Устройство для деления частоты

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в блоках сверхвысоких частот различного назначения. Устройство для деления частоты периодического сигнала содержит входной смеситель, умножитель частоты, два канала деления частоты, выходной смеситель, генератор. Достигаемый технический результат - увеличение коэффициента деления частоты, уменьшение ограничений на ширину диапазона рабочих частот. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в блоках сверхвысоких частот различного назначения.

Деление частоты периодического сигнала всегда являлось одной из наиболее сложных проблем при обработке аналогового сигнала, что особенно характерно для диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). В настоящее время широко распространены цифровые делители частоты, которые успешно применяются в диапазоне частот до нескольких гигагерц, граница их частотного диапазона медленно повышается. Регенеративные делители частоты, часто применяемые в приемопередатчиках (см. . "Радиоприемные устройства", п/р Барулина Л.Г., Москва, "Радио и связь", 1984, стр. 166), имеют в диапазоне СВЧ сложную конструкцию и низкую устойчивость работы, что делает их неприменимыми в миллиметровом диапазоне длин волн. Эти проблемы преодолеваются применением принципа предварительного перенесения делимой частоты вниз по спектру, который позволяет использовать в устройствах для деления частоты сигналов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн эффективные и дешевые цифровые делители более низкочастотного диапазона.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является устройство для деления частоты с транспонированием входной частоты вниз (см. Ризкин И.Х. "Умножители и делители частоты", Москва, "Радио и связь", 1976, стр. 291). Устройство содержит входной смеситель, первый вход которого соединен с входом устройства, а второй вход подключен через фильтр к выходу умножителя частоты с коэффициентом умножения N. Канал деления транспонированной вниз частоты, состоящий из последовательно включенных фильтра, усилителя и делителя частоты с коэффициентом деления N, равным коэффициенту умножения умножителя частоты, подключен входом к выходу входного смесителя. Выход генератора с частотой f_г подключен к входу умножителя частоты и второму входу выходного смесителя, первый вход которого соединен с выходом канала деления частоты, а выход - с выходом устройства. Устройство работает следующим образом. Частота сигнала на выходе входного смесителя определяется выражением f^(-)_Δ = f_вх-Nf_г или f⁽⁺⁾_Δ = Nf_г-f_вх в зависимости от знака разности. Сигнал этой частоты выделяется фильтром, усиливается усилителем и поступает на вход делителя частоты. Частота сигнала на выходе делителя равна либо f^(-)_Δ/N = f_вх/N-f_г, либо f⁽⁺⁾_Δ/N = f_г-f_вх/N. После выполнения выходным смесителем операции сложения (в первом случае) или вычитания (во втором) частот выходных сигналов делителя частоты и генератора на выходе устройства выделяется сигнал частоты f_вых=f_вх/N. Коэффициент деления частоты этого устройства равен коэффициенту деления частоты делителя, равному в свою очередь коэффициенту умножения частоты умножителя.

Устройства этого типа могут успешно применяться в сантиметровом диапазоне длин волн входного сигнала, но практически непригодны для работы в миллиметровом диапазоне из-за присущих им недостатков. В частности, транспонирование частоты входного сигнала в диапазон рабочих частот цифровых делителей частоты требует применения сложного и дорогого умножителя частоты с большими кратностями (10÷100) умножения, при этом к чистоте спектра выходного сигнала умножителя предъявляются жесткие требования. Ширина диапазона рабочих частот входного сигнала для многих применений недостаточна, поскольку ограничивается величиной максимальной допустимой частоты делителя в канале деления частоты или, при малоэффективном фильтре умножителя частоты, относительной величиной 1/2N.

