Способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов и цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов для его осуществления



Способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов и цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов для его осуществления
Способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов и цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов для его осуществления
Способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов и цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов для его осуществления
Способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов и цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов для его осуществления
Способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов и цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2440667:

Общество с ограниченной ответственностью "СИНТЕЗПРОМ" (RU)

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в цифровых вычислительных синтезаторах (ЦВС) многоуровневых сигналов. Технический результат - улучшение характеристик синтезируемых сигналов. Цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов основан на цифровом вычислительном формировании многоуровневых сигналов для уменьшения уровня их побочных спектральных составляющих (ПСС) и содержит фазовый накопитель многоуровневых сигналов, цифроаналоговый преобразователь, источник тактовой частоты, который выполнен в виде М опорных генераторов и первого многоканального переключателя, фильтр выходных частот, который выполнен в виде схемы многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации и содержит два высокочастотных многоканальных переключателя и N полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах. 5 ил.

 

Предлагаемая группа изобретений относится к области радиоэлектроники, в частности к формированию прецизионных частот и сигналов, и может быть использована в цифровых вычислительных синтезаторах (ЦВС) многоуровневых сигналов.

Современная техника формирования многоуровневых сигналов с помощью ЦВС высокотехнологична, надежна и микроминиатюрна в исполнении.

Однако общая проблемная ситуация в области формирования прецизионных частот с помощью ЦВС характеризуется продолжающей оставаться актуальной задачей улучшения спектральной чистоты при удовлетворительных шумовых характеристиках сигналов.

Данное направление с точки зрения перспектив его развития - выигрышно в отношении выявления резервов его совершенствования и повышения эффективности улучшения характеристик сигналов.

Известен выбранный в качестве прототипа способ улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов, представляющий собой цифровое вычислительное формирование многоуровневых сигналов для уменьшения уровня их побочных спектральных составляющих (ПСС) с преобразованием сформированных цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы и последующую частотную фильтрацию последних для их сглаживания (см. книгу Ямпурина Н.П. и др. Формирование прецизионных частот и сигналов. Н.Новгород, НГТУ, 2003, с.58-59).

Несмотря на то, что этот способ перспективен для использования в радиотехнических системах передачи информации с повышенной помехоустойчивостью и защищенностью, в связи с повышением современных требований к характеристикам синтезируемых сигналов и развитием возможностей аппаратурной реализации в данном направлении, разработан предлагаемый далее резерв повышения эффективности улучшения спектральных характеристик синтезируемых сигналов.

Известен прототип цифрового вычислительного синтезатора многоуровневых сигналов для осуществления заявляемого способа, представляющий собой последовательно соединенные фазовый накопитель многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду, преобразователь цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы и фильтр выходных частот синтезатора и включающий источник тактовой частоты, своим выходом параллельно соединенный с входом синхронизации фазового накопителя, входом преобразователя фазы в амплитуду и входом цифроаналогового преобразователя (см. статью Левина В.А. и Черкашина А.А. Методы построения синтезаторов частот в СВЧ диапазоне. - Электросвязь, 2004, №2, с.11-13, рис.13.а).

Технический результат заявляемой группы изобретений - повышение эффективности улучшения спектральных и шумовых характеристик синтезируемых сигналов за счет особенностей предлагаемого заявителем сочетания формирования многоуровневых сигналов и их фильтрации, повышающего стабильность улучшаемых характеристик сигналов, развивающего аппаратурные возможности производственного применения цифрового вычислительного синтеза на основе его программной подготовки и создающего таким образом базу повышения технологичности промышленного производства прецизионных синтезаторов в широком диапазоне частот.

Для достижения результата в известном способе улучшения характеристик синтезируемых высокочастотных сигналов, представляющем собой цифровое вычислительное формирование многоуровневых сигналов для уменьшения уровня их побочных спектральных составляющих с преобразованием сформированных цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы и последующую частотную фильтрацию последних для их сглаживания, синтез высокочастотных сигналов осуществляют на основе предварительной конечномерной оптимизационной оценки ожидаемых ПСС в диапазоне синтезируемых частот с помощью формулы

где fпсс - частота побочной спектральной составляющей;

fC - частота синтезируемого сигнала;

fT - частота тактового сигнала;

m - номер гармоники тактового сигнала;

n - номер гармоники синтезируемого сигнала;

и получения на графике зависимости fпсс от fC зон наличия или отсутствия побочных спектральных составляющих в диапазоне синтезируемых частот и вблизи границ указанного диапазона.

При этом цифровое вычислительное формирование многоуровневых сигналов и преобразование сформированных цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы проводят путем их многочастотной синхронизации посредством опорных генераторов с тактовой частотой и в количестве М, выбранными в результате поэтапного определения оптимальной тактовой частоты соответствующей условию равноудаленности ближайших ПСС слева и справа от границ диапазона синтезируемых частот с помощью равенства

где - начальная частота синтезируемого диапазона;

- конечная частота синтезируемого диапазона;

m1, m2 - номер первой и второй ближайших гармоник тактового

сигнала;

n1, n2 - номер первой и второй ближайших гармоник

синтезируемого сигнала

и условию возможности фильтрации, определяемой неравенством

где ΔФ - полоса пропускