении частоты повышается уровень паразитных спектральных составляющих спектра. Вторым, широко распространённым направлением является перенос частоты синтезатора метровых или дециметровых волн в диапазон СВЧ путём суммирования частоты его выходных колебаний с колебаниями одного или нескольких высокостабильных СВЧ генераторов. К третьему направлению относится использование СВЧ генератора, подстраиваемого по частоте выходным колебанием синтезатора с переносом частоты в кольце ИФАПЧ. Последнее направление нашло широкое применение при проектировании многокольцевых синтезаторов частот.

1.1.1. Однокольцевые синтезаторы частот Системы частотного синтеза с дискретной автоподстройкой частоты можно разделить на две основные группы: однокольцевые и многокольцевые [21, 26-28]. Структура однокольцевого синтезатора частот на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты представлена на рис.1.1.

На рис. 1.1 сокращённо обозначены следующие элементы: ОГ – опорный генератор, ДФКД – делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления, ИЧФД – импульсный частотно-фазовый детектор, ФНЧ – фильтр низких частот, ПГ – перестраиваемый генератор, ДПКД/ДДПКД – делитель частоты с переменным или дробно-переменным коэффициентом деления.

Рис.1.1. Структурная схема однокольцевого СЧ-ИФАПЧ Опорный генератор формирует в системе высокостабильный и постоянный по частоте сигнал, который поступает на вход детектора.

Предварительно опорный сигнал может поступать на вход делителя или умножителя частоты.

Среди известных ИЧФД наиболее широкое распространение получил импульсный частотно-фазовый детектор с тремя состояниями (ИЧФД3). На рис. 1.2 изображена структурная схема ИЧФД3. Импульсный частотно-фазовый детектор с тремя состояниями реализуется на динамических Д-триггерах (в данной схеме каналы S, C – реагируют на фронт). Начальным импульсом установки триггера приводятся в состояние логической единицы (лог.1). В этом состоянии каждый из триггеров находится до тех пор, пока на его вход С не поступит фронт, который перебросит триггер в то состояние, в котором находится его вход D, т. е. в состояние лог.0 и, следовательно, лог.1 с выхода Q. В этом случае откроется один из ключей, на который поступил сигнал лог.1.

Рис. 1.2. Структурная схема ИЧФД При поступлении фронта на другой триггер логическая схема ИЛИ НЕ сработает, перекинув оба триггера в состояние лог.1. При открывании ключей в цепи течёт ток ( I ), при запирании ток отсутствует. Ключи и генераторы тока образуют зарядовую накачку (ЗН). Таким образом, возникает сигнал I t положительной или отрицательной полярности. В идеализированном ИЧФД3 (без учета задержек, паразитных токов в аналоговой части детектора) возможно и третье состояние: отсутствие сигнала.

Таким образом, мы имеем три состояния детектора, которые позволяют детектировать временную разность поступления импульсов (или осуществлять широтно-импульсную модуляцию).

С ИЧФД3 сигнал последовательно поступает на вход петлевого корректирующего фильтра (на функциональных схемах кольца ИФАПЧ обозначается как ФНЧ). Фильтр выделяет информационную составляющую в виде напряжения, поступающего на ГУН.

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.

1.1.2. 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).

Рис.1.3. Структурная схема многокольцевого СЧ-ИФАПЧ 1.2. 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.

Выходной сигнал опорного и перестраиваемого генераторов может быть записан в виде S г t Aг cosг t г t, (1.1) где Aг, г, г – постоянные амплитуда, частота и начальная фаза;

t – фазовый шум сигнала генератора.

Случайный процесс t имеет спектральную плотность мощности S.

В данной работе в качестве модели фазовых шумов генераторов, используемых при построении синтезаторов частот, принята полиномиальная модель [21]. Данная модель учитывает типы шумов, перечисленные в таблице 1. Таблица 1. S Название Частотный шум случайных h4 блужданий h3 3 Частотный фликкер-шум h2 2 Белый частотный шум h1 1 Фазовый фликкер-шум Белый фазовый шум h В работах Кулешова В.Н., Жабина А.С. представлены оценки уровня СПМ эквивалентных фазовых флуктуаций логической и аналоговой частей ИЧФД P ичфд д ичфд P0ичфд д P0ичфд д.

(1.2) S,1, где д – частота дискретизации в кольце ИФАПЧ;

– отстройка по частоте от частоты несущего колебания;

Pичфд, P0ичфд, P0ичфд – константы, 1,1, определяются эмпирически или из характеристик МОП-транзисторов.

Сведения производителей интегральных микросхем синтезаторов частот указывают, что эквивалентная СПМ фазового шума цифровых модулей (ЦМ), состоящих из ДФКД, ДПКД/ДДПКД и импульсного частотно-фазового детектора, может быть представлена следующим образом:

P д S цм P0 д, (1.3) где д – P, P0 – константы, определяются выбранной микросхемой.

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.

На рис.1.4 сокращённо обозначены следующие элементы: 1 – идеальный операционный усилитель, I nn, I np – два паразитных генератора тока, en – источник паразитного напряжения.

Рис.1.4. Модель операционного усилителя В диссертационной работе предполагается, что СПМ шума активного фильтра имеет полиномиальную структуру.

Таким образом, СПМ внешних и внутренних воздействий в СЧ ИФАПЧ представимы в виде степенных функций:

4 S, S hiпг i, i ог hiог пг i 0 i (1.4) 1 S hiцм i, S аф hiаф i, цм i 0 i ог пг где S ( ), S ( ) – СПМ фазовых флуктуаций сигналов ОГ и ПГ;

S ( ) цм – пересчитанный на вход кольца эквивалентный фазовый шум ЦМ, состоящий из ДФКД, ДПКД/ДДПКД и ИЧФД;

S аф ( ) – шум активного фильтра (операционного усилителя);

hi – коэффициенты аппроксимации СПМ воздействий, определяемые теоретически или экспериментально.

1.3. Шумовые характеристики сигнала СЧ Проведём анализ шумовых характеристик выходного колебания для структурных схем, представленных на рис. 1.1, 1.3. Прежде всего, учтём шумы функциональных узлов синтезаторов частот, описанных выше.

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].

а б Рис.1.5. Структурные схемы однокольцевого, двухкольцевого и k кольцевого СЧ-ИФАПЧ (а) и их функциональные схемы с указанием источников шума (б) Согласно рис. 1.5, СПМ фазовых флуктуаций формируемого сигнала однокольцевого Sc, двухкольцевого Sc и k-кольцевого Sc СЧ 1 2 k ИФАПЧ имеют вид:

S ог 2 S K1 j S K 2 j S аф K 3 j, 2 2 цм пг 1 1 1 Sc R Sc S 2 K1 j S1 K 2 j S1 K 3 j, 2 2 аф пг 2 1 1 Sc Sk K1 j S1 K 2 j S1 K 3 j, 2 2 аф пг k 1 1 S K1 j K12 j 2 S ог ог S 2 S1 S 2 цм цм R12 N12 N R K 2 j K 3 j 2 2 S 2 S 2 аф пг, N12 N (1.5) l K1i j S S ог ог k Sk S1 i 2 l 1 цм R12 Rl N i l i l l K1i j K1i j 2 k k Sl i 2 l 1 Sl K 2 j i 2 l цм пг l N i2 N i l 2 l i 1 i l K1i j k Slаф K 3 j i 2 l l, l N i i G i j N i K пгi j, K 2 j, K 3 j, i i i K 1 G i j 1 G i j j 1 G i j K фдi K пгi K фi j G i j, N i j где K1 j, K 2 j – комплексные коэффициенты передачи фазового i i K3 j – комплексный i шума сигнала ОГ и ПГ соответственно, G i j коэффициент передачи шума операционного усилителя, – коэффициент передачи разомкнутого кольца, – крутизна K фдi дискриминационной характеристики фазового детектора, K пгi – крутизна регулировочной характеристики ПГ, Kфi j – коэффициент передачи петлевого фильтра (ФНЧ), N i – значение коэффициента деления ДПКД или ДДПКД, Ri – значение коэффициента деления ДФКД, i – номер кольца.

Основам общих методов расчёта и минимизации фазовых шумов сигнала СЧ посвящено достаточно много работ [25-28], написанных как российскими авторами: В.А. Левин, В.Н. Малиновский, А.В. Рыжков, А.В.

Пестряков, В.В. Шахгильдян и др., так и зарубежными: V.F Kroupa, M.

Perrott, D. Banerjee.

Как правило, в работах структура синтезаторов частот предполагается известной [25]. При этом происходит параметрический синтез с целью уменьшения фазовых флуктуаций выходного сигнала и удовлетворения требований к качеству формируемого сигнала. При таком подходе остаётся открытым вопрос о выборе конкретной структуры, которая бы обеспечивала предельный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала.

Поиск структуры синтезатора частот с низким уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала можно осуществить методами оптимальной линейной фильтрации. Для того, чтобы воспользоваться теорией фильтрации для синтеза оптимальной системы, необходима модель наблюдения с указанием полезного сигнала и помехи [25]. Наличие в системе как внешних, так и внутренних источников шума не позволяет воспользоваться результатами линейной фильтрации. Для того, чтобы получить оптимальную структуру, необходимо пересчитать фазовый шум внутренних источников на вход системы. Однако выполнить это не удается в связи с тем, что структура и параметры петлевого фильтра являются неизвестными и подлежат определению. Одним из решений указанной выше проблемы является итерационный процесс, предложенный в [59]. В его основе лежит алгоритм последовательных приближений, суть которого заключается в следующем. Сначала п синтезируется фильтр Винера с нулевым приближением S ( ), где п S ( ) – пересчитанная на вход фазового детектора СПМ фазовых флуктуаций перестраиваемого генератора. По полученному фильтру Винера на основе теории линейных систем с обратной связью строится п K ф ( p), а по значению последнего пересчитывается S ( ). Затем она аппроксимируется зависимостью, позволяющей использовать классическую теорию Винера. Далее синтезируется фильтр Винера с п учетом полученной на предыдущем шаге S ( ), по нему строится K ф ( p) п и снова, с последующей аппроксимацией, пересчитывается S ( ). Эта п процедура повторяется до тех пор, пока значения S ( ) на n и n+1 шаге не будут равны с требуемой точностью. Первым недостатком предложенного алгоритма является поиск аппроксимирующего выражения для пересчитанной СПМ фазовых флуктуаций сигнала ПГ, при этом теряется информация о корреляционных свойствах возмущения. Вторым недостатком является неточное доказательство функциональной и параметрической сходимости итерационного процесса.

Следует ожидать, что спектральные характеристики многокольцевого СЧ-ИФАПЧ тесным образом связаны с поведением отдельных колец ИФАПЧ. В то же время остаётся открытым вопрос выбора структуры и параметров отдельных колец ИФАПЧ с целью минимизации фазового шума сигнала многокольцевого СЧ.

Указанные факторы определяют актуальность решения первой научной проблемы: разработки алгоритма структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот с низким уровнем фазовых флуктуаций формируемого сигнала в заданной полосе анализируемых частот в широком диапазоне рабочих частот с учётом внешних и внутренних возмущений с полиномиальной СПМ.

1.4. Способы построения быстродействующих синтезаторов частот При разработке СЧ косвенного типа наиболее остро проявляется противоречие между их динамическими и спектральными характеристиками [3, Практическое применение различных 53].

модификаций синтезаторов частот невозможно без всестороннего исследования динамики СЧС и сокращения времени переходного процесса с учётом динамически изменяющегося интервала автоподстройки и нелинейных свойств функциональных элементов кольца ИФАПЧ.

Рис.1.6. Способы повышения быстродействия СЧС косвенного типа Различные варианты повышения быстродействия СЧС породили множество известных в настоящее время схем СЧ рис. 1.6. Существующие способы повышения быстродействия можно разбить на два подхода [53].

Первый заключается в увеличении частоты сравнения в дискретных кольцах фазовой автоподстройки частоты при сохранении требуемого шага сетки выходных частот, второй – повышение быстродействия собственно колец ИФАПЧ при заданной частоте сравнения. Возможны комбинации этих методов.

1.4.1. Синтезаторы частот с переменной частотой дискретизации колец Рассмотрим наиболее перспективные методы построения быстродействующих СЧ, принадлежащих к первой группе.

Из способов возможного повышения быстродействия СЧ-ИФАПЧ за счёт повышения частоты сравнения можно выделить следующие:

1. Применение многокольцевых синтезаторов с высокой частотой сравнения в каждом кольце автоподстройки. За счёт деления выходной частоты одного или нескольких колец достигается получение заданного шага сетки частот [3, 53].


2. Применение нескольких колец ИФАПЧ с высокими частотами сравнения, отличающихся друг от друга на величину требуемого шага сетки частот [3, 53].

3. Один из эффективных методов повышения быстродействия СЧ – вместо делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) устанавливать делитель с дробным коэффициентом деления (ДДПКД) [55, 60-64]. Это существенно повышает частоту сравнения в импульсной системе ФАПЧ при заданном шаге сетки выходных частот, что улучшает динамические характеристики системы, фильтрацию шумов подстраиваемого генератора (ПГ) и снижает эффект умножения флуктуации фазы эталонного генератора.

В соответствии с принципом построения ДДПКД, импульсная последовательность на его выходе является неравномерной, что приводит к появлению в цепи управления помех с частотами, кратными шагу сетки.

Следовательно, одной из основных и самых сложных задач при построении таких СЧ является снижение уровня этих помех. За последние десятилетия было предложено большое количество технических решений, направленных на снижение уровня помех дробности. Все они могут быть условно отнесены к следующим видам: методы рационального изменения во времени коэффициентов деления ДДПКД, методы компенсации помех дробности (как аналоговые, так и цифровые или аналого-цифровые, комбинированные методы, сочетающие вышеперечисленные). В основе методов первой группы лежит идея отыскания алгоритмов управления ДДПКД, обеспечивающих не только требуемый дробный коэффициент (при усреднении на определённом интервале времени), но и позволяющих перераспределять энергию отдельных составляющих в спектре помех дробности. Методы аналоговой компенсации помех дробности также не получили широкого распространения из-за очевидных ограничений, обусловленных низкой технологичностью и связанных с необходимостью настройки и нестабильностью схем компенсации в реальных условиях эксплуатации.

В настоящий момент наиболее эффективным методом компенсации помех дробности является метод, использующий многоразрядное квантование коэффициента деления делителей частоты совместно с устройствами формирования сигналов по методу дельта-сигма модуляции [22, 62]. Развитие этой теории дало толчок к созданию схем для реализации цифрового метода компенсации помех дробности в синтезаторах СЧ-ИФАПЧ с ДДПКД, управляемых дельта-сигма модуляторами ДСМ. Ситуация с использованием ДДПКД кардинально изменилась лишь к концу 90-х годов ХХ века, когда стали получать техническое воплощение идеи автоматического формирования сигналов управления делителем. Такой подход позволил не только исключить необходимость отыскания и программирования определённого закона управления коэффициентами – система автоматически генерирует управляющие коды, но и, самое главное, получить весьма благоприятное перераспределение энергии в спектре помех дробности. Так, использование для этого схем дельта-сигма модуляторов даёт возможность существенно снизить спектральную плотность помех дробности в области низких частот, что позволяет использовать сравнительно широкополосные корректирующие фильтры ФНЧ, не приводящие к значительному снижению быстродействия систем ИФАПЧ. Возрастание уровня помех дробности в области высоких частот удаётся компенсировать соответствующим выбором крутизны спада АЧХ корректирующего фильтра ФНЧ (выбором порядка фильтра).

4. Применение СЧ с использованием алгоритмов аппроксимации. В данном случае производится программирование значений целочисленных коэффициентов деления частотных делителей ДФКД и ДПКД таким образом, чтобы соотношение (1.6) выполнялось с заданной точностью при частоте сравнения в несколько раз выше шага сетки частот [3, 53].

Fог Fвых N Fср N, (1.6) R где Fвых – частота синтеза, Fср – частота сравнения (дискретизации) кольца ИФАПЧ, Fог – частота опорного генератора, R – коэффициент деления ДФКД, N – коэффициент деления ДПКД.

1.4.2. Синтезаторы частот с постоянной частотой дискретизации колец Из второй группы методов повышения быстродействия СЧС косвенного типа следует выделить следующие:

1. Реализация благоприятных фазовых соотношений на входе сравнивающего устройства при замыкании кольца. Известно [3, 53], что на динамику системы ИФАПЧ существенно влияет начальная разность фаз сигналов, поступающих на фазовый детектор. В общем случае величина при замыкании кольца подстройки может быть произвольной. Однако внедрение элементов цифровой техники в СЧ создало реальную возможность для улучшения динамических характеристик благодаря управлению начальной разности фаз.

В [53] предлагается управлять этой величиной с помощью электронного ключа, который размыкает систему по каналу эталонного сигнала. При этом на специальной схеме совпадения сравниваются фазы эталонного генератора эг и перестраиваемого генератора пг при разомкнутом кольце. Кольцо замыкается при условии эг пг 360n, где n 0, 1, 2..., – допустимая величина отклонения начальной разности фаз 0 сигналов опорного и перестраиваемого генераторов от заданного значения.

Другой способ управления начальной разности фаз предусматривает сброс в 0 делителей частоты в канале как эталонного, так и подстраиваемого генераторов. Поскольку коэффициенты деления этих делителей частоты достаточно велики, очевидно, что точность установки 360 может быть весьма значительной ( 0 ). Величина интервала N «ожидания» не зависит от и начальной расстройки и для схем со сбросом одного делителя в худшем случае не превышает периода сигнала на выходе делителя, а для более сложных схем со взаимным сбросом обоих делителей может быть доведена практически до нуля.

Способ принудительного изменения коэффициента деления ДПКД приводит к задержке появления сигнала на его выходе на заданную величину. Интервал «ожидания» в таких схемах достигает длительности одного периода сигнала на выходе делителя, а точность установки может быть такая же, как и в схемах со сбросом делителя в 0.

2. Увеличение быстродействия синтезатора частот может быть достигнуто за счёт предварительной установки частоты ПГ, близкой к номинальному значению [53]. На практике управление частотой ПГ осуществляется как по двум, так и по одному каналу.

В первом случае один канал обычно выполняется широкополосным («грубый канал»), перекрывающим требуемый диапазон частот, а второй – узкополосным, по которому происходит точная подстройка ПГ. Чтобы обеспечить высокое подавление дискретных помех, кратных шагу сетки, необходимо в синхронном режиме поддерживать неизменным управляющее воздействие по грубому каналу, поэтому его элементы чаще всего выполняют в цифровом виде. Полное время переходного процесса в системах ИФАПЧ с двухканальным управлением включает в себя время переходных процессов по грубому и точному каналам.

Рассмотрим возможные способы управления частотой ПГ по грубому каналу. Один из самых простых способов – предварительная установка частоты ПГ. При этом весь диапазон выходных частот разбивается на поддиапазоны;

выбор поддиапазона в зависимости от требуемой Fвых может быть произведен путем коммутации отдельных перестраиваемых генераторов или колебательных контуров ПГ, а также с помощью емкостных матриц, осуществляющих преобразование «код емкость», индуктивных матриц и резистивных (управляемых кодом) делителей напряжения.

Один из самых распространенных способов грубого воздействия на частоту ПГ – применение в кольце ИФАПЧ частотно-фазового детектора вместо обычного фазового детектора [53], что позволяет ликвидировать «ложные» захваты, повысить быстродействие кольца ИФАПЧ с инерционным ФНЧ при сохранении хороших спектральных характеристик СЧ. Кроме того, ЧФД просты в реализации и очень технологичны.

Управлять частотой ПГ по грубому каналу можно и с помощью поисковых воздействий [25, 53].

В этом случае для переключений грубого канала необходимы индикаторы синхронизма (ИС) либо индикаторы полосы захвата точного канала (ИПЗ) в зависимости от условий работы каналов управления (параллельная или последовательная). Основные проблемы при построении таких систем – выбор алгоритма поиска, выбор ИС или ИПЗ, способных за минимальное время вынести решение о наличии синхронизма либо о величине частотной расстройки в системе.

Известны следующие алгоритмы поиска: с постоянной скоростью (линейный), с переменной скоростью (нелинейный), дихотомический.

Последний, как утверждается в работах – наиболее [25, 53] перспективный.

3. Использование принципов оптимального управления [3, 8, 27, 65, 66-68]. Повышение быстродействия СЧ можно рассматривать как задачу оптимального управления, в которой объектом управления являются последовательно соединенные ФНЧ и ПГ. В настоящее время методы оптимального управления, несмотря на их высокую эффективность, еще не получили широкого распространения в технике синтеза частот. Это объясняется прежде всего тем, что для их реализации (даже в случае простейших ФНЧ) требуется выполнение достаточно сложных вычислений за короткий интервал времени: для каждого значения частотной расстройки необходимо заново определять функцию управления. Кроме того, необходимо с высокой точностью поддерживать постоянство параметров кольца ИФАПЧ, что не всегда возможно из-за технологического разброса параметров и действия дестабилизирующих факторов (изменения температуры и влажности, старения элементов). Во вторых, как отмечается в [3] и проведённом исследовании, применение оптимального управления к СЧ с интегро-дифференцирующим ФНЧ на основе принципа максимума Понтрягина приводит к сложному поведению системы во время переходного процесса. Применение подобных фильтров связано с необходимостью обеспечения нулевой разности фаз при формировании сигналов с фазовой модуляцией, низкого уровня фазовых, частотных флуктуаций и паразитных спектральных составляющих формируемого сигнала. Обеспечить работу системы в окрестности нулевой фазовой ошибки возможно за счёт повышения порядка астатизма, что достигается использованием интегрирующих звеньев. Для того, чтобы кольцо ИФАПЧ обладало определённым запасом устойчивости, используют дифференцирующие звенья. В результате экстремального воздействия на дифференцирующее звено (что предполагает оптимальное управление) производная отклика терпит разрыв, что проявляется в существенном возрастании сигнала управления ПГ. В условиях ограниченного фазового пространства системы и э/м норм на внеполосное радиоизлучение это является существенным сдерживающим фактором при построении синтезаторов частот с высоким быстродействием.


Однако по мере совершенствования элементной базы, вычислительной техники (особенно микропроцессоров) и развития теории оптимального управления СЧ появляется больше возможностей для реализации этого перспективного направления создания высокоэффективных синтезаторов частот.

Техническая реализация методов оптимального управления может быть различной (на рис. 1.6 отражено пунктирными стрелками): например, путем формирования специального управляющего воздействия на входе управления ПГ или изменения характеристик канала управления (изменения характеристики ФД) или реализации благоприятных фазовых соотношений (воздействия на коэффициент деления ДПКД).

4. Применение коммутируемых структур и параметров при реализации синтезаторов частот. Этот способ предполагает коммутацию по определённому алгоритму нескольких параметров функциональных элементов кольца во время протекания переходного процесса: значений коэффициентов деления ДФКД, ДПКД или ДДПКД, частоты сравнения в детекторе, величин тока заряда и разряда зарядовой накачки и постоянных времени корректирующего фильтра ФНЧ. Их применение в СЧ позволяет расширить полосу захвата и повысить быстродействие при сохранении хороших фильтрующих свойств петли ИФАПЧ.

Вопросам разработки СЧ с использованием коммутируемых структур уделяется внимание многих разработчиков. Например, в работах [3, 5, 53, 54] отмечается, что для уменьшения общего времени переходного процесса предлагается ряд способов, связанных с коммутацией структуры и значений определённых параметров элементов схемы:

1. Увеличение значения тока зарядовой накачки, возможное уменьшение коэффициентов деления частот (как опорного сигнала, так и сигнала в обратной связи кольца), одновременное уменьшение постоянных времени корректирующего ФНЧ – способ быстрого захвата (БЗ).

2. Применение коммутации токов накачки в двух устройствах зарядовой накачки (пропорциональной и интегральной) на начальном ускоренном участке протекания переходного процесса при перестройке частоты в СЧ-ИФАПЧ – способ с двумя зарядовыми накачками (ДЗН).

3. Увеличение значения коэффициента деления ДДПКД наряду с уменьшением величины частоты сравнения в частотно-фазовом детекторе и повышением тока зарядовой накачки на время переходного процесса при смене частот – способ устранения режима скольжения (УРС).

Условия возникновения циклов скольжения при смене частот СЧ не всегда выполняются, поэтому способ УРС не всегда даст положительный эффект. Применение оптимального метода управления является предпочтительным при реализации СЧ с минимальным временем переходного процесса. В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют публикации, в которых бы детально исследовалось влияние нелинейности статической модуляционной характеристики ПГ на качество переходного процесса в СЧ с оптимальным управлением. Не до конца изучен вопрос применения коммутируемых структур и параметров при реализации методов оптимального управления с учётом ограниченного фазового пространства и использования интегро-дифференцирующего ФНЧ в составе кольца ИФАПЧ.

Указанные факторы определяют актуальность решения второй научной проблемы: разработки способа ускорения переходных процессов широкополосных СЧ с помощью оптимального управления с учётом нелинейности характеристик элементов кольца ИФАПЧ и ограниченного фазового пространства.

1.5. Выводы 1. Проведённый обзор существующих методов построения систем частотного синтеза с низким уровнем фазовых флуктуаций показал, что практически отсутствует обоснованный выбор структуры и параметров колец ИФАПЧ с учётом нелокализованных возмущений с полиномиальной спектральной плотностью мощности. В ходе выполнения работы предлагается разработать алгоритм структурно-параметрического синтеза на основе винеровской фильтрации с учётом внутренних и внешних возмущений.

2. Из существующих способов ускорения переходных процессов СЧС косвенного типа предлагается использовать метод оптимального управления, который обеспечивает предельные динамические характеристики. На сегодняшний день отсутствуют результаты применения оптимальных методов управления в СЧ с учётом нелинейных характеристик элементов кольца ИФАПЧ с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром.

3. Практически отсутствуют работы, посвященные использованию способов коммутации структуры и параметров элементов кольца импульсно-фазовой автоподстройки в сочетании с оптимальным управлением. Для разрешения основного противоречия присущего СЧС с ИФАПЧ в работе предлагается разработать способ коммутации структуры и параметров, который бы позволил осуществить компенсацию начальной частотной расстройки за счёт оптимального управления и реализацию оптимальных фильтров, полученных в ходе структурно-параметрического синтеза.

Практическое применение разработанных алгоритмов 4.

невозможно без учёта функциональных возможностей современной элементной базы. Для практического использования полученных результатов необходима разработка аппаратно-программного комплекса по расчёту и проверке теоретических результатов работы.

Глава 2. Структурно-параметрический синтез многокольцевых СЧ-ИФАПЧ с низким уровнем фазовых флуктуаций формируемого сигнала 2.1. Постановка оптимизационной задачи В последнее время большой интерес вызывают вопросы синтеза оптимальных систем. С появлением новых видов сигналов, способов их формирования и обработки требования к стабильности частоты систем частотного синтеза и уровню их фазовых шумов становятся всё более жёсткими. В связи с этим возникает задача оценки предельно достижимого уровня спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых флуктуаций сигналов многокольцевых синтезаторов частот и оптимизации структуры и параметров систем частотного синтеза с целью уменьшения уровня фазового шума выходного сигнала.

Фильтрующим свойствам колец ИФАПЧ, синтезу оптимальных структур, используемых при построении синтезаторов частот (СЧ ИФАПЧ), посвящено достаточно много работ, написанных как российскими авторами: Карякин В.Л., Кочемасов В. Н, Капранов М.В., Кулешов В.Н., Шахгильдян В.В., Левин В.А., Альтшуллер Г.М., Романов С.К., Малиновский В.Н., Рыжков А.В., Пестряков А.В., и др., так и зарубежными: Имеется V.F Kroupa, M. Perrott, D. Banerjee.

систематизированный материал в виде статей и монографий [9, 24-28, 40, 41].

