автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Синтезатор частот для многочастотного доплеровского радиолокатора

На правах рукоппси

Скогоренко Илья Вячеславович

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ ДЛЯ МНОГОЧАСТОТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО РАДИОЛОКАТОРА

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и

устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 г"-.ПР

Томск-2012

005020250

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор, ТУСУР

Шарыгин Герман Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник НПФ «Микран»

Глазов Григорий Наумович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник института оптики атмосферы СО РАН

Шелефонтюк Дмитрий Иванович

Ведущая организация:

ОАО «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», г. Каменск-Уральский

Защита диссертации состоится 24 апреля 2012 г. в 9 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634034, г. Томск, ул. Вершинина, 74.

Автореферат разослан «21» марта 2012 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 40, ТУСУР, ученому секретарю диссертационного совета Д212.268.01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.268.01 доктор технических наук, профессор

А. В. Филатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Многочастотные доплеровские радиолокаторы представляют собой многофункциональные радиолокационные станции (РЛС) миллиметрового диапазона для определения параметров движения цели (скорость, дальность, пеленг). Основными достоинствами системы являются: малая погрешность измерения параметров движения цели, малые габариты, малая мощность излучения, малое потребление тока, возможность обнаружения исключительно движущихся объектов. Тактико-технические характеристики (ТТХ) многочастотных доплеровских радиолокаторов зависят от самых разных факторов, в том числе от технических характеристик источников несущих колебаний - гетеродинов, применяемых в приемо-передающих модулях (ППМ) и предназначенных для преобразования частот сигнала в супергетеродинном радиоприёмнике.

В настоящее время в ППМ отечественных РЛС применяются гетеродины, конструктивно разработанные в 70-80 годах. Гетеродины имеют существенные недостатки: малый диапазон перестройки выходных частот (как следствие, большая номенклатура устройств в системе), высокая стоимость, большие габариты, что неприемлемо для использования в современной технике.

В современных РЛС в качестве гетеродинов в супергетеродинных радиоприёмниках используются цифровые синтезаторы частот (СЧ), имеющие ряд преимуществ: широкий диапазон перестройки выходных частот, возможность установки любой частоты с точностью до долей Герц, низкая себестоимость, малые массогабаритные показатели, малая потребляемая мощность, возможность подстройки выходной частоты цифровыми методами, простая процедура настройки в производстве.

Основные требования, предъявляемые к синтезаторам частот доплеровских радиолокаторов: простота реализации, малые габариты, малая

потребляемая мощность, низкий уровень побочных спектральных составляющих (менее минус 90 дБн).

С учетом вышесказанного, возникает необходимость создания малогабаритного синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания.

До недавнего времени для создания малогабаритных СЧ наиболее широко использовались цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС), основным преимуществом которых является возможность точного изменения выходной частоты и фазы по команде с ЭВМ или цифрового процессора. Однако ЦВС присущи существенные недостатки, такие как сравнительно невысокая частота выходного сигнала (до нескольких сотен МГц) и неприемлемый уровень побочных спектральных составляющих (ПСС). Кроме того, ЦВС обладают высоким энергопотреблением и требуют использования дополнительного тракта формирования сигнала тактовой частоты, значение которой как минимум в три раза превосходит максимальную синтезируемую частоту. Для уменьшения уровня ПСС используются сложные многокольцевые гибридные схемы.

Присущие ЦВС принципиально неустранимые недостатки обусловливают актуальность применения в ППМ синтезаторов частот, построенных на основе методов косвенного синтеза, использующих систему импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) и имеющих более простую реализацию.

Одной из проблем создания синтезаторов частот на основе системы ИФАПЧ является ухудшение фазовых шумов (ФШ) синтезируемого колебания при уменьшении шага сетки выходных частот. Однако, использование в СЧ на основе системы ИФАПЧ цифровых дробных делителей частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемых дельта-сигма модулятором (ДСМ), позволяет получить выходное колебание с высокой спектральной чистотой и предельно малой дискретностью перестройки по частоте (с шагом сетки частот до единиц и долей Гц) при высокой частоте дискретизации (до

десятков МГц). Такой подход дает возможность существенно упростить техническую реализацию синтезаторов частот за счет использования серийных дешевых интегральных микросхем (ИМС) с малыми габаритами и энергопотреблением. С появлением первых подобных ИМС с ДСМ появилась возможность достичь в таких СЧ тех же показателей по точности и спектральной чистоте, как и в использующихся до сих пор весьма сложных гибридных структурах синтезаторов частот, сочетающих в себе методы прямого, косвенного и цифрового синтеза.

Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, отличающегося широким диапазоном перестройки выходных частот и высокой спектральной чистотой выходного колебания при сравнительно простой реализации.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка малогабаритного синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Анализ методов определения параметров движения цели в многочастотном доплеровском радиолокаторе с точки зрения влияния фазовых шумов синтезатора частот на качественные показатели системы.

2. Определение параметров синтезатора частот, исходя из требуемых характеристик многочастотного доплеровского радиолокатора.

3. Имитационное моделирование процесса формирования, передачи, распространения и приема сигнала в многочастотном доплеровском радиолокаторе с целью определения уточненных требований к синтезатору частот.

4. Формулирование требований к синтезатору частот на основе результатов имитационного моделирования с учетом технических параметров многочастотного доплеровского радиолокатора.

5. Сравнительный анализ методов синтеза частот с целью выявления пригодного для достижения цели диссертационной работы.

6. Математическое описание и имитационное моделирование системы ИФАПЧ с ДЦПКД, управляемым ДСМ.

7. Создание опытного образца синтезатора частот и проведение его испытаний в составе штатного оборудования многочастотного доплеровского радиолокатора, анализ и оценка результатов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, методы математического анализа радиотехнических цепей, методы имитационного моделирования, методы экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в обосновании возможности создания малогабаритного синтезатора частот с высокими спектральными характеристиками для многочастотного доплеровского радиолокатора на основе системы ИФАПЧ с ДЦПКД, управляемым ДСМ. В частности:

1. Разработана компьютерная имитационная модель многочастотного доплеровского радиолокатора, позволяющая определять требования к допустимому уровню фазовых шумов гетеродина радиоприёмника.

2. Предложен новый метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в системе импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с дробным делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДЦПКД), управляемым дельта-сигма модулятором (ДСМ), с применением двух генераторов опорных частот (ГОЧ).

3. Разработан образец синтезатор частот на основе системы ИФАПЧ с ДЦПКД, управляемым ДСМ, с применением двух генераторов опорных частот, и проведены его испытания.

Практическая значимость

1.На основе сравнительного анализа существующих методов синтеза частот и методов улучшения характеристик синтезаторов частот разработана структура синтезатора, позволяющая выполнить требования, предъявляемые к гетеродину радиоприёмника многочастотного доплеровского радиолокатора.

2. Создан опытный образец синтезатора частот на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, и проведены его испытания в составе штатного оборудования многочастотного доплеровского радиолокатора.

3. Основные результаты диссертационной работы внедрены в изделия организации ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (акт внедрения от 23.12.2011 г.).

4. Часть результатов диссертационной работы отражена в монографии автора и внедрена в учебный процесс в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 14.12.2011 г.).

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «НАУЧНАЯ СЕССИЯ ТУСУР-2011» (выдан диплом первой степени за лучший доклад на секции) и Второй научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по тематике «Инновационные подходы при создании военной техники», проводимой ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей» в 2011 году (выдан диплом участника).

Основное содержание диссертационной работы изложено в 8 публикациях, написанных без участия соавторов. Из них две опубликованы в журнале «Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники», включенном в перечень ведущих научных журналов и изданий РФ, рекомендованных ВАК. По результатам исследований издана монография, которая внедрена в учебный процесс в Томском государственном

университете систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 14.12.2011 г.). Результаты исследований, изложенных в диссертации, были получены при проведении плановых научно-исследовательских работ в организации ОАО «НПО «ЛЭМЗ», в результате которых написан отчет о научно-исследовательской работе по разработке перспективного синтезатора частот. Результаты НИР внедрены в изделия ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (акт внедрения от 23.12.2011 г.). Имеется положительное решение от 22.02.2012 г. по заявке № 2011124063/08(035521) о выдаче патента РФ на изобретение.

Личный вклад автора. Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в том, что все результаты получены лично автором. Статьи по теме диссертации написаны без участия соавторов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Построенная имитационная модель многочастотного доплеровского радиолокатора, включающая в себя гетеродин с возможностью задания спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного колебания, приемо-передающий модуль, многолучевый радиоканал и анализатор спектра, позволяет, при измерении отношения сигнал-шум на выходе приемника, определить требования к спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного колебания гетеродина.

2. Использование синтезатора частот на основе интегральной схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), имеющей дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемый дельта-сигма-модулятором (ДСМ), в приемнике многочастотного доплеровского радиолокатора позволяет расширить диапазон выходных частот гетеродина с 25 МГц до 150 МГц, уменьшить потребляемую гетеродином мощность с 14,4 Вт до 7 Вт и уменьшить его габариты на 20%.

3. Использование двух генераторов опорных частот, электронных переключателей и микроконтроллера в синтезаторе частот на основе ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, позволяет на 30-40 дБ уменьшить уровень побочных спектральных составляющих в выходном сигнале, появляющихся из-

за паразитной связи между синтезируемым сигналом и входом частотно-фазового детектора со стороны генератора опорных частот.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, одиннадцати приложений, списка литературы из 135 наименований, изложена на 178 страницах машинописного текста, иллюстрированного 92 рисунками и 8 таблицами.

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 об апробации основных положений работы, публикациях, а также о внедрении полученных результатов.

Первая глава посвящена определению требований к гетеродину радиоприемника многочастотного доплеровского радиолокатора, в состав которого должен войти разрабатываемый синтезатор частот. Многочастотный доплеровский радиолокатор представляет собой многофункциональную радиолокационную систему с непрерывным излучением радиоволн, предназначенную для определения азимута, угла места, дальности и скорости цели (рис. 1).

Система состоит из передатчика, непрерывно излучающего в пространство электромагнитные колебания разных частот, предназначенные для определения дальности многочастотным фазовым методом. Несколько разнесенных в пространстве приемных антенн образуют пространственные базы в азимутальной и угломестной плоскостях для определения азимута ОС и угла места Р многобазовым фазовым методом. Для определения скорости цели V применяется доплеровский метод.

На основании проведенного анализа методов определения параметров

движения цели в многочастотном доплеровском радиолокаторе, а также

9

исследования когерентности фазовых шумов в приемо-передающем тракте, заключающегося в определении зависимости между шумовыми характеристиками выходного сигнала гетеродина и колебания промежуточной частоты в приемнике, и последующего компьютерного имитационного моделирования процесса формирования, передачи, распространения и приема сигнала (рис. 2), были сформулированы требования к спектральной плотности мощности фазовых шумов (ФШ) разрабатываемого синтезатора частот (табл. 1).

Рис. 1. Многочастотный доплеровский радиолокатор (ППМ - приемо-передающий модуль)

Задание фазовых шумов

Рис. 2. Схема компьютерного имитационного моделирования Таблица 1. Требования к ФШ синтезатора частот

Отстройка, Гц 100 МО3 МО4 МО5 МО

ФШ, дБн/Гц -50 -70 -90 -110 -130

Вторая глава посвящена обзору синтезаторов частот и их характеристик, структурной схеме синтезатора частот, его математическому описанию, обсуждению и выбору методов исследования. Описаны методы синтеза, их преимущества и недостатки. Предложены методы улучшения характеристик синтезаторов частот. На основании проведенного анализа современного состояния и перспектив развития теории и техники синтеза частот выбрана структура СЧ на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.

Синтезатор частот с ДСМ второго порядка (рис. 3) включает в себя: накапливающие сумматоры (HCl и НС2), с выходов переполнения которых импульсные последовательности суммируются в сумматоре I; элементы задержки на такт D; делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД); опорный генератор (ОГ); частотно-фазовый детектор (ЧФД); петлевой ФНЧ и подстраиваемый генератор (ПГ). [1-5]

Рис. 3. Синтезатор частот с дробным делением частоты на основе дельта-сигма модулятора второго порядка

Шаг сетки частот и, соответственно, расстояние между гармониками помех дробности в СЧ с ДСМ определяется величиной /„, = /к /2т , где /ог -частота опорного генератора, т - разрядность двоичного представления дробной части N или количество разрядов накопительных сумматоров ДСМ. Учитывая, что в реальных схемах т может достигать 18...24, становится очевидным, что возможно уменьшить /„, вплоть до десятков, единиц, и долей Герц. Столь длинные управляющие последовательности уже приближаются к хаотическим, а спектр помех дробности, порождаемый ими, стремится к непрерывному с уменьшением уровней отдельных компонентов. В настоящее время использование СЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, позволяет достигнуть таких же показателей по спектральной чистоте, как и в весьма сложных гибридных структурах СЧ, сочетающих в себе методы прямого, косвенного и цифрового синтеза.

Предложен метод подавления побочных спектральных составляющих в синтезаторах частот с ИФАПЧ и ДДПКД, управляемым ДСМ, с использованием двух генераторов опорных частот (рис. 4).

Несмотря на использование ДСМ, в синтезаторе частот с ИФАПЧ, имеющем ДДПКД, одним из недостатков остаются помехи, генерируемые

Шина

1 - Первый электронный двухпозиционный переключатель;

2 - Первый генератор опорной частоты (ГОЧ);

3 - Второй генератор опорной частоты ;

4 - Второй электронный двухпозиционный переключатель;

5 - Интегральная схема цифрового синтезатора частот;

6 - Делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления;

7 - Дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления;

8 - Частотно-фазовый детектор (ЧФД);

9 - Петлевой фильтр нижних частот;

10 - Генератор, управляемый напряжением.

Рис. 4. Структурная схема синтезатора частот с уменьшенным уровнем ПСС

синтезатором, так как в нем имеется паразитная связь между синтезируемым сигналом и входом ЧФД со стороны ГОЧ. Из-за того, что синтезируемые частоты не кратны частоте сигнала на входе ЧФД (не кратны частоте сравнения), в выходном сигнале появляются побочные (паразитные) спектральные составляющие (ПСС). Наихудший случай наблюдается тогда, когда разница между синтезируемыми частотами и ближайшей частотой, кратной частоте сравнения, настолько мала, что петлевой ФНЧ не обеспечивает требуемого подавления ПСС (уровень помех дробности может достигать уровня минус 50 дБн). На рис. 5 изображен спектр мощности синтезируемого сигнала СЧ с ИФАПЧ и ДДПКД, управляемым ДСМ, вблизи выходной частоты, кратной частоте сравнения в ЧФД, полученный экспериментально с использованием интегральной схемы HMC700LP4E фирмы Hittite.

Наибольший уровень ПСС в синтезируемом сигнале находится вблизи частот

п/чфд + fчФдd/т, при d < m, m < 4,

где п, с1 и т - целые числа, при этом большему значению т соответствует меньший уровень побочных спектральных составляющих; /Чфд - частота сравнения, используемая в частотно-фазовом детекторе [6].

На рис. 6 изображены побочные спектральные составляющие в СЧ с ИФАПЧ и ДДПКД, образующиеся из-за паразитной связи между синтезируемым сигналом и входом ЧФД со стороны ГОЧ.

/ГГц

Рис. 5. Спектр мощности 5(/) синтезируемого сигнала СЧ с ИФАПЧ и ДДПКД, управляемым ДСМ, вблизи выходной частоты, кратной частоте сравнения в ЧФД

Частоты /1 и /2 для первого 2 и второго 3 генераторов опорных частот выбираются таким образом, чтобы выполнялись условия:

2-1-Цф

\_fJJtl±М*

/•шах вых

1Т11П

вых

где К - коэффициент деления делителя частоты 6 с фиксированным коэффициентом деления; I - коэффициент, зависящий от параметров характеристики петлевого ФНЧ 9 и требуемого ПСС синтезируемого сигнала;

4/фяу - полоса пропускания петлевого ФНЧ 9; /27 и - минимальная и максимальная синтезируемые частоты.

/гун

Побочные спектральные составляющие

1 -го порядка _

_1_

П/'гфи

(п+1/2 ¡/чад

(я+1 у<я*

/■Гц

М

г ч

А т=2

2А

2А

мгн

Побочные спектральные составляющие 2-го порядка

л.

п/чфл

(п+тучФд

(п+\УчФЛ

/■Гч

Рис. 6. Побочные спектральные составляющие в СЧ с ИФАПЧ и ДДПКД, образующиеся

из-за паразитной связи между синтезируемым сигналом и входом ЧФД со стороны ГОЧ

Рассмотрена математическая модель, позволяющая аналитически описать поведение СЧ на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ. Для исследования СЧ был выбран метод программного имитационного моделирования.

В третьей главе на основе имитационного моделирования проведено проектирование кольца ИФАПЧ синтезатора частот (рис. 7).

Создан экспериментальный образец СЧ с диапазоном перестройки от 2850 МГц до 3000 МГц (рис. 8), вошедший в состав многочастотного доплеровского радиолокатора. Экспериментальные исследования показали хорошее совпадение с результатами теоретических исследований и подтвердили работоспособность устройства и соответствие его основных характеристик требованиям к гетеродину в многочастотном доплеровском радиолокаторе.

15

-КЫе К1о<та1 !

«Маг»Вмде(

■ЕЖе» ОмЛ>/

■ ЗРЬме 0е(ес«х СЬагдеРичр

бЖ

■СРСипеШ .....Ш

■РЫнку «дайув

Ыгкаде Г.............J

АВРи» 3.00гц

V» 5.00 V

•Утп (V

-Утэх 5.00 V ' )

■Мах Ргеч. 320МНг

Мосе МоЛ

-РНАоа -213<ВсЛ1г

ЬжН Эри Вам .....45ЛсВс\

• Ьоск 0е(ес1 Иоле

-ЭрееЛдаМоЙе . - ;

Ч^иор ГШ* СРА.РРЯ

■5реЫу. ; РЬа$еМа»дп •

иоорВагтсЫЛЬ ~4ЙкНГ"~':

- РЬ&>е Мацп 45.0(^ }

2ао1_ос 1Б.ЗкНг

•Ро1е(ВЗСЭ1 128кНг

Ро1е(В1 С1) : 496кНг, I

•ИОрАтр ___ АР797__I

•т Г......Щс' |

•С1 М7&

42 1.35к

С2 7.1ЭгР

ЯЭ 1.8К ]

СЗ МОг*

Рис. 7. Результат имитационного компьютерного моделирования СЧ и параметрического

синтеза кольца ИФАПЧ

Схемы измерительных установок для

•' измерения ФШ, уровня ПСС синтезатора

' „ частот и спектра сигналов промежуточных

V.^Л^^^ч! / частот (ПЧ) в 4-х каналах ППМ в диапазоне

V? .-. " ' доплеровских частот, измеренного

вычислителем и штатным программным

^^ обеспечением (ПО), изображены на рис. 9.

Рис. 8. Опытный образец синтезатора

частот На рис. 10 приведены результаты

измерения уровней ФШ и ПСС синтезатора частот, а также диаграмма

измеренных уровней ПСС в выходном спектре СЧ в диапазоне рабочих частот.

На рис. 11 изображены спектры ПЧ ППМ многочастотного доплеровского

радиолокатора при использовании СЧ в качестве гетеродина. В спектре

отсутствуют побочные спектральные составляющие, что говорит о выполнении

требований к СЧ по уровню ПСС. Измерения спектров ПЧ проведены штатным

ПО при выключенном и включенном синтезаторе частот. Уровень шума сигнала

ПЧ при включенном и выключенном СЧ не изменился, что говорит о

выполнении требований к синтезатору частот по уровню фазовых шумов.

Agitent Е5052В

Agilent N901 OA

ЭВМф=£ СЧ

Измеритель ФШ

эвмф=£ СЧ -

Анализатор спектра

б)

Agilent E8257D PSG

В)

Рис. 9. Схемы измерительных установок для измерения ФШ (а), уровня ПСС синтезатора частот (б), спектра сигналов ПЧ в 4-х каналах ППМ в диапазоне доплеровских частот,

измеренный вычислителем и штатным ПО многочастотного доплеровского радиолокатора (в)

_

......... ... ................... . х

Ik

б) в)

Рис. 10. Результаты измерения уровней ФШ (а) и ПСС (б) синтезатора частот, и диаграмма измеренных уровней ПСС в выходном спектре СЧ в диапазоне рабочих частот (в)

525 475- СЧ въ - 1 1 СЧ вкд } Ш-

42& 375 И кй I

35032* 275- 1 т ! ш п

22520» 175 158 ¥Щг1 [¡' Г П - \-n~k~ 1 —,—, ¡¡¡й ¡ЩЙ тщ 0 ■

12* 100 Кана иг! Какал 1. -С- -Канал 3 К» «л4

50 ! . «XI шкт 6 1— 400 1» 400 Гб 400

£«Гц

Рис. 11. Результат измерения спектра сигнала ПЧ в 4-х каналах ППМ многочастотного доплеровского радиолокатора, обработанный вычислителем и штатным ПО в диапазоне доплеровских частот. Светлый спектр - с выключенным СЧ, темный - с включенным

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, состоящие в следующем:

1. Проведен анализ методов определения параметров движения цели в многочастотном доплеровском радиолокаторе, а также исследование когерентности фазовых шумов в приемо-передающем тракте, заключающееся в определении зависимости между шумовыми характеристиками выходного сигнала гетеродина передатчика и колебания промежуточной частоты в приемнике. Данные исследования обеспечивают вычисление уровня спектральной плотности мощности фазовых шумов гетеродина (синтезатора частот) при заданных погрешностях измерения основных параметров цели, отношении сигнал-шум на выходе радиоприемника и прочих характеристиках системы.

2. Разработана компьютерная имитационная модель многочастотного доплеровского радиолокатора, позволяющая сформулировать требования к уровню спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного колебания гетеродина в радиоприемнике.

3. Проведен качественный сравнительный анализ путей построения синтезаторов частот для приемо-передающего модуля (ППМ) многочастотного до-

плеровского радиолокатора. Установлено, что наиболее полно комплексу требований к гетеродину ППМ удовлетворяет схема с импульсной фазовой автоподстройкой частоты (ИФАПЧ) и дробным делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемым дельта-сигма-модулятором (ДСМ), позволяющая обеспечить необходимый уровень фазовых шумов сигнала гетеродина, простоту и надежность СЧ (за счет применения интегральных микросхем), а также требуемый диапазон синтезируемых частот (100 МГц) и спектральную чистоту выходного колебания с уровнем побочных спектральных составляющих менее минус 90 дБн (за счет фильтрующих свойств системы ИФАПЧ и применения ДДПКД с ДСМ).

4. Проведено моделирование кольца ИФАПЧ, обеспечивающее требуемый уровень спектральной плотности мощности фазовых шумов (минус 90 дБн/Гц при отстройке 10 кГц).

5. Произведен инженерный расчет синтезатора частот и выбрана необходимая элементная база для реализации функциональных узлов. Проведен расчет спектральных характеристик проектируемого синтезатора частот, а также параметрический синтез элементов системы ИФАПЧ.

6. Разработан макет синтезатора частот и проведены экспериментальные исследования его спектральных характеристик. Синтезатор частот за счет использования ИФАПЧ и ДДПКД, управляемого ДСМ, по сравнению со штатным гетеродином обладает следующими преимущественными характеристиками: более широким диапазоном перестройки выходных частот (150 МГц вместо 25 МГц), меньшим шагом перестройки выходных частот (до 4 Гц вместо 3,3 МГц), меньшими массогабаритными параметрами за счет использования интегральных схем (предполагаемые габаритные размеры СЧ - 50x30x120, вместо 80x50x200). Синтезатор частот также обладает возможностью подстройки синтезируемой частоты цифровыми методами, характеризуется низкой себестоимостью, высокой степенью унификации (за счет того, что в СЧ диапазон выходных частот определяется применяемым перестраиваемым генератором, а

значения синтезируемых частот изменяются дистанционно цифровыми методами) и более простой процедурой настройки в производстве (в СЧ настройка осуществляется цифровыми методами, а в штатном гетеродине особое внимание уделяется настройке фильтров для подавления нежелательных гармоник). Применение СЧ позволяет уменьшить номенклатуру устройств в системе (достаточно использовать один СЧ вместо несколько штатных гетеродинов).

7. Результаты диссертационной работы использованы при разработке перспективного синтезатора частот по теме научно-исследовательской работы, проводимой в организации ОАО «НПО «ЛЭМЗ», и внедрены в изделия.

8. Разработанный синтезатор частот, помимо доплеровских радиолокаторов, можно применять в изделиях, в которых основными требованиями к гетеродинам радиоприемников являются малые габариты, низкое энергопотребление и малый уровень побочных спектральных составляющих.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Скоторенко И.В. Синтезаторы частот и их характеристики (монография) - Томск: Изд-во ТУСУРа, 2011. - 62 с. ISBN 978-5-86889-550-0.

2. Скоторенко И.В. Оценка фазовых шумов синтезатора частот на интегральной схеме HMC704LP4E // Доклады ТУ СУР, № 2 (24), часть 1, декабрь 2011, с. 97-101. - ISSN 1818-0442.

3. Скоторенко И.В. Метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в синтезаторах частот с ФАПЧ, имеющих дробный делитель частоты // Доклады ТУСУР, № 2 (24), часть 1, декабрь 2011, с. 102-105. - ISSN 1818-0442.

4. Скоторенко И.В. Влияние фазовых шумов синтезатора частот на качественные показатели доплеровских радиолокационных систем // Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Научная сессия ТУСУР - 2011". Томск 4-6 мая 2011г.: ТУСУР, 2011. Ч.1., с. 44-47.

5. Скоторенко И.В. Проблемы уменьшения массогабаритных характеристик синтезаторов частот // Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Научная сессия ТУСУР - 2011". Томск 4-6 мая 2011г.: ТУСУР, 2011. Ч.2., с. 296-300.

6. Отчет о научно-исследовательской работе "Перспективный синтезатор частот". ОАО "НПО" Лианозовский электромеханический завод", г. Москва, 2010 г. - 76 с.

7. Положительное решение от 22.02.2012 г. по заявке №2011124063/08(035521) (приоритета 14.06.2011) о выдаче патента РФ на изобретение, МПК8 : H03L7/06, H03L7/16. Синтезатор частот / И.В Скоторенко. -5 с.

8. Скоторенко И.В. Малогабаритный синтезатор частот с улучшенными характеристиками для приемо-передающих модулей. Вторая научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов по тематике «Инновационные подходы при создании военной техники». 30 сентября 2011 г. (Выдан диплом участника, сборник материалов - в процессе публикации).

9. Метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в синтезаторах частот с ФАПЧ, имеющих дробный делитель частоты. Статья в журнале «Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника» издательства СПбГЭТУ, рекомендованном ВАК. (Выдана справка о принятии к публикации, ориентировочная дата - апрель 2012 г.).

Список цитируемой литературы

1.Yipping Fan. Model, analyze and simulate SA fractional-N frequency synthesizers/ Yipping Fan // Microwaves & RF Journal. January, 1994 - P. 22-26.

2. Wael A. Al-Qaq New Behavioral Models Facilitate Fast and Accurate Simulation of Sigma-delta Fractional-N Synthesizers Using Ansoft Designer™ / Wael

A. Al-Qaq, Jian Hua Gu, William J. Martin, Jeffrey L. Cutcher // Microwaves & RF Journal, March, 2004 - P. 14-18.

3. Michael H. Perrott A Modeling Approach for 2 - A Fractional-N Frequency Synthesizers Allowing Straightforward Noise Analysis / Michael H. Perrott, Mitchell D. Trott, Charles G. Sodini // ШЕЕ Journal of solid-state Circuits, Vol.37, №8 August, 2002-P. 1028-1038.

4. Scott E. Meningert A Fractional-N Frequency Synthesizer Architecture Utilizing a Mismatch Compensated PFD/DAC Structure for Reduced Quantization-Induced Phase Noise / Scott E. Meninger, Michael H. Perrott // ШЕЕ Transactions on Circuits and Systems - II; Analog and Digital Signal Processing, Vol.50, № 11, November, 2003. - P. 839-849.

5. Thomas E. Stichelbout Ph. D. System simulation of a fractional PLL with MatLab / Thomas E. Stichelbout // Division of Digital Signal Processing, Alaborg University, 2000. - P. 122-128.

6. Datasheet HMC704LP4E 8 GHz 16-Bit Fractional N Synthesizer [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hittite.com/content/ /documents/data_sheet/hmc7041p4.pdf, свободный (дата обращения: 30.05.2011).

Тираж 100 экз. Заказ 310. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел.(3822) 533018.

61 12-5/3853

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.396 На правах рукописи

Скоторенко Илья Вячеславович

СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ ДЛЯ МНОГОЧАСТОТНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО РАДИОЛОКАТОРА

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шарыгин Герман Сергеевич

ТОМСК - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................7

ГЛАВА 1. Формулирование требований к синтезатору частот............................24

1.1 Многочастотный доплеровский радиолокатор.........................................24

1.2 Анализ методов определения параметров движения цели......................25

1.2.1 Доплеровский метод измерения радиальной скорости.............25

1.2.2 Фазовый метод измерения пеленга цели.....................................32

1.2.3 Многочастотный фазовый метод измерения дальности...........45

1.3 Исследование когерентности фазовых шумов в доплеровской PJIC.....46

1.4 Определение требований к фазовым шумам синтезатора частот...........56

1.5 Уточнение требований к синтезатору частот на основании компьютерного моделирования........................................................................59

1.6 Оценка результатов моделирования..........................................................63

Выводы................................................................................................................64

ГЛАВА 2. Обоснование выбора структурной схемы синтезатора частот. Математическое описание и анализ методов моделирования..............................65

2.1 Синтезаторы частот и их характеристики.................................................65

2.1.1 Основные виды синтеза..................................................................65

2.1.2 Фазовые шумы основных компонентов синтезатора частот......80

2.1.3 Побочные спектральные составляющие.......................................89

2.1.4 Методы подавления побочных спектральных составляющих.... 95

2.1.5 Широкополосность и скорость переключения.............................98

2.1.6 Кратковременная стабильность частоты.......................................98

2.1.7 Паразитные колебания..................................................................109

2.1.8 Проектирование синтезатора частот............................................111

2.2 Методы улучшения спектральных характеристик синтезируемого сигнала...............................................................................................................113

2.2.1 Синтезаторы частот с использованием линейной трансформации шага сетки частот........................................................117

2.2.2 Синтезаторы частот на основе делителя с дробным переменным коэффициентом деления..................................................118

2.2.3 Метод подавления ПСС в выходном сигнале системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ,

с использованием двух генераторов опорных частот.........................122

2.3 Математическое описание синтезатора частот.......................................127

2.4 Анализ методов компьютерного имитационного моделирования

синтезаторов частот с ИФАПЧ.......................................................................137

Выводы..............................................................................................................140

ГЛАВА 3. Макет синтезатора частот и его экспериментальная проверка........142

3.1 Формулирование требований к макету синтезатора частот..................142

3.2 Описание блоков структурной схемы синтезатора частот....................143

3.2.1 Блок опорного генератора..........................................................143

3.2.2 Блок импульсной фазовой автоподстройки частоты...............145

3.2.3 Блок усиления..............................................................................146

3.2.4 Блок стабилизаторов напряжений.............................................147

3.2.5 Блок управления..........................................................................147

3.3 Вычисления и моделирование..................................................................148

3.3.1 Вычисление уровня фазовых шумов на выходе блока импульсной фазовой автоподстройки частоты...................................148

3.3.2 Моделирование............................................................................155

3.4 Программирование синтезатора частот...................................................155

3.5 Конструктивное исполнение синтезатора частот...................................156

3.6 Экспериментальная проверка опытного образца СЧ.............................158

Выводы..............................................................................................................161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................163

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.....................................................................................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.....................................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.....................................................................................................181

