автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Синтезатор ЛЧМ сигналов с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты и сигма-дельта модулятором



Черкашин Александр Александрович

СИНТЕЗАТОР ЛЧМ СИГНАЛОВ С СИСТЕМОЙ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ И СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОМ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.1 7 мдг, 2012

Москва - 2012

005043390

Черкашин Александр Александрович

СИНТЕЗАТОР ЛЧМ СИГНАЛОВ С СИСТЕМОЙ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ И СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОМ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре радиопередающих устройств Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Удалов Николай Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рыжков Анатолий Васильевич

кандидат технических наук, доцент Русанов Владимир Эдуардович

Ведущая организация: открытое акционерное общество

"Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники"(ОАО "ВНИИРТ")

Защита состоится «13 июня» 2012 г. в 1500 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.01 при ФГОБУ ВПО МТУСИ по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-448

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО МТУСИ

Автореферат разослан мая 2012 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.01 кандидат технических наук, доцент

анюшкин Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложные широкополосные сигналы вот уже несколько десятилетий привлекают разработчиков специальных и коммерческих радиотехнических систем. Это объясняется лучшей помехозащищенностью систем; использующих'сигналы с распределенным спектром, снижением необходимой пиковой мощности передающих устройств для достижения тех же энергетических характеристик, меньшим уровнем помех другим системам и т.д.

В числе сложных сигналов широко применяются сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Исторически ЛЧМ сигналы (ЛЧМС) использовались в основном для специальных и военных задач. К настоящему времени с помощью ЛЧМ сигналов решается также широкий круг задач, связанных с потребительской и промышленной техникой. Среди областей применения систем с ЛЧМС: обнаружение и оценка параметров движения объектов, распознавание космических тел, радиовысотометрия, физические измерения, измерительная техника, системы передачи информации и др.

Разнообразие систем предопределяет различные требования к параметрам формируемых сигналов: начальной частоте /к, скорости частотной модуляции v, девиации IV, длительности Гдчм, базе £>=ИЛ-ГЛЧМ и периоду повторения Тп. Часто требуется формировать несколько сигналов или менять параметры модуляции в течение действия сигналов.

Во многих случаях потенциальные характеристики системы зависят от точности формирования используемых в них сигналов. Например, при фильтровой обработке ЛЧМС для получения уровня боковых лепестков -40 дБ и менее, гармонические составляющие фазовых и амплитудных ошибок не должны превышать 1.2 град и 2 % соответственно, независимо от базы формируемого сигнала.

Формирование ЛЧМ сигналов с девиацией, не превышающей сотен мегагерц с достаточно высоким качеством возможно в цифровых вычислительных синтезаторах (ЦВС). Однако развитие радиотехнических систем во многих случаях связано с использованием ЛЧМ сигналов с большими девиациями. Синтез таких сигналов возможен в синтезаторах

(формирователях) с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), и, в частности, в синтезаторах с делителем с дробно-переменным коэффициентом деления (ДЦПКД) в цепи обратной связи кольца автоподстройки, управляемого накапливающим сумматором (накопителем) кода. Недостатками такого типа формирователей является наличие специфических помех в выходном сигнале, называемых помехами дробности, а также зависимость фазовой ошибки выходного сигнала от линейности модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением (МХ ГУН). Введение в схему синтезатора дополнительных узлов для линеаризации модуляционной характеристики позволяет существенно уменьшить последнюю проблему. Помехи дробности возникают из-за периодичности работы накопителя. Борьба с ними может осуществляться тремя путями: аналоговой компенсацией; применением методов рандомизации с использованием сигма-дельта модуляторов (СДМ) и комбинированными методами.

Одним из наиболее перспективных формирователей ЛЧМС на сегодняшний день является синтезатор на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД и сигма-дельта модулятором. Принципиальная возможность формирования выходного сигнала с высокими показателями качества (динамические, спектральные характеристики, фазовая ошибка), позволяет использовать такие системы синтеза для формирования ЛЧМ сигналов с весьма большими базами. Кроме того, формирователи такого типа обладают высокой технологичностью. Немаловажным преимуществом указанных формирователей является их потенциально низкое энергопотребление. Эти обстоятельства делают синтезаторы с сигма-дельта модуляторами на основе системы импульсной ФАПЧ весьма привлекательными для формирования широкополосных ЛЧМ сигналов и для создания специализированных отечественных микросхем с возможностью формирования, как сетки частот, так и ЛЧМС.

Система ИФАПЧ представляет собой в общем случае нелинейное устройство, содержащее как непрерывную, так и импульсную части. Исследованию таких систем посвящено множество научных работ как отечественных, так и зарубежных авторов. В их числе: В.В. Шахгильдян,

A.A. Ляховкин, В.А. Левин, В.Н. Кулешов, A.B. Пестряков, Л.Н. Казаков, С.К. Романов и их ученики. Среди зарубежных авторов: Манассевич В , Гарднер Ф., Линдсей В.

Автор считает своим долгом выделить имя д.т.н., проф. Левина В.А., известного ученого в области синтеза частот, ныне покойного. Под его руководством начиналась эта работа.

Теория и техника использования сигма-дельта модуляции в синтезаторах частот и сигналов разрабатывалась на протяжении двух десятилетий. Причем, наиболее разработанными являются системы синтеза частот такого типа. В этой области выделяются работы: И В. Путилина, Н.М. Тихомирова, М.В. Иванкович, Т. Рылея, Т. Квасневского, М. Перротта, Ч. Содини, В. Ри, Б. Мюера, М. Стюарта и других.

Исследованию формирователей частотно-модулированных сигналов с помощью систем ИФАПЧ с ДДПКД посвящены работы: В.Н. Кочёмасова, Л.А. Белова, А.Д. Ревуна, А.Н. Жарова. Однако в этих работах рассматриваются только формирователи с аналоговой компенсацией помех дробности. Работа И.И. Колесникова посвящена формированию сигнала для 4M — радиовещания. Труды зарубежных авторов: Т. Мюша, М. Пишлера и др. затрагивают только аспекты практической реализации формирователей ЛЧМС на основе ДДПКД и СДМ.

С недавнего времени выпускаются специализированные зарубежные микросхемы для построения формирователей ЛЧМ сигнала с системой ИФАПЧ и СДМ. Однако специфические вопросы формирования ЛЧМ сигналов в синтезаторе на основе кольца ИФАПЧ и ДДПКД под управлением СДМ ранее исследованы не были. Такие исследования необходимы для понимания физических процессов, происходящих в формирователях и определения параметров кольца автоподстройки при проектировании синтезаторов. Кроме того, актуальной является задача разработки отечественных ИМС синтезаторов с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты с возможностью формирования ЛЧМ сигнала. С этой точки зрения также важен теоретический анализ таких формирователей.

В соответствии с изложенными выше обстоятельствами, сформулируем основную цель и задачи диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является

исследование динамических и спектральных характеристик формирователя

ЛЧМ сигналов на основе синтезатора с ИФАПЧ и сигма-дельта модулятором. В соответствии с поставленной целью требуется решение следующих

основных задач:

• создание математической динамической модели формирователя ЛЧМ сигнала, определение его динамических свойств в режиме подготовки к модуляции и непосредственно при действии модуляции;

• построение математической модели для определения фазовых ошибок выходного сигнала формирователя ЛЧМС с различными типами С ДМ и при неидеальной реализации аналоговой части ИЧФД, выбор наилучшего типа С ДМ для построения схемы формирователя. Анализ влияния параметров кольца автоподстройки и ЛЧМ сигнала, а также нелинейности модуляционной характеристики ГУН на фазовые ошибки выходного сигнала формирователя с учетом дальнейшей обработки ЛЧМС;

• создание имитационной компьютерной модели формирователя ЛЧМ сигналов, обеспечивающей оценку динамических и спектральных характеристик формирователя с учетом последующей обработки ЛЧМС;

• выработка методики проектирования синтезаторов ЛЧМС на основе кольца импульсной ФАПЧ с СДМ, разработка программного обеспечения для такой методики;

• разработка структурной схемы варианта СБИС синтезатора частот и ЛЧМ сигналов с СДМ;

• проведение испытаний отечественной ИМС 1508ПЛ9Т как прототипа будущим отечественным интегральным микросхемам с возможностью формирования ЛЧМС;

• создание макета и экспериментальное исследование синтезатора ЛЧМ сигналов на основе зарубежной микросхемы НМС701ЬР6СЕ с целью определения потенциальных возможностей таких синтезаторов.

Методы исследования. В диссертационной работе используются: теория непрерывных и дискретных систем автоматического регулирования; теория линейных дифференциальных уравнений и методы их численного решения на ЭВМ; методы статистической радиотехники; методы компьютерного имитационного моделирования с использованием моделей узлов системы; методы экспериментальных исследований.

Научная новизна. В работе получен ряд результатов, имеющих научную новизну:

разработаны математические модели для определения динамических характеристик в режиме установления начальной частоты с учетом влияния задержек в ИЧФД и в переходном режиме по фазе в общем случае и для минимальной длительности установления фазы;

построена математическая модель для определения динамических характеристик в режиме формирования ЛЧМ сигнала;

показано, что для оценки спектральных характеристик формирователя ЛЧМС можно использовать модель синтезатора частоты на основе ИФАПЧ с СДМ;

проведена сравнительная оценка двух типов СДМ с целью выяснения наилучшего для применения при реализации формирователя ЛЧМ сигнала;

показана зависимость спектральных характеристик и результатов обработки ЛЧМ сигнала (сжатие спектра и корреляционная обработка) от используемых в формирователе структур СДМ, неравенства токов подкачки заряда ИЧФД, а также нелинейности модуляционной характеристики ГУН.

Практическая ценность работы состоит в следующем: создана имитационная компьютерная модель синтезатора ЛЧМ сигнала на основе системы импульсной ФАПЧ с сигма-дельта модулятором, позволяющая оценивать показатели качества сформированного ЛЧМ сигнала с использованием обработки с помощью сжатия спектра и корреляционной обработки;

разработана компьютерная программа для расчета фазовых ошибок выходного сигнала и оценки устойчивости системы автоподстройки в

зависимости от параметров кольца и ЛЧМ сигнала, нелинейности модуляционной характеристики ГУН, а также типа С ДМ;

разработана методика проектирования формирователя JI4MC на основе кольца ИФАПЧ с СДМ;

разработана структурная схема варианта СБИС синтезатора частот и ЛЧМ сигналов с СДМ;

построена отладочная плата для СБИС синтезатора частот с ИФАПЧ 1508ПЛ9Т и проведено измерение характеристик этой микросхемы;

создан и экспериментально исследован макет синтезатора частот и ЛЧМ сигналов на микросхеме HMC701LP6CE.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

• научный семинар, проводимый ШЕЕ совместно с РНТОРЭС им. A.C. Попова и МТУ СИ "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях. Синхроинфо" в 2010-2011 годах;

• XVII научно-технический семинар по СВЧ технике (Нижегородская обл., п. Хахалы), 2011г;

• научно-технические конференции профессорско - преподавательского состава МТУСИ в 2005,2007 годах.

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журнале "Электросвязь", входящем в перечень ВАК РФ, 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах и 2 статьи в рецензируемых журналах.

Получено 3 акта о внедрении результатов работы.

Объем и структура работы. Материалы диссертационной работы изложены на 180 страницах машинописного текста, иллюстрированного 85 рисунками. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 117 наименований и 5 приложений на 17 стр.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Увеличение задержки распространения в триггерах ИЧФД, а также в их цепи сброса, либо уменьшение периода сигнала опорного генератора, приводит к затягиванию переходного процесса по частоте.

2. Значение установившейся фазовой ошибки в режиме формирования ЛЧМС определяется скоростью ЛЧМ сигнала и параметрами кольца ИФАПЧ.

3. Уровень фазовых флуктуаций в низкочастотной области СПМ шума сигма-дельта модулятора, а также уровень боковых лепестков сжатого ЛЧМ сигнала, при неравенстве значений токов подкачки ИЧФД, тем больше, чем выше уровень шума квантования в области частот /г/2, где fi - частота тактирования С ДМ.

4. Уменьшение фазовых ошибок выходного сигнала синтезатора ЛЧМС в результате процесса установления фазы в режиме формирования ЛЧМ сигнала и нелинейности модуляционной характеристики ГУН достигается увеличением полосы пропускания кольца автоподстройки. В то же время, для уменьшения фазовых флуктуаций выходного сигнала за счет фазового шума требуется уменьшать полосу пропускания кольца. Оптимальное значение полосы пропускания нужно подбирать при проектировании формирователя ЛЧМ сигнала.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены области использования ЛЧМ сигналов, раскрыта актуальность темы диссертации, определены цели исследования. Отмечаются полученные новые научные результаты, их практическая значимость. Приведены положения, выносимые на защиту и сведения о публикациях и апробации работы. Кратко изложено содержание глав диссертационной работы.

В первой главе приведены критерии оценки качества формирования ЛЧМ сигнала. В качестве такого критерия наиболее часто выступает фазовая ошибка, а также интегральное значение этого параметра за время действия модуляции - среднеквадратическая фазовая ошибка. Дается аналитический обзор способов формирования ЛЧМ сигналов, из которого следует, что

Рис.1. Структурная схема синтезатора ЛЧМ сигналов с СДМ

наиболее удобным способом формирования ЛЧМС с большими девиациями и базами является использование синтезатора с системой ИФАПЧ и ДДПКД. Показано, что использование одиночного накопителя кода для управления ДДПКД возможно

только с использованием методов компенсации или перераспределения по спектру помех дробности. Аналоговые и комбинированные методы компенсации требуют применения прецизионных схем компенсации - ЦАП, линий задержек, фазовращателей. В то же время, применение СДМ для управления ДДПКД позволяет обеспечить хорошую технологичность устройства при достаточно высоких потенциальных показателях качества формируемого сигнала. Структурная схема такого синтезатора ЛЧМ сигналов представлена на рис.1, где УУ - устройство управления. Эта схема отличается от схемы синтезатора частот с СДМ наличием накопителя кода НК и модулятора М. Накопитель кода вырабатывает линейно-нарастающий код на входе СДМ ЛГлчм, который вычисляется на основе кодов начальной частоты Kjo и скорости Ку. Модулятор формирует напряжение на управляющем входе ГУН под воздействием напряжения i/лчм, задающего требуемый закон формирования ЛЧМС. При этом система ИФАПЧ отрабатывает отклонения от этого закона, связанные с различными дестабилизирующими факторами. Формирование ЛЧМ сигнала возможно и при отсутствии в схеме модулятора. В этом случае закон изменения частоты на выходе синтезатора задается только кодом на входе СДМ.

Сформулированы принципы работы сигма-дельта модуляторов и показано, что использование СДМ в синтезаторах преобразует помехи дробности в шум квантования. Причем распределение спектральной плотности мощности (СПМ) шума квантования таково, что большая ее часть лежит в области высоких частот, где возможно осуществить фильтрацию за счет динамических свойств кольца автоподстройки. Для дальнейшего исследования выбрано два типа СДМ: MASH второго-четвертого порядков и

однокольцевой СДМ 3-го порядка с обратной связью MBSL-П (рис.2), поскольку они имеют различный закон распределения шумов квантования по спектру. Приводится сравнение характеристик этих сигма-дельта модуляторов. В частности, СПМ шума квантования СДМ типа MBSL-П имеет меньший уровень в области частот fi/2, где /г - частота тактирования СДМ, и несколько больший в полосе частот до 0.23/г по сравнению с СДМ MASH 3-го порядка. Обычно /т = for, где for - частота колебаний опорного генератора (частота сравнения на ИЧФД).

Рис.2. Структурная схема однокольцевого СДМ МВвЬ-П третьего порядка

Цикл формирования ЛЧМ сигнала состоит из периода подготовки к

модуляции и периода действия модуляции. Во время подготовки к

модуляции или после включения питания должна установиться начальная

частота ЛЧМ сигнала для следующего периода 7лчм, т.е. пройти переходные

процессы по частоте и фазе. При этом формирователь ЛЧМС работает как

синтезатор частот. Таким образом, задача комплексного исследования

формирователя ЛЧМ сигналов подразумевает определение динамических, а

также спектральных и шумовых характеристик, как в режиме подготовки к

модуляции, так и непосредственно в режиме формирования ЛЧМС.

Вторая глава посвящена исследованию

динамических характеристик формирователя ЛЧМС. Для

анализа импульсная система автоматического

регулирования сводится к непрерывной. Это справедливо

Рис.з. Схема ФПЧ с учетом того, что на практике всегда выполняется 2-го порядка

условие: /ог»/«™, где /офпч - полоса пропускания (частота среза) петлевого ФНЧ. Анализ производится для случая использования в схеме ФНЧ второго порядка (рис.3) и без использования в схеме модулятора.

В режиме установки начальной частоты выделяется две стадии -переходный процесс по частоте и процесс установления фазы. При

нахождении решения дифференциального уравнения, описывающего динамику системы в режиме переходного процесса по частоте учтен факт того, что значение постоянной составляющей среднего за период частоты сравнения тока ИЧФД уменьшается с увеличением задержек распрбстранения сигналов в триггерах, а также в цепи их сброса и уменьшением периода частоты сравнения из-за искажения статической характеристики ИЧФД. Таким образом, нормированная оценка сверху длительности переходного процесса по частоте записывается в следующем виде:

где Г/ = гПс, где Г - абсолютное время, =(®гуно/^-«огНенормированная начальная расстройка по частоте, значение частоты ГУН в момент переключения значения коэффициента деления ДДПКД Ы;

= ^ГпЩ), где 5 - крутизна МХ ГУН, I - значение тока подкачки ИЧФД;

г3 - задержка в цепи сброса триггеров ИЧФД, Т0г - период колебания опорного генератора; Т0 = ЯСПс, ^С+С^/С! - коэффициент включения интегрирующей емкости ФНЧ.

Получены выражения для нахождения длительности переходного процесса по фазе в режиме стабилизации начальной частоты. Динамика синтезатора в этом режиме описывается линейным дифференциальным уравнением третьего порядка:

справедливым на интервале линейного участка статической характеристики ИЧФД. Характер переходного процесса определяется кривой нулевого дискриминанта характеристического уравнения, соответствующего (2). В границах нулевого дискриминанта корни уравнения будут вещественными, что предполагает апериодический характер установления фазы. Известно, что наибольшее быстродействие система имеет в случае равенства корней

(1)

ТороФ + ^02Ф + ТоРоФ + Ф = 0.

(2)

(2). При этом g=9, 7о=5.2. Полагая остаточную фазу Фост фиксированной величиной, зависимость времени установки фазы от начального ее значения <ф(Ф0) в неявной форме имеет вид:

- (О

1 + ^ + Ж. (3)

>/з

Вне границ нулевого дискриминанта корнями характеристического уравнения будет пара комплексно-сопряженных корней и один

отрицательный действительный корень ръ. Переходный процесс в этом случае имеет колебательный характер. В неявном виде его длительность находится из выражения:

ф=_ФтР(а1+0г+рг2-2ар%)_

0 /?(/>,2 - 2а/;, - \у"" )+(л(а2-01-ар, -1)+яп(Д.) + 0(аг + /?2 + 1)е (4)

«

Для нахождения длительности переходного процесса по фазе в режиме формирования ЛЧМ сигнала, получено дифференциальное уравнение следующего вида:

8{ ®ог

Я [ 2 т.

®огЛ 8

П. Тл

V

<»ог 8

р0Ф + -Ф = У0> (5) 8

где = - нормированная скорость изменения

частоты ЛЧМ, N0 - начальное значение коэффициента деления в момент начала модуляции, V [Гц/с] - скорость ЛЧМ. »

Значение разности фаз на входе ИЧФД в установившемся режиме:

_ 2яу(С+С,) (6)

Максимальная скорость ЛЧМ сигнала, допустимая для данных параметров ФНЧ, определяется границей срыва синхронизации, М1-/Тог) ■ Из (6) получаем:

</•> .У/

у =-пто, -

2л-(С ( С) У

На рис.4,а представлены графики переходного процесса по фазе при различных значениях Ос, рассчитанные по (5) для следующих параметров:

_/н=1.8Т09 Гц, У=1-20п Гц/с, /ог=2-Ю7 Гц, Л'-З-Ю7 Гц®, /=2.510"3 А, Щ=90. Рис.4,б представляет переходный процесс по фазе при различных соотношениях Ц./й'ог.

о

10 1 5 X 25 30 35 40 45

-= 1е5

......= 2.04е5

---00 - 555

N

Рис.4. Переходный процесс по фазе в режиме формирования ЛЧМ сигнала при различных значениях П. (а) и при различных соотношениях С1/0ог (б)

На практике все ГУН имеют нелинейную модуляционную характеристику. Получены выражения для оценки фазовых ошибок выходного сигнала формирователя за счет указанной нелинейности.

Построена компьютерная модель синтезатора в программе Срр8ш1 с последующей обработкой данных в пакете МАТЬАВ, позволяющая оценивать как динамические, так и спектральные характеристики формирователя ЛЧМС, в том числе с обработкой выходного сигнала. Результаты, полученные в модели, подтверждают приведенные соотношения. Рис.5 иллюстрирует результаты моделирования в режиме формирования ЛЧМ. На рис.5,а приведены диаграммы для случая ГУН с линейной модуляционной характеристикой: изменение частоты идеально сформированного ЛЧМ сигнала и сигнала на выходе ГУН относительно несущей (1), значения идеальной фазы и фазы на выходе ГУН (2). В принятом масштабе они практически совпадают, разность между сигналами (1)-частотная ошибка и (2)-фазовая ошибка формирования сигнала, приведена на графиках (4) и (5) соответственно. На них виден процесс установления частоты и установившаяся фазовая ошибка. Выходное напряжение ФНЧ представляется графиком (3). Рис.5,б представляет

осциллограммы этих сигналов при использовании модели реального ГУН: напряжение на выходе ФНЧ (2) и на выходе модулятора (3). Остальные зависимости рис.5,б идентичны рис.5,а. В этом случае фазовая ошибка обратно пропорциональна крутизне модуляционной характеристики ГУН.

а) б)

Рис.5. Диаграммы работы синтезатора ЛЧМ сигнала без модулятора и с идеальным ГУН (в) с модулятором и реальным ГУН (б)

В третьей главе приводятся два способа обработки ЛЧМ сигналов: с помощью сжатия спектра и корреляционный способ. Показано, что в современных цифровых устройствах обработки сжатие спектра производится посредством аппарата быстрого преобразования Фурье без использования аналоговых фильтров сжатия. Для уменьшения уровня боковых лепестков сжатого сигнала используются различные весовые функции. Наиболее часто применяются функции Хэмминга.

Разработана обобщенная модель синтезатора ЛЧМС в режиме действия модуляции, учитывающая фазовые ошибки выходного сигнала. В ней выделяются две составляющие фазовой ошибки: регулярная составляющая, основной составляющей которой является нелинейность МХ ГУН и переходные процессы в начале периода модуляции, а также случайная составляющая за счет фазовых шумов элементов кольца автоподстройки и шума квантования СДМ.

Приведены модели СПМ шума ИЧФД, ГУН и СДМ. Получено выражение для СПМ шума СДМ типа МВБЬ:

V гл_(2яг) _V VЛ у;_ /ол

12Л

1-ЛсОБ

V А ) ч /т

V /т У I, /т

т

Для СДМ типа МВБЬ-П: А=1,5=0.5

В отличие от синтезаторов частот, случайный процесс, определяющий фазовые флуктуации выходного сигнала формирователя ЛЧМС, является нестационарным вследствие изменения коэффициента деления ДДПКД во время модуляции и соответствующего изменения передаточных функций фазовых флуктуаций узлов формирователя. Показано, что оценка результирующих фазовых флуктуаций формирователя ЛЧМ сигнала может быть проведена на основе известной модели фазового шума СЧ с СДМ. Это подтверждается компьютерной моделью. Для стабилизации коэффициента передачи в кольце автоподстройки возможно использование дополнительного управляемого усилителя в цепи управляющего входа ГУН, однако во многих применениях это не является обязательным.

Моделирование показывает, что СДМ 1-го порядка (одиночный накопитель кода) непригоден для использования в схеме формирователя ЛЧМС из-за высокого уровня фазовых ошибок выходного сигнала и чрезмерного уровня СПМ фазового шума в полосе пропускания кольца автоподстройки. Кроме того установлено, что при разрядности накопителей в составе СДМ т> 16, практически не наблюдается влияния числа разрядов на фазовую ошибку формируемого сигнала.

Показано, что неидентичность выходных значений источников зарядного и разрядного токов аналоговой части ИЧФД вследствие разброса технологических параметров приводит к увеличению составляющей СПМ шума СДМ в низкочастотной области. Уровень СПМ в этой области определяется выражением.

^«Ог-гА (9)

-'ог

где е - относительная разность токов заряда и разряда в ИЧФД, значение /л находится из табл. 1.

тип СДМ MASH 1-1 MASH 1-1-1 MASH 1-1-1-1 MBSL-П

М 1/6 1/2 5/3 1/5

Тогда общее выражение для СПМ шума квантования СДМ имеет вид:

^сдм (/) = (^сдм (/) + (10)

где ЗсдаЮ - СПМ шума СДМ.

На рис.6 показаны зависимости среднеквадратической фазовой ошибки на выходе формирователя ЛЧМС от отношения полосы пропускания кольца автоподстройки к частоте опорного генератора для случаев равенства и различия значений источников токов подкачки заряда в ИЧФД, полученные с помощью компьютерной модели формирователя ЛЧМС. Как видно из этих графиков, в случае ИЧФД с равными токами, наименьшее значение фазовой ошибки наблюдается при использовании СДМ типа MASH третьего порядка. В реальных ИЧФД имеет место неидентичность значений токов заряда и разряда. В этом случае фазовая ошибка будет больше у синтезатора, СДМ которого имеет больший уровень шумов в полосе, близкой к fj / 2 за счет переноса шумов в полосу пропускания кольца автоподстройки. Исходя из этого, СДМ типа MASH 4-го порядка и выше нецелесообразно использовать в синтезаторах, имеющих большую разницу значений токов генераторов подкачки заряда. В то же время, для использования в синтезаторах могут

") б) Рис.6. Зависимости среднеквадратической фазовой ошибки выходного сигнала синтезатора для случаев равенства значений источников токов заряда н разряда ИЧФД (а) и при разности этих токов в 10% (б)

быть рекомендованы СДМ типа MBSL-II и MASH 3-го порядка. Компьютерное моделирование синтезатора ЛЧМС подтверждает полученные в этой главе соотношения.

На рис.7 приведены результаты моделирования фильтра сжатия сформированного ЛЧМ сигнала с весовой обработкой по Хэммингу при разности токов ИЧФД 10%. Как следует из этих графиков, СДМ типа MASH 3-го порядка имеет больший уровень шума вблизи главного лепестка по сравнению с СДМ MBSL-П.

Рис.7. Графики сигнала на выходе алгоритма сжатия спектра ЛЧМ сигнала при использовании в формирователе ИЧФД с разностью токов подкачки заряда 10%, СДМ типа MASH 3-го порядка (а) и MBSL-П (6)

Представлены искажения сигнала на выходе алгоритма корреляционной обработки вследствие влияния процесса установления фазы в режиме формирования ЛЧМС и нелинейности MX ГУН. Показано, что уменьшение влияния указанных факторов может быть получено увеличением полосы пропускания кольца импульсной ФАПЧ. Однако для уменьшения фазовых флуктуаций выходного сигнала требуется уменьшать полосу пропускания ФНЧ. Оптимальное значение полосы пропускания нужно подбирать в каждом конкретном случае при проектировании формирователя ЛЧМ сигнала.

В четвертой главе рассматриваются вопросы практической реализации формирователей ЛЧМС с ИФАПЧ и СДМ. Представлена методика проектирования таких формирователей ЛЧМС.

Описывается программа, разработанная на основе выражений, полученных в предыдущих главах. Она позволяет: производить

аппроксимацию модуляционной характеристики ГУН полиномом 4-го порядка и вычислять соответствующую ей крутизну; на основе параметров системы и JI4M сигнала рассчитывать управляющее напряжение ГУН в процессе модуляции, регулярную и случайную составляющие среднеквадратической фазовой ошибки выходного сигнала формирователя ЛЧМС, а также ее результирующее значение с учетом неидентичности значений источников токов подкачки ИЧФД.

Рассмотрен разработанный макет синтезатора JI4M сигнала с ИФАПЧ и С ДМ на основе микросхемы HMC701LP6C с серийно выпускаемым ГУН, обеспечивающим формирование ЛЧМС с девиацией частоты W=500 МГц. Исследованы динамические и спектральные характеристики этого макета. Рис.8 представляет осциллограмму напряжения на выходе ФНЧ макета при использовании модулятора для случая v=11012 Гц/с. На рис.9 приведены результаты моделирования на ПЭВМ формирователя ЛЧМ сигнала с такими Тек , JL И wq М _Род: 2М,0к

ш?

Рис.8. Сигнал на выходе ФНЧ формирователя ЛЧМС на основе СБИС HMC701LP6C

Рис.9. Графики сигналов модели формирователя ЛЧМС: на выходе ФНЧ (о), фазовая ошибка выходного сигнала (б)

же параметрами. Сравнение рис.8 и рис.9,а позволяет сделать вывод о достаточно близком сходстве этих графиков. Некоторое несоответствие можно объяснить неидеальностью тракта передачи СВЧ сигнала в макете. Расчет фазовой ошибки с помощью разработанной программы подтверждает зависимость, представленную на рис.9,б. Использование программы расчета фазовой ошибки позволяет существенно облегчить ее оценку, поскольку нахождение фазовой ошибки непосредственно по выходному сигналу

формирователя на практике, зачастую, сопряжено со значительными трудностями.

Приведены результаты исследования фазового шума синтезатора частот, выполненного на основе тестового кристалла отечественной микросхемы 1508ПЛ9Т второго выпуска, которую можно считать прототипом для создания на ее основе синтезатора ЛЧМ сигналов. Предложена структурная схема формирователя ЛЧМС в интегральном исполнении.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Приведен аналитический обзор характеристик существующих в настоящее время методов построения синтезаторов ЛЧМ сигналов.

2. Получены выражения для определения времени переходного процесса по частоте и фазе в режиме установки начальной частоты, расчета времени установления фазы в режиме формирования ЛЧМ сигнала, определения максимальной скорости ЛЧМ сигнала и установившейся в системе фазовой ошибки при заданных параметрах системы и ЛЧМ сигнала, в том числе для реальных ГУН с нелинейной модуляционной характеристикой и ИЧФД с задержкой в цепи сброса триггеров.

3. Построена компьютерная модель для оценки динамических и спектральных характеристик выходного сигнала синтезатора ЛЧМС как с обработкой, так и без нее.

4. Построена обобщенная модель формирователя ЛЧМС с импульсной ФАПЧ и С ДМ, учитывающая регулярные фазовые ошибки и фазовые флуктуации выходного сигнала.

5. Показано, что при анализе синтезатора ЛЧМС можно пользоваться математической моделью фазовых шумов синтезатора частот.

6. Приведены результаты обработки выходного сигнала формирователя ЛЧМ сигнала методом сжатия спектра и корреляционным методом для различных типов С ДМ при равенстве и различии значений токов источников в аналоговой части ИЧФД, а также при действии нелинейности МХ ГУН.

7. Разработана программа для оценки регулярной и флуктуационной составляющих фазовой ошибки выходного сигнала формирователя ЛЧМ сигналов, а также ее результирующего значения с учетом нелинейности модуляционной характеристики ГУН и неравенства значений источников тока ИЧФД.

8. Разработана методика проектирования формирователя JI4MC на основе системы ИФАПЧ с СДМ.

9. Построены отладочные платы для формирователя JI4MC на основе микросхемы HMC701LP6C и синтезатора частот на микросхеме 1508ПЛ9Т. Проведено измерение характеристик этих устройств.