Известные результаты решения задачи анализа и синтеза оптимальных структур синтезаторов частот явились важным этапом в развитии теории и техники синтеза частот. В частности, в работах сегодняшнего времени можно выделить две группы методов:

1. Методы, основанные на полиномиальной аппроксимации и аналитической записи спектральных плотностей мощности внешних и внутренних возмущений. При этом синтез структур СЧ осуществляется с применением оптимальной линейной фильтрации для небольшого числа возмущений Такой подход целесообразен при расчётах и [25].

оптимизации простейших однокольцевых синтезаторов частот традиционными методами.

2. Численные методы, при которых структура синтезаторов частот предполагается известной. При этом происходит параметрический синтез заданной структуры с целью уменьшения фазовых флуктуаций выходного сигнала и удовлетворения требований к качеству формируемого сигнала [26-28, 40, 41].

Обе группы методов не позволяют ответить на вопрос выбора конкретной структуры синтезаторов частот, которая бы обеспечивала предельный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала с учётом всех возмущений со спектральной плотностью мощности различного порядка.

Следует ожидать, что спектральные характеристики многокольцевого СЧ-ИФАПЧ тесным образом связаны со спектральными характеристиками сигналов отдельных колец ИФАПЧ. В то же время не до конца изучен вопрос выбора структуры и параметров колец ИФАПЧ с целью минимизации фазового шума сигнала многокольцевого СЧ.

Оптимизация многокольцевых структур синтезаторов частот при воздействии десятков источников фазовых шумов требует новых подходов, ориентированных на эффективное использование методов оптимальной фильтрации и вычислительной техники.

Целью данной главы является анализ и оптимизация спектральных характеристик выходного сигнала многокольцевых СЧ-ИФАПЧ с учётом внешних и внутренних возмущений с полиномиальной спектральной плотностью мощности. В качестве исследуемых характеристик рассматриваются: уровень СПМ фазовых флуктуаций, значения паразитного отклонения фазы (ПОФ) и частоты (ПОЧ) формируемого сигнала и ошибки фильтрации физически реализуемого СЧ-ИФАПЧ.

Критерием оптимальности является минимум этих величин.

С целью разработки нового подхода структурно-параметрического синтеза СЧ-ИФАПЧ, ориентированного на требуемый уровень фазовых флуктуаций сигнала в заданной полосе анализируемых частот, определим полезные компоненты возмущений опорного канала (внешние возмущения: фазовый шум сигнала ОГ, эквивалентный фазовый шум ЦМ) и канала управления (внутренние возмущения: фазовый шум сигнала ПГ, пересчитанный шум активного фильтра). С учётом нижней границы полосы анализа задача синтеза распадается на две: синтез оптимальной структуры с учётом старшей компоненты полиномиальной модели СПМ возмущений (актуально для радиотехнических систем с низкой границей полосы анализируемых частот, например, радионавигационных систем, связных систем с пакетной передачей данных) и без учёта старшей компоненты полиномиальной модели СПМ возмущений. Модели наблюдения для опорного канала и канала управления для двух задач имеют вид (2.1) и (2.2), при этом полагается, что полезный сигнал и помеха некоррелированные. Положение некоррелированности компонент связано с независимостью источников шума, которые формирует СПМ возмущений [21].

4 S, с S, п hiог i hiцм i h0, ок ок ог (2.1) i 1 i 1 4 hiаф i 2, i i ку ку hiпг hiпг S, с S, п i 0 i 2 i 2 hiцм i h0, i ок ок hiог ог S, с S, п (2.2) i 1 i S, с S, п hiпг i h2 2 h0 ф 2, а ку ку пг i 4 2 hiцм i h i i ок hiог ок hiог ок ог,, где – S, с S, с S, п i 1 i 1 i СПМ полезного сигнала и помехи в опорном канале кольца ИФАПЧ для hiпг i, ку первой и второй задачи синтеза;

S, с i 4 hiаф i 2, S, п h2 2 h0 ф 2 – СПМ i ку hiпг а ку пг S, п i 2 i полезного сигнала и помехи в канале управления кольца ИФАПЧ для первой и второй задачи синтеза.

2.2. 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] в в н, в S d, н, в 2 S d.

2 (2.3) н н Пределы интегрирования (2.3) определяются исходя из особенностей радиотехнической системы, в которой используется СЧ-ИФАПЧ.

2.3. Реализация синтезаторов частот с оптимальной структурой и параметрами 2.3.1. Однокольцевые синтезаторы частот 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:

h ог ог h ог Sок Sок h4 цм,с,п 22 2 02 h R R R (2.4) c b 2c j c b 2c j N0, 2 h4 h0 ф h2 h0 ф а а пг пг Sку Sку пг,с,п h 4 (2.5) c1 b1 2c j пг c1 b1 2c1 j, h0 2 h2 h0 ф 2 h4 h2 ф а пг а пг ог ог ог h0 h2 h цм где N 0 2 h0, b,c, b1, c.