Настоящее предложение направлено на решение задачи совершенствования устройств для деления частоты с транспонированием входной частоты вниз за счет резкого увеличения коэффициента деления частоты устройства относительно коэффициента умножения частоты умножителя и снятия ограничений на ширину диапазона рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для деления частоты периодического сигнала, содержащее входной смеситель, первый вход которого соединен с входом устройства, второй вход подключен к выходу умножителя частоты, канал деления частоты, состоящий из последовательно включенных фильтра, усилителя и делителя частоты, подключенный входом к выходу входного смесителя, генератор, выход которого подключен к входу умножителя частоты и выходной смеситель, первый вход которого соединен с выходом канала деления частоты, а выход - с выходом устройства, дополнительно вводится второй канал деления частоты, состоящий из последовательно включенных усилителя, фильтра и делителя частоты, вход канала подключен к выходу входного смесителя, а выход - к второму входу выходного смесителя, причем коэффициенты деления частоты первого и второго каналов отличаются на единицу, а коэффициент деления частоты устройства равен произведению коэффициентов деления частоты первого и второго каналов. Второй вариант устройства для деления частоты содержит стробоскопический смеситель частоты, выполняющий функции входного смесителя и умножителя частоты, подключенный первым входом к входу устройства, вторым входом - к выходу генератора, а выходом - к входам каналов деления частоты. Третий вариант устройства для деления частоты содержит дополнительно измеритель частоты, подключенный к выходу устройства, цепь обратной связи системы автоматической подстройки частоты генератора, состоящую из частотного или фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом управления частотой генератора, а первый вход подключен к входу или выходу делителя частоты первого канала, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен с вторым входом дискриминатора, а вход подключен к входу или выходу делителя частоты второго канала, и контроллер, входы которого соединены с измерителем частоты и дискриминатором, а выходы с входом управления частотой генератора и входом управления делителя с переменным коэффициентом деления, причем контроллер наделен программой, выполняющей изменением уровня сигнала на входе управления частотой генератора и изменением коэффициента передачи на этот вход выходного сигнала дискриминатора задачу поиска и удержания частоты генератора, соответствующей условию устойчивости системы автоматической подстройки частоты, при которой отсутствует зависимость частоты выходного сигнала устройства от коэффициента деления делителя частоты с переменным коэффициентом деления частоты.

Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве входной сигнал частоты f_вх взаимодействует не с одной (как в прототипе), а с двумя соседними гармониками частоты генератора f_г, имеющими кратность (номер) соответственно n_y и (n_y+1). Сигналы разностных частот с выхода входного смесителя разводятся в два канала деления частоты с центральными частотами f_a и f_b, причем f_г=f_a+f_b, где каждый подвергается операции деления частоты. Условием "рабочего режима" является равенство коэффициента деления каждого канала (n и (n+1)) номеру гармоники (n_y и (n_y+1)) сигнала генератора, которая произвела сигнал этого канала. Частота f_вых=f_вх/N выходного сигнала устройства выделяется на выходном смесителе как сумма частот выходных сигналов каналов деления частоты, а коэффициент деления частоты предлагаемого устройства равен произведению коэффициентов деления частоты каналов деления N=n(n+1). Это говорит о том, что по сравнению с прототипом резко увеличивается (при прочих равных условиях) коэффициент деления частоты устройства. При необходимости получения коэффициента деления предлагаемого устройства, равного коэффициенту деления частоты прототипа, частота генератора должна быть увеличена, а коэффициент умножения умножителя частоты уменьшен примерно в раз, что, соответственно, расширяет в диапазон рабочих частот устройства. Это обстоятельство, а также необходимость подачи на входной смеситель двух гармоник сигнала генератора ослабляет требования к избирательности выходного фильтра умножителя частоты настолько, что в ряде важных случаев он может быть исключен. Это позволяет использовать во втором варианте устройства стробоскопический смеситель (см. Рябинин Ю.А. "Стробоскопическое осциллографирование", М., "Сов. радио", 1972), выполняющий одновременно функции смесителя и умножителя частоты (генератора гармоник) сигнала генератора. Для значительного расширения диапазона рабочих частот в третьем варианте устройства используется тот факт, что в предлагаемом устройстве в рабочем режиме (и только в рабочем режиме) частота выходного сигнала не зависит от частоты генератора. Этот признак может быть использован в качестве критерия правильности настройки частоты генератора на частоту, обеспечивающую условия рабочего режима. Для реализации автоматического поиска и удержания частоты генератора, обеспечивающей рабочий режим при изменении частоты входного сигнала в широком диапазоне, в устройство вводится цепь обратной связи системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) генератора, частота которого в этом варианте управляется напряжением, на заданное, определяемое делителем с переменным коэффициентом деления (ДПКД) соотношение частот первого и второго каналов деления частоты. Изменение этого соотношения при изменении коэффициента деления частоты ДПКД будет приводить к некоторому изменению частоты генератора, что, если условие рабочего режима не выполняется, приведет к изменению значения выходной частоты. В состав устройства включены измеритель частоты выходного сигнала и контроллер на базе микропроцессора, который в процессе поиска осуществляет последовательную настройку частоты генератора на все точки устойчивости системы АПЧ. Число точек устойчивости не более чем на единицу отличается от отношения ширины заданного диапазона частот входного сигнала к частоте генератора. Изменение коэффициента деления ДПКД поочередно в каждой точке устойчивости АПЧ и измерение по окончании переходного процесса выходной частоты устройства позволяет найти и зафиксировать частоту генератора, при которой выходная частота устройства не зависит от коэффициента деления частоты ДПКД и, следовательно, частоты генератора, а номера используемых гармоник равны коэффициентам деления каналов (рабочий режим). В этом варианте устройства относительная полоса рабочих частот может значительно превышать величину 1/n.

Изобретение поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 показана структурная схема первого варианта предлагаемого устройства для деления частоты.

На фиг. 2 изображен спектр сигналов, поступающих на входной смеситель предлагаемого устройства для деления частоты.

На фиг. 3 показана структурная схема третьего варианта предлагаемого устройства с расширенной полосой рабочих частот, содержащего контроллер, выполняющий программу поиска рабочей частоты генератора.

На фиг. 4 показана блок-схема алгоритма программы поиска частоты генератора, обеспечивающей рабочий режим третьего варианта устройства для деления частоты.

Устройство для деления частоты (первый вариант), схема которого показана на фиг. 1, имеет в своем составе входной смеситель 1, первый вход которого является входом устройства, а выход соединен с входом усилителя 3. К второму входу входного смесителя подключен выход умножителя частоты (генератора гармоник) 7, вход которого соединен с выходом генератора 6 с частотой сигнала f_г. Умножитель частоты сконструирован таким образом, что на его выходе имеют место сигналы гармоник частоты генератора кратностей n_y и n_y+1. К выходу усилителя 3 подключены полосно-пропускающие фильтры 2a и 2b на частоты f_a и f_b, причем сумма этих частот равна средней частоте f_г ^ср диапазона перестройки генератора. Выходы фильтров соединены с входами делителей частоты 4а и 4b, имеющих коэффициенты деления частоты n и n+1. Усилитель 3, фильтр 2а и делитель частоты 4а, а также усилитель 3, фильтр 2b и делитель частоты 4b составляют соответственно первый 10а и второй 10b каналы деления частоты. Если входным каскадом канала деления является усилитель, то он может быть общим на оба канала. Если входным каскадом является фильтр, то каждый канал имеет собственный усилитель, включенный между фильтром 2 и входом делителя 4. Выходы каналов деления частоты 10а и 10b подключены к входам выходного смесителя 5, выход которого является выходом устройства.