В приложении представлены: листинги моделей узлов компьютерной модели формирователя JI4MC в среде CppSim, программа обработки ЛЧМ сигнала и основная функция программы расчета фазовой ошибки выходного сигнала в пакете MATLAB, а также документы о внедрении результатов работы.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Левин В.А., Черкашпн A.A. Методы построения синтезаторов частот в СВЧ диапазоне. // Электросвязь. - 2004. - № 2. - с. 45-49.

2. Левин В.А., Черкашнн A.A. Применение программируемых логических схем в цифровых синтезаторах частот // Электросвязь. -2005. - № 6. - с. 57.

3. Черкашин A.A., Удалов H.H. Динамические и спектральные характеристики сигма-дельта синтезаторов сигналов с линейной частотной модуляцией // Электросвязь. - 2012. - № 5. - с. 35-38.

4. Гусев В .В., Черных A.B., Дубинский A.B., Голубков В.Г., Голубков A.B., Черкашин A.A., Акатов Ю.А., Жабин A.C., Кулешов В.Н. Отечественная микросхема фазовой автоподстройки частоты 1508ПЛ9Т. // В сб. "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях. Сборник докладов всероссийского научно-технического семинара".- Нижний Новгород,- 2010,- с. 104-106.

5. Удалов H.H., Черкашин A.A., Динамика синтезатора ЛЧМ сигналов с ИФАПЧ и сигма-дельта модулятором. // В сб. "Системы синхронизации,

формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях. Сборник докладов международного научно-технического семинара".- Одесса,-2011- с. 69-7 Г

6. Черкашин A.A. Моделирование динамических процессов в синтезаторе J14M сигналов с ИФАПЧ и сигма-дельта модулятором И В сб. "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях. Сборник докладов международного научно-технического семинара".- Одесса,- 2011.- с. 96-98.

7. Кочемасов В.Н., Голубков В.Г., Голубков A.B., Шершаков С.А., Черкашин A.A. Формирование линейно-частотно модулированных сигналов с использованием генератора Г4-РК2/150. // В сб. "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях. Сборник докладов международного научно-технического семинара".- Одесса.- 2011.- с. 105-107.

8. Черкашин A.A. Динамика синтезатора ЛЧМ сигналов с сигма-дельта модулятором. // В сб. "Материалы XVII координационного научно-технического семинара по СВЧ технике". - Нижегородская обл., п. Хахалы,- 2011,- с. 170-172.

9. Левин В.А, Черкашин A.A. Моделирование синтезатора частот с ДДПКД и сигма-дельта модулятором. // Труды МТУ СИ. Сб. статей. М., 2005.

10. Новиков Л.Н., Закружной A.B., Черкашин A.A. Цифровые вычислительные синтезаторы: этапы развития. // "Технологии информационного общества. Тезисы докладов Московской отраслевой научно-технической конференции". М.,МТУСИ, 2007.- с. 64.

11. Кочемасов В.Н., Голубков В.Г., Новиков Л.Н., Черкашин A.A. Синтезатор ЛЧМ сигналов с оперативным изменением параметров модуляции // Электроника НТБ. - 2004,- № 7,- с. 32-34.

12. Черкашин A.A., Удалов H.H. Динамика синтезатора ЛЧМ сигналов с ИФАПЧ и сигма-дельта модулятором // Радиотехнические тетради. -2011. -№44. -с. 54-59.

Черкашин Александр Александрович

«СИНТЕЗАТОР ЛЧМ СИГНАЛОВ С СИСТЕМОЙ ИМУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ И СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОМ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 02.05.2012. Формат 60x84/16. Печать офсетная Печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 123.

Оперативная полиграфия «Брис - М» 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 8

61 12-5/3912

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И

ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

Черкашин Александр Александрович

СИНТЕЗАТОР ЛЧМ СИГНАЛОВ С СИСТЕМОЙ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ И СИГМА-ДЕЛЬТА

МОДУЛЯТОРОМ

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Удалов Н.Н.

Москва, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИНТЕЗАТОРОВ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО МОДУЛИРОВАННЫХ (ЛЧМ) СИГНАЛОВ.....................................................18

1.1. ЛЧМ сигнал и основные критерии оценки качества

его формирования..............................................................................................18

1.2. Общие сведения о формировании ЛЧМ сигналов...................................20

1.3. Цифровые вычислительные синтезаторы ЛЧМС....................................22

1.4. Комбинированные вычислительные синтезаторы ЛЧМ сигналов........27

1.4.1. Синтезаторы на основе ЦВС и кольца ФАПЧ......................................27

1.4.2. Синтезаторы ЛЧМС с ДДПКД и аналоговой компенсацией помех дробности............................................................................................................29

1.4.3. Синтезаторы частот и сигналов с ДДПКД и сигма-дельта модулятором.......................................................................................................36

1.4.3.1. Краткие теоретические сведения о сигма-дельта модуляторах....36

1.4.3.2. Компенсация помех дробности с помощью сигма-дельта модулятора.......................................................................................................40

1.4.3.3. Синтезатор ЛЧМС с ДДПКД и СДМ................................... 47

1.5. Выводы............................................................................................................49

2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНТЕЗАТОРА ЛЧМ СИГНАЛОВ С ИФАПЧ И СИГМА-ДЕЛЬТА МОДУЛЯТОРОМ...................51

2.1. Особенности работы импульсного частотно-фазового детектора............51

2.2. Режим установки начальной частоты ЛЧМС..............................................55

2.2.1. Переходный процесс по частоте.............................................................55

2.2.2. Переходный процесс по фазе..................................................................59

2.3. Режим формирования ЛЧМ сигнала.............................................................63

2.4. Моделирование динамических характеристик синтезатора ЛЧМС.........70

2.5. Выводы............................................................................................................79

2

3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА СИГМА-ДЕЛЬТА ФОРМИРОВАТЕЛЯ ЛЧМС.................................................81

3.1. Способы обработки сигналов с линейной частотной модуляцией...........81

3.2. Математическая модель фазовых ошибок синтезатора ЛЧМ сигнала.....85

3.3. Компьютерное моделирование спектральных характеристик синтезатора ЛЧМС и оценка его показателей качества....................................94

3.4. Влияние различия зарядного и разрядного токов подкачки заряда в аналоговой части ИЧФД на показатели качества выходного сигнала ЛЧМС....................................................................................................................103

3.4.1. Расчет СИМ фазовых флуктуаций на выходе синтезатора при различии токов на выходе АЧ ИЧФД............................................................103

3.4.2. Влияние различия токов на выходе АЧ ИЧФД и типа СДМ на фазовую ошибку выходного сигнала синтезатора.......................................107

3.5. Оценка качества формирования сигналов на основе результатов обработки ЛЧМС.................................................................................................109

3.5.1. Оценка качества формируемого сигнала при обработке

ЛЧМ сигнала с помощью сжатия спектра.....................................................109

3.5.2. Корреляционная обработка ЛЧМ сигнала...........................................111

3.5.3. Влияние отклонений частоты и фазы от идеального закона на показатели качества выходного сигнала синтезатора ЛЧМС.....................117

3.6. Выводы..........................................................................................................120

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ С ИФАПЧ.................................................................122

4.1. Методика проектирования формирователя ЛЧМС с сигма-дельта модулятором.........................................................................................................122

4.2. Программа расчета характеристик синтезатора ЛЧМ сигнала................125

4.3. Макет синтезатора ЛЧМ сигнала с ИФАПЧ и СДМ................................128

4.4. Пример расчета характеристик формирователя ЛЧМС и их сравнение

с экспериментальными данными.......................................................................130

4.5. СБИС синтезатора частот с ИФАПЧ 1508ПЛ9Т.......................................137

4.5.1. Отладочная плата для СБИС 1508ПЛ9Т..............................................143

4.6. Структурная схема ИМС синтезатора частот и ЛЧМ сигналов..............146

4.7. Выводы..........................................................................................................147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................149

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................151

Приложение 1. Программа и функция вычисления динамических

характеристик формирователя ЛЧМС в пакете МАТЕАВ.............................163

Приложение 2. Схемы и листинги моделей узлов формирователя ЛЧМ сигналов с системой ИФАПЧ и СДМ в программе моделирования Срр8ип 164 Приложение 3. Листинг программы обработки ЛЧМ сигнала в пакете

МАТЬАВ...............................................................................................................171

Приложение 4. Листинг функции, выполняющейся при нажатии кнопки

"расчет" программы расчета характеристик формирователя ЛЧМС............173

Приложение 5. Акты о внедрении результатов работы...................................177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Сложные широкополосные сигналы вот уже несколько десятилетий привлекают разработчиков специальных и коммерческих радиотехнических систем [1-5]. Это объясняется лучшей помехозащищенностью систем, использующих сигналы с распределенным спектром, снижением необходимой пиковой мощности передающих устройств для достижения тех же энергетических характеристик, меньших уровнем помех другим системам И т.д.

В числе сложных сигналов широко применяются сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Исторически ЛЧМ сигналы (ЛЧМС) использовались в основном для специальных и военных задач [4-7]. К настоящему времени с помощью ЛЧМ сигналов решается также широкий круг задач, связанных с потребительской и промышленной техникой. Рассмотрим области применения систем с ЛЧМС.

Обнаружение и оценка параметров движения объектов

Слабая чувствительность к доплеровским сдвигам частоты обеспечили большую популярность ЛЧМ сигналов в РЛС [1,4-24]. Совместное измерение дальности и скорости при наличии помех можно осуществить, если в качестве зондирующего использовать сигнал, состоящий из ряда ЛЧМ сигналов, начальные значения фазы и частоты, скорость и длительности которых разные. Частными случаями составных сигналов являются сигналы с У-образной ЧМ или несимметричной двунаправленной ЧМ. Одновременное измерение дальности и скорости целей осуществляется также РЛС с непрерывной ЧМ, например, по треугольному или трапециевидному закону [4].

В последние годы радары широко применяются в обеспечении безопасности дорожного движения, включаются в штатный бортовой комплект электроники автомобиля для предупреждения о приближении

препятствия на опасное расстояние [9-12]. Такие системы основаны на РЛС с непрерывной ЧМ. Центральная частота, используемых в них сигналов, составляет обычно 76,5-77 ГГц, девиация частоты 160-400 МГц, а скорость достигает 2000 ГГц /с. Известно применение ЛЧМ сигналов для наблюдения через препятствия за перемещением людей или нахождения дефектов в бетонных блоках [16].

Распознавание космических объектов

Современные РЛС в состоянии не только обнаруживать космические объекты и измерять параметры их движения, но и определять их размер, конфигурацию, скорость вращения вокруг центра тяжести и оси вращения. По изменению скорости вращения спускаемого объекта при его вхождении в плотные слои атмосферы можно определить его массу. Для решения таких задач необходимы сигналы с полосой частот в несколько сотен мегагерц, начальной частотой 1000-6000 МГц [5]. Т.к. дальность действия таких РЛС велика, для обеспечения заданного отношения сигнал-шум используют длительность сигнала около миллисекунды. При этом база сигнала достигает порядка 106 и более.

Радиовысотометрия

В радиовысотомерах, устанавливаемых на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли и космических кораблях используют как импульсные ЛЧМ сигналы, так и сигналы с непрерывной ЧМ, меняющейся по треугольному и пилообразному законам [8,17]. При использовании импульсных ЛЧМ сигналов измерение высоты осуществляется по каждому импульсу, благодаря чему достигается более высокая точность измерения, при непрерывной ЛЧМ получают усредненный результат. Однако, в последнем случае требуется менее мощный передатчик. Радиовысотомеры, устанавливаемые на ИСЗ, поставляют важную информацию о природных ресурсах Земли, для океанографии, экологического мониторинга. Обычно они работают в Ки-диапазоне. Например, радиовысотомер, установленный на

ИСЗ Poseidon (Франция), работает на частоте 13.5/5.3 ГГц с девиацией 100320 МГц и длительностью импульса равной 105.6 мкс [17].

Физические измерения

Радиолокаторы с ЛЧМ применяются для различных физических измерений, поскольку они позволяют с высокой точностью определять характеристики облучаемых объектов. Примером может служить радиолокационное наблюдение планет и определение их физических характеристик [18].

С помощью непрерывных ЛЧМС производилось исследование ионосферы на предмет распространения радиоволн ДКМ диапазона (ЛЧМ-ионозонды).

Георадары используются для исследования подповерхностных слоев грунта. Для их работы используются ЛЧМ сигналы с несущей частотой 3002000 МГц, длительностью в единицы миллисекунд и девиацией порядка МГц [17,19,20].

Известно успешное применение ЛЧМ сигналов в гидроакустике на несущих частотах 30-500 кГц [21], для измерения толщины и свойств льдов Арктики и Гренландии [19]. Используют ЛЧМС для определения скорости движения и возможности схода снежных лавин [23].

При измерении уровня жидкости в промышленных сосудах, системы с ЛЧМ сигналами с успехом заменяют ультразвуковые датчики или рентгеновские установки [24,25].

Измерительная техника

К сигналам, применяемым в измерительной технике, предъявляются высокие требования по линейности закона изменения частоты. В [26-28] описываются синтезаторы ЛЧМ сигналов для анализаторов цепей. В векторном анализаторе цепей, описанном в [26], формируется ЛЧМ сигнал с начальной частотой 4 ГГц, девиацией 1,5 ГГц, длительностью импульса

о

20 мс и относительной нелинейностью 1,6-10" (максимальное отклонение от

линейного закона ±25 Гц). В синтезаторе [28] формировался JI4M сигнал от 4,5 ГГц до 9 ГГц за 50 мс с относительной нелинейностью 3,4-10"10 (максимальное отклонение ±1,5 Гц). Однако, следует отметить, что эти результаты получены перемножением выходных сигналов двух идентичных синтезаторов, следовательно регулярные составляющие частотных ошибок, например за счет нелинейности модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением (ГУН), компенсировались.

Системы передачи информации

В условиях сложных естественных воздействий, а также помех от других систем, работающих в общем участке диапазона частот, преднамеренных помех перспективными являются сложные сигналы, которые обладают повышенной помехоустойчивостью. Система [29] использует JI4MC, имеет скорость передачи информации 5 МБ/с и работает на частоте 2.4 ГГц. Для формирования J14M сигнала в ней используются дисперсионная линия задержки на ПАВ с центральной частотой 348.8 МГц, полосой частот 80 МГц и скоростью 4M ±40 МГц/мкс. Информационный поток передается посредством бинарной ортогональной модуляции (ВОК -binary orthogonal keying), лог."1" формирует восходящее изменение частоты JI4M, а лог."0" - нисходящее. Для повышения пропускной способности канала соседние ЛЧМ импульсы перекрываются на 1/3 или 2/3 длительности.

Фирма Nanotron выпускает комплект приемопередатчика на основе микросхем собственной разработки для построения сети связи со скоростью передачи до 2 Мбит/с и возможностью определения местоположения каждого устройства в сети [30].

Таким образом, разнообразие систем предопределяет различные требования к параметрам формируемых сигналов: начальной частоте fH, скорости частотной модуляции V, девиации W, длительности Тлчм, базе D=W-Tj,4M и периоду повторения Тп. Часто требуется формировать несколько

сигналов или менять параметры модуляции в течение действия сигналов. Для решения такого рода задач необходимы синтезаторы сигналов.

Развитие радиотехнических систем во многих случаях связано с использованием ЛЧМ сигналов с большими базами. Формирование таких сигналов с высокой точностью является нетривиальной задачей, которая еще более усложняется с повышением мощности сигналов. Действительно, сформированный на малом уровне мощности сигнал, проходя через оконечный тракт усиления реального передающего устройства с неидеальными характеристиками, подвергается искажениям, приводящим к ухудшению характеристик системы [31]. Нейтрализация неидеальных АЧХ и ФЧХ реального тракта достигается соответствующим предыскажением параметров формируемого сигнала.

Во многих случаях потенциальные характеристики системы зависят от точности формирования используемых в них сигналов. Например, при фильтровой обработке ЛЧМС для получения уровня боковых лепестков -40дБ и менее, гармонические составляющие фазовых и амплитудных ошибок не должны превышать 1.2 град и 2 % соответственно независимо от базы формируемого сигнала [5].

Формирование ЛЧМ сигналов с девиацией, не превышающей сотен мегагерц с достаточно высоким качеством возможно в цифровых вычислительных синтезаторах (ЦВС) [32-37]. Однако, развитие радиотехнических систем во многих случаях связано с использованием ЛЧМ сигналов с большими девиациями. Синтез таких сигналов возможен в синтезаторах с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), и, в частности, в синтезаторах с делителем с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), управляемым накопителем кода. Недостатками такого типа формирователей является наличие специфических помех в выходном сигнале, называемых помехами дробности, а также зависимость фазовой ошибки выходного сигнала от линейности модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением (МХ

ГУН). Введение в схему синтезатора дополнительных узлов для линеаризации модуляционной характеристики позволяет существенно уменьшить последнюю проблему. Помехи дробности возникают из-за периодичности работы накопителя. Борьба с ними может осуществляться тремя путями: аналоговой компенсацией; применением методов рандомизации с использованием сигма-дельта модуляторов (СДМ) и комбинированными методами.

Одним из наиболее перспективных синтезаторов (формирователей) ЛЧМС на сегодняшний день является синтезатор на основе системы ИФАПЧ с ДДПКД и сигма-дельта модулятором. Принципиальная возможность формирования выходного сигнала с высокими показателями качества (динамические, спектральные характеристики, фазовая ошибка), позволяет использовать такие системы синтеза для формирования ЛЧМ сигналов с весьма большими базами. Кроме того, формирователи такого типа обладают высокой технологичностью. Немаловажным преимуществом указанных формирователей является их потенциально низкое энергопотребление. Эти обстоятельства делают синтезаторы с сигма-дельта модуляторами на основе системы импульсной ФАПЧ весьма привлекательными для формирования широкополосных ЛЧМ сигналов и для создания специализированных отечественных микросхем с возможностью формирования, как сетки частот, так и ЛЧМС.

Система ИФАПЧ представляет собой в общем случае нелинейное устройство, содержащее как непрерывную, так и импульсную части. Исследованию таких систем посвящено множество научных работ как отечественных, так и зарубежных авторов, например [38-42]. В их числе: В.В. Шахгильдян, A.A. Ляховкин, В.А. Левин, В.Н. Кулешов, A.B. Пестряков, Л.Н. Казаков, С.К. Романов и их ученики. Среди зарубежных авторов: Манассевич В., Гарднер Ф., Линдсей В.

Автор считает своим долгом выделить имя д.т.н., проф. Левина В.А., известного ученого в области синтеза частот, ныне покойного. Под его руководством начиналась эта работа.

Теория и техника использования сигма-дельта модуляции в синтезаторах частот и сигналов разрабатывалась на протяжении двух десятилетий [51-83]. Причем, наиболее разработанными являются системы синтеза частот такого типа. В этой области выделяются работы: И.В. Путилина, Н.М. Тихомирова, Т. Рылея, Т. Квасневского, М. Перротта, Ч. Содини, В. Ри, Б. Мюера, М. Стюарта и других.

Исследованию формирователей частотно-модулированных сигналов с помощью систем ИФАПЧ с ДДПКД посвящены работы [5, 26-28, 43-48]: В.Н. Кочемасова, Л.А. Белова, А.Д. Ревуна, А.Н. Жарова. Однако в этих работах рассматриваются только формирователи с аналоговой компенсацией помех дробности. Работа И.И. Колесникова посвящена формированию си