пг пг N0 R2 N0 R R h0 h Знак “+” в (2.4, 2.5) означает, во-первых, разложение функции в скобках на простые дроби, а во-вторых, взятие лишь тех слагаемых, полюсы которых лежат в верхней области - плоскости, знак “-” – в нижней области - плоскости.

Коэффициенты передачи оптимальных фильтров имеют вид:

c b 2c j N ог H опт 1 (2.6), c b 2c j c b 2c j N0 пг h0 2 пг H опт пг 2 пг пг b1 2c1 j h0 с1 b1 2c1 j h0 с1 h0 пг 1 b1 2c1 j h2 с пг 2 h b1 2c1 j h0 2 с1 b1 2c1 j пг пг пг h0 с1 h0.

с1 b1 2c1 j 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.

G1 j ок H у1 j N H о1 j N, H о1 j ку ок ок, 1 G1 j 1 G1 j ок ку K фд K пг K ф1 j ок ок 1 jT j j ок ок G1, K ф1, (2.7) N j ок j T K фд K пг K ф1 j ку ку 1 jT j j G1ку ку, K ф1, N j ку j T где H у1 j – коэффициент передачи оптимального фильтра-умножителя ок для возмущений опорного канала с учётом старшей компоненты H o1 j – ок полиномиальной модели СПМ;

коэффициент передачи оптимального фильтра для возмущений опорного канала;

H o1 j – ку коэффициент передачи оптимального фильтра для возмущений в канале управления;

K ф1, ку j – коэффициенты передачи петлевых фильтров;

ок T11, T21 T ку, T21 – постоянные времени петлевых фильтров;

N – ок ку ок значение коэффициента деления ДПКД/ДДПКД.

СПМ фазовых флуктуаций полезного сигнала и помехи для опорного канала и канала управления без учёта старшей компоненты полиномиальной модели СПМ возмущений имеют вид:

ог ог h 2 2 2 h h Sок Sок цм,с,п R R (2.8) c j c j N j j, h2 h0 ф а пг Sку Sку пг,с,п h (2.9) пг c j c j h0 j j, 1 h2 h0 ф а пг ог ог h0 h цм где N 0 2 h0, c, c 2.

пг N0 R R h Коэффициенты передачи оптимальных фильтров имеют вид:

N0 c ог H опт 1 (2.10), c j c j N j h0 j пг j пг H опт j h0 2 с1 j пг пг пг h0 с1 h0 j j с с j с j.

с1 j 1 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.

G2 j ок j N j N, H о 2 j ку ок ок H о H у2, 1 G2 j 1 G2 j ок ку K фд K пг K ф 2 j ок ок 1 jT j j ок ок G, K ф3, (2.11) N j ок 1 j T K фд K пг K ф 2 j ку ку 1 jT j j ку ку G, Kф, N j ку 1 j T где H у2 j – коэффициент передачи оптимального фильтра-умножителя ок для возмущений опорного канала без учёта старшей компоненты H o2 j – ок полиномиальной модели СПМ;

коэффициент передачи оптимального фильтра опорного канала;

H o2 j – коэффициент передачи ку оптимального фильтра возмущений канала управления;

K ф2, ку j – ок коэффициенты передачи петлевых фильтров;

T12, T22 T ку, T22 – ок ку ок постоянные времени петлевых фильтров;

N – значение коэффициента деления ДПКД/ДДПКД.

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, предлагается методика вычисления 27] 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:

в 4 hiог i 1 цм i н, в hi H у j d ок R н i 0 i (2.12) в 4 пг i 2 аф i 2 H о j d Aik Qik.

hi hi ку н i 0 i 0 k 1i в 4 hiог 2 i н, в hiцм 2 i H у j d ок R н i 0 i (2.13) в 4 2 3 2 i hiаф i H о j d Aik Qik.

hi пг ку н i 0 i 0 k 1i в в j H о j i d,, 2 i ок ку d, Qi где Qi1 Hу н н в в j H о j 2 i d, k – индекс, 2 2i ок ку d, Qi Qi1 Hу н н 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]:

в 4 hiог i 4 hiог i hiцм i H у j d, ок, ог R2 i 0 R н i 1 i (2.14) в 1 4 i hiпг i hiаф i 2 H о j d.

hi пг ку, пг i 0 н i 0 i а б Рис. 2.1. Уровень СПМ фазовых флуктуаций сигнала СЧ-ИФАПЧ Отклонение параметров физически реализуемого СЧ, наличие компонент фазового шума различных источников, не учитываемых при структурном синтезе, эффект умножения фазовых флуктуаций возмущений опорного канала являются причиной квазиоптимальности структуры реализуемого СЧ.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.