ПРИЛОЖЕНА 4.....................................................................................................182

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.....................................................................................................184

ПРИЛОЖЕНИЕ 6.....................................................................................................191

ПРИЛОЖЕНИЕ 7.....................................................................................................192

ПРИЛОЖЕНИЕ 8.....................................................................................................196

ПРИЛОЖЕНИЕ 9.....................................................................................................197

ПРИЛОЖЕНИЕ 10...................................................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ 11...................................................................................................199

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

АМ Амплитудная модуляция

АГТИ Аналоговый преобразователь импульсов

АЦП Аналого-цифровой преобразователь

АЧХ Амплитудо-частотная характеристика

БОГ Блок опорного генератора

БОЧ Буферный усилитель сигнала опорной частоты

БПФ Быстрое преобразование Фурье

БСН Блок стабилизаторов напряжений

БУ Буферный усилитель

ГОЧ Генератор опорной частоты

ГТ Генератор тока

ГУН Генератор, управляемый напряжением

ДДПКД Делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления

ДПКД Делитель с переменным коэффициентом деления

ДСМ Дельта-сигма модулятор

ДФКД Делитель с фиксированным коэффициентом деления

ДЧ Делитель частоты

жиг Железо-итриевый гранат

имс Интегральная микросхема

ИФАПЧ Импульсная фазовая автоподстройка частоты

ИЧФД Импульсный частотно-фазовый детектор

КАМ Квадратурно-амплитудная модуляция

ких Конечная импульсная характеристика

Кл Электронный ключ

кш Коэффициент шума

мк Микроконтроллер

мм Математическая модель

МШУ Малошумящий усилитель

НС Накапливающий сумматор

НУ Нормальные условия

ог Опорный генератор

ОУ Операционный усилитель

ПАС Прямой аналоговый синтез

пг Перестраиваемый по частоте генератор

ПЗУ Постоянное запоминающее устройство

плис Программируемая логическая интегральная схема

1111М Приемо-передающий модуль

по Программное обеспечение

пп Печатная плата

ППФ Перестраиваемый пассивный фильтр

псс Побочные спектральные составляющие

ПФ Полосовой фильтр

пч Промежуточная частота

р Регистр

РЛС Радиолокационная станция

см Смеситель

спз Схема подкачки заряда

сч Синтезатор частот

Сч Двоичный счетчик

тг Тактовый генератор

то Техническое описание

ттх Тактико-технические характеристики

УДЧ Усилитель доплеровской частоты

УНИН Управляемый напряжением источник напряжения

УПЧ Усилитель промежуточной частоты

УУ Устройство управления

УЧ Умножитель частоты

ФАГТЧ Фазовая автоподстройка частоты

ФВ Фазовращатель

ФД Фазовый детектор

ФКС Формирователь кодового слова

ФМ Фазовая модуляция

ФНЧ Фильтр нижних частот

ФШ Фазовые шумы

ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь

ЦВС Цифровой вычислительный синтезатор

ЦФИ Цифровой формирователь импульсов

чм Частотная модуляция

ЭВМ Электронная вычислительная машина

эм Электромагнитный

ЭМИ Электромагнитное излучение

эмс Электромагнитная совместимость

о Элемент задержки на такт

Е Сумматор

/• л изл. Излучаемая передатчиком частота ЭМ колебания

/пч Промежуточная частота на выходе приемника

я Дальность до цели

а Азимут

Р Угол места

V Вектор скорости

Рш Шаг сетки выходных чачтот

Г, Частота дискретизации (семплирования)

д Частотная отстройка ПСС от синтезируемого колебания

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Многочастотные доплеровские радиолокаторы представляют собой многофункциональные радиолокационные станции (РЛС) миллиметрового диапазона для определения параметров движения цели (скорость, дальность, пеленг). Основными достоинствами системы являются: малая погрешность измерения параметров движения цели, малые габариты, малая мощность излучения, малое потребление тока, возможность обнаружения исключительно движущихся объектов. Тактико-технические характеристики (ТТХ) многочастотных доплеровских радиолокаторов зависят от самых разных факторов, в том числе от технических характеристик источников несущих колебаний -гетеродинов, применяемых в приемо-передающих модулях (ППМ) и предназначенных для преобразования частот сигнала в супергетеродинном радиоприёмнике.

В настоящее время в ППМ отечественных РЛС применяются гетеродины, конструктивно разработанные в 70-80 годах. Гетеродины имеют существенные недостатки: малый диапазон перестройки выходных частот (как следствие, большая номенклатура устройств в системе), высокая стоимость, большие габариты, что неприемлемо для использования в современной технике.

В современных РЛС в качестве гетеродинов в супергетеродинных радиоприёмниках используются цифровые синтезаторы частот (СЧ), имеющие ряд преимуществ: широкий диапазон перестройки выходных частот, возможность установки любой частоты с точностью до долей Герц, низкая себестоимость, малые массогабаритные показатели, малая потребляемая мощность, возможность подстройки выходной частоты цифровыми методами, простая процедура настройки в производстве.

Основные требования, предъявляемые к синтезаторам частот доплеровских радиолокаторов: простота реализации, малые габариты, малая потребляемая

мощность, низкий уровень побочных спектральных составляющих (менее минус 90 дБн).

С учетом вышесказанного, возникает необходимость создания малогабаритного синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания.

До недавнего времени для создания малогабаритных СЧ наиболее широко использовались цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС), основным преимуществом которых является возможность точного изменения выходной частоты и фазы по команде с ЭВМ или цифрового процессора. Однако ЦВС присущи существенные недостатки, такие как сравнительно невысокая частота выходного сигнала (до нескольких сотен МГц) и неприемлемый уровень побочных спектральных составляющих (ПСС). Кроме того, ЦВС обладают высоким энергопотреблением и требуют использования дополнительного тракта формирования сигнала тактовой частоты, значение которой как минимум в три раза превосходит максимальную синтезируемую частоту. Для уменьшения уровня ПСС используются сложные многокольцевые гибридные схемы [2, 3].

Присущие ЦВС принципиально неустранимые недостатки обусловливают актуальность применения в ППМ синтезаторов частот, построенных на основе методов косвенного синтеза, использующих систему импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) и имеющих более простую реализацию.

Одной из проблем создания синтезаторов частот на основе системы ИФАПЧ является ухудшение фазовых шумов (ФШ) синтезируемого колебания при уменьшении шага сетки выходных частот [4-7]. Однако, использование в СЧ на основе системы ИФАПЧ цифровых делителей частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД) [8, 9], управляемых дельта-сигма модулятором (ДСМ), позволяет получить выходное колебание с высокой спектральной чистотой и предельно малой дискретностью перестройки по частоте (с шагом сетки частот

до единиц и долей Гц) при высокой частоте дискретизации (до десятков МГц). Такой подход дает возможность существенно упростить техническую реализацию синтезаторов частот за счет использования серийных дешевых интегральных микросхем (ИМС) с малыми габаритами и энергопотреблением. С появлением первых подобных ИМС с ДСМ появилась возможность достичь в таких СЧ тех же показателей по точности и спектральной чистоте, как и в использующихся до сих пор весьма сложных гибридных структурах синтезаторов частот, сочетающих в себе методы прямого, косвенного и цифрового синтеза. Исследованию систем ИФАПЧ с ДДПКД и ДСМ был посвящен ряд работ, опубликованных в последние несколько лет и посвященных исследованию систем ИФАПЧ с делителем с дробно-переменным коэффициентом деления [6, 8 - 10] в сочетании с теорией и техникой дельта-сигма модуляции [11 - 27]. В этой области наибольший вклад внесли такие зарубежные ученые, как: Рылей Т., Коопеланд М., Квасневский Т., Бердс Д., Содини Ч., Перротт М. На сегодняшний день СЧ с ДСМ достаточно широко применяются в системах мобильной связи [18, 21, 22 - 24].

Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, отличающегося широким диапазоном перестройки выходных частот и высокой спектральной чистотой выходного колебания при сравнительно простой реализации.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка малогабаритного синтезатора частот для многочастотного доплеровского радиолокатора, обеспечивающего повышенную спектральную чистоту выходного колебания.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Анализ методов определения параметров движения цели в многочастотном доплеровском радиолокаторе с точки зрения влияния фазовых шумов синтезатора частот на качественные показатели системы.

2. Определение параметров синтезатора частот, исходя из требуемых характеристик многочастотного доплеровского радиолокатора.

3 '. Имитационное моделирование процесса формирования, передачи, распространения и приема сигнала в многочастотном доплеровском радиолокаторе с целью определения уточненных требований к синтезатору частот.

4. Формулирование требований к синтезатору частот на основе результатов имитационного моделирования с учетом технических параметров многочастотного доплеровского радиолокатора.

5. Сравнительный анализ методов синтеза частот с целью выявления пригодного для достижения цели диссертационной работы.

6. Математическое описание и имитационное моделирование системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.

7. Создание опытного образца синтезатора частот и проведение его испытаний в составе штатного оборудования многочастотного доплеровского радиолокатора, анализ и оценка результатов.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории непрерывных и импульсных систем автоматического регулирования, методы математического анализа радиотехнических цепей, методы имитационного моделирования, методы экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в обосновании возможности создания малогабаритного синтезатора частот с высокими спектральными характеристиками для многочастотного доплеровского радиолокатора на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ.. В частности:

1. Разработана компьютерная имитационная модель многочастотного доплеровского радиолокатора, позволяющая определять требования к допустимому уровню фазовых шумов гетеродина радиоприёмника.

2. Предложен новый метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в системе импульсной фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с дробным делителем частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемым дельта-сигма модулятором (ДСМ), с применением двух генераторов опорных частот (ГОЧ).

3. Разработан образец синтезатор частот на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, с применением двух генераторов опорных частот, и проведены его испытания.

Практическая значимость

1. На основе сравнительного анализа существующих методов синтеза частот и методов улучшения характеристик синтезаторов частот разработана структура синтезатора, позволяющая выполнить требования, предъявляемые к гетеродину радиоприёмника многочастотного доплеровского радиолокатора.

2. Создан опытный образец синтезатора частот на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД, управляемым ДСМ, и проведены его испытания в составе штатного оборудования многочастотного доплеровского радиолокатора.

3. Основные результаты диссертационной работы внедрены в изделия организации ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (акт внедрения от 23.12.2011 г.).

4. Часть результатов диссертационной работы отражена в монографии автора и внедрена в учебный процесс в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (акт внедрения от 14.12.2011 г.).

Апробация результатов работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «НАУЧНАЯ СЕССИЯ ТУСУР-2011» (выдан диплом первой степени за лучший доклад на секции, Приложение 8) и Второй научно-

технической конференции молодых ученых и специалистов по тематике «Инновационные подходы при создании военной техники», проводи