Устройство для деления частоты (первый вариант) работает следующим образом. На входном смесителе входной сигнал частоты f_вх взаимодействует с гармониками кратностей n_y и n_y+1 частоты генератора (фиг. 2), причем две спектральные составляющие выходного сигнала смесителя, обусловленные биениями входного сигнала с ближайшими по частоте гармониками сигнала генератора, имеют наименьшие частоты f^(-)_Δ = f_вх-n_уf_г и f⁽⁺⁾_Δ = (n_у+1)f_г-f_вх. Усилитель 3 имеет такую частотную характеристику коэффициента передачи, что им усиливаются только эти две составляющие спектра выходного сигнала смесителя 1. Полосно-пропускающие фильтры 2а и 2b настроены на частоты f_a и f_b, а поскольку f_a+f_b= f_г ^ср, то центральная частота одного из них выше половинной частоты генератора 6, а частота второго настолько же ниже. Полосы пропускания фильтров 2а и 2b соответствуют диапазонам изменения частот f^(-)_Δ и f⁽⁺⁾_Δ. В результате на выходе фильтра 2а одного канала деления действует только сигнал с частотой f^(-)_Δ = f_вх-n_уf_г, а на выходе фильтра 2b второго канала - сигнал с частотой ⁽⁺⁾_Δ = (n_у+1)f_г-f_вх. После деления частоты этих сигналов делителями частоты 4а и 4b получаем на выходе одного канала сигнал частоты f^(-)_Δ/n, а на выходе второго канала - сигнал частоты f⁽⁺⁾_Δ/(n+1). На выходе выходного смесителя 5 выделяется сигнал, частота которого равна сумме частот входных сигналов: При равенстве коэффициентов деления n и умножения n_y (и только при этом условии) имеет место рабочий режим устройства, когда выходная частота смесителя 6 становится субгармоникой входного сигнала кратности N=n(n+1), то есть _вых= f_вх/n(n+1). При этом влияние частоты гетеродина f_г на выходную частоту исключается, то есть Θ=df_вых/df_г=0.

Совершенно идентичный спектр выходного сигнала смесителя 1 и, следовательно, точно такое же значение частоты выходного сигнала смесителя 5 будет получено для инверсного значения частоты f*_вх входного сигнала (см. фиг. 2), когда коэффициент деления канала и номер используемой гармоники не совпадают. Аналогичный режим на рабочей частоте f_вх реализуется при определенном значении частоты генератора f*_г. Для этого случая значение f*_вых определяется как в этом случае Θ =≠0, то есть устройство не выполняет функций делителя частоты. Возможность такого режима ограничивает ширину рабочего диапазона входных частот Δf^раб_вх (см. фиг. 2) предельной величиной f_г/2 или, в относительных величинах, -(2N)^-1.

Поскольку для функционирования устройства необходимо наличие на втором входе входного смесителя сигнала, содержащего две определенные соседние гармоники частоты генератора, а спектральные составляющие выходного сигнала смесителя, порожденные взаимодействием входного сигнала с нерабочими гармониками, могут быть эффективно подавлены усилителем 3 и фильтрами 2а и 2b, то необходимость в фильтре между умножителем частоты и входным смесителем отсутствует. Это открывает возможность реализации второго варианта устройства, в котором функции умножителя частоты (генератора гармоник) 7 и входного смесителя 1 выполняются широко применяемым в диапазоне миллиметровых волн многофункциональным узлом - стробоскопическим смесителем 9. Этот вариант удобно применять, если входной сигнал имеет небольшую мощность, которая недостаточна для обеспечения нелинейного режима смесителя.

Приведенные выше соотношения полностью справедливы и для второго варианта устройства.

В ряде применений, особенно при работе в диапазоне миллиметровых волн, возникает необходимость реализации больших (10³-10⁴) значений коэффициента деления частоты устройства. Парадоксально, но увеличение коэффициента деления устройства при заданном значении частоты входного сигнала снижает рабочие частоты усилителя 3, делителей частоты 4а и 4b, генератора 6. то есть уменьшает стоимость устройства. Однако одновременно уменьшается относительная ширина диапазона рабочих частот, что является основным недостатком первых двух вариантов устройства.

Для устранения этого недостатка в схему третьего варианта (фиг. 3) устройства вводится дополнительно измеритель частоты 11, подключенный входом к выходу устройства, то есть к выходу выходного смесителя, и цепь обратной связи (ОС) автоматической подстройки частоты (АПЧ) генератора 6. Цепь ОС АПЧ содержит частотный, фазовый или частотно-фазовый дискриминатор (детектор) 13, выходной сигнал которого резко зависит от разности частот или фаз сигналов на его входах, и делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 12. Входы дискриминатора 13 подключены к выходу ДПКД 12 и выходу делителя частоты одного из каналов деления, причем вход ДПКД 12 соединен с входом (или выходом) делителя другого канала деления. Выход дискриминатора 13 через контролер 14 подключен к входу управления частотой генератора 6, частота которого в третьем варианте устройства зависит от напряжения. Контроллер 14, выполненный на основе микропроцессора и предназначенный для реализации процедуры поиска рабочего режима и его поддержания, подключен цифровым входом к выходу измерителя частоты 11. Выход контроллера подключен к входу управления коэффициентом деления частоты ДПКД 12. Контроллер наделен программой, которая выполняет изменением уровня сигнала на входе управления частотой генератора и изменением коэффициента передачи на этот вход выходного сигнала дискриминатора задачу поиска и поддержания частоты генератора, соответствующей условию устойчивости системы автоматической подстройки частоты, при которой отсутствует зависимость частоты выходного сигнала устройства от коэффициента деления делителя частоты с переменным коэффициентом деления частоты.

Существо изобретения (третий вариант) состоит в следующем. Если диапазон рабочих входных частот устройства для деления частоты существенно превышает расстояние между соседними гармониками сигнала генератора 6, то рабочий режим реализуется, если частота генератора находится в заданном интервале между заданными гармониками сигнала генератора. Рабочий режим устанавливается предлагаемым устройством в два этапа. На первом этапе системой АПЧ фиксируется частота генератора по критерию заданного отношения частот сигналов в каналах деления. На втором этапе из множества частот генератора, удовлетворяющих условию устойчивости АПЧ при различных значениях n_y, выбирается единственное n_y=n, при котором отсутствует зависимость частоты выходного сигнала устройства от частоты генератора.

Если в качестве дискриминатора 13 применен фазовый детектор или квадратурный фазовый детектор (см "Справочник по радиолокации" п/р М. Скольник, том 3, стр. 187, 252, "Советское радио", М., 1977), то реализуется система фазовой автоподстройки частоты - ФАПЧ (см. В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин, "Фазовая автоподстройка частоты", изд. "Связь", М., 1966), настраивающая генератор на нулевую разность частот сигналов на входах фазового детектора. Если один вход фазового детектора подключен к выходу делителя частоты 4а, а второй - к выходу ДПКД 12, имеющего коэффициент деления частоты n_ДПКД и подключенного к входу делителя частоты 4b, то критерием глобальной устойчивости системы ФАПЧ будет выражение f^(-)_Δ/n_a = f⁽⁺⁾_Δ/n_ДПКД. Частота генератора, установленная в результате действия ФАПЧ, определяется в виде откуда для всех возможных значений n_y, n_ДПКД и f_вх могут быть определены частоты f_г, f^(-)_Δ и f⁽⁺⁾_Δ. Для рабочего режима, когда n=n_a=n_y, значение частоты генератора определяется формулой f_г= f_вх[n+n_ДКПД] /n[n+1+n_ДКПД] . Если вход ДПКД подключен не к входу, а к выходу делителя частоты 4b, то во всех соотношениях следует вместо _ДПКД использовать произведение n_ДКПД(n+1).

На втором этапе процессом поиска частоты генератора f_г ^р, обеспечивающей рабочий режим устройства, управляет программа контроллера. В принципе, может быть предложено несколько вариантов алгоритма программ поиска f_г ^р, в том числе следующий.

Исходными данными являются значения напряжения U_н и U_в управления частотой генератора, соответствующие нижней f_гн и верхней f_гв границам диапазона его перестройки, которые определяются границами диапазона входных частот f_н и f_в, а также шаг ступеньки изменения напряжения ΔU и продолжительность (время выдержки) каждой ступеньки Δt (блок 2). Перед началом поиска на входе управления частотой генератора устанавливают (блок 3) напряжение U_н и значение коэффициента деления ДПКД n₁, а также задают пониженный коэффициент передачи выходного сигнала фазового детектора на вход управления частотой генератора (команда К= 0). Последнее уменьшает полосу удержания ФАПЧ Δf_уд до выполнения условия Δf_уд < f_г, что гарантирует отсутствие пропуска частот в процессе поиска. Если при напряжении на входе управления генератора _н синхронизм системы ФАПЧ отсутствует, то есть L=0 (блок 5), то напряжение увеличивается на шаг ступеньки ΔU (блок 4), что вызывает изменение частоты генератора на Δf^ш_г, причем Δ < Δf_уд. По мере увеличения напряжения и повышения частоты генератора сетка гармоник f_г сдвигается вправо по оси частот (фиг. 2). После вхождения системы ФАПЧ в синхронизм (L=1), который фиксируется, например, по максимуму сигнала квадратурной части фазового детектора (блок 5), производится измерение частоты выходного сигнала устройства f_вых1 (блок 6), изменение коэффициента деления частоты ДПКД (блок 7) и измерение частоты f_вых2. Если изменение коэффициента деления сопровождается изменением частоты выходного сигнала (блок 10), то повышение напряжения продолжается (блок 9). Если f_вых1=f_вых2, то процедура поиска прекращается и включается полный коэффициент передачи цепи ОС ФАПЧ (К=1), то есть устройство исполняет функцию делителя частоты входного сигнала. При этом частоты генератора и входного сигнала жестко связаны соотношением f_г ^р = f_вх[n+n_ДПКД]/n[n+1+n_ДПКД] , и частота генератора следует за частотой входного сигнала во всем диапазоне рабочих частот. Для контроля может периодически переключаться коэффициент деления частоты ДПКД, что не мешает работе устройства. При обнаружении выхода из рабочего режима процесс поиска повторяется.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет существенно улучшить технико-экономические характеристики устройств для деления частоты сантиметрового и более коротковолновых диапазонов длин волн. Первый вариант устройства обеспечивает высокие значения деления частоты N в относительно узком - порядка - диапазоне частот. Второй вариант идентичен по параметрам первому, но более удобен при делении частоты слабых сигналов. Третий вариант устройства обеспечивает высокие значения коэффициента деления частоты при практически неограниченной ширине диапазона частот входного сигнала.

Формула изобретения

1. Устройство для деления частоты периодического сигнала, содержащее входной смеситель, первый вход которого соединен с входом устройства, второй вход подключен к выходу умножителя частоты, канал деления частоты, состоящий из последовательно включенных фильтра, усилителя и делителя частоты, подключенный входом к выходу входного смесителя, генератор, выход которого подключен к входу умножителя частоты и выходной смеситель, первый вход которого соединен с выходом канала деления частоты, а выход - с выходом устройства, отличающееся тем, что содержит дополнительно второй канал деления частот, подключенный к выходу входного смесителя и содержащий последовательно включенные фильтр и делитель частоты, выход канала подключен к второму входу выходного смесителя, причем коэффициенты деления делителей частоты первого и второго каналов отличаются на единицу, а коэффициент деления частоты устройства равен произведению коэффициентов деления делителей частоты первого и второго каналов.

2. Устройство для деления частоты по п. 1, отличающееся тем, что входной смеситель и умножитель частоты выполнены в виде выполняющего их функции стробоскопического смесителя, подключенного первым входом к входу устройства, вторым входом - к выходу генератора, а выходом - к входам каналом деления частоты.

3. Устройство для деления частоты по п. 1 или 2, отличающееся тем, что содержит дополнительно измеритель частоты, подключенный к выходу устройства, цепь обратной связи системы автоматической подстройки частоты генератора, состоящую из частотного или фазового дискриминатора, выход которого соединен с входом управления частотой генератора, а первый вход подключен к входу делителя частоты первого канала, делитель частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен с вторым входом дискриминатора, а вход подключен к входу или выходу делителя частоты второго канала, и контроллер, входы которого соединены с измерителем частоты и дискриминатором, а выходы - с входом управления частотой генератора и входом управления делителя с переменным коэффициентом деления, причем контроллер наделен программой, выполняющей изменение уровня сигнала на входе управления частотой генератора поочередную настройку генератора на частоте баланса системы автоматической подстройки частоты, а также поиска из них и поддержания единственного значения частоты генератора, при которой отсутствует зависимость частоты выходного сигнала устройства от коэффициента деления делителя частоты с переменным коэффициентом деления частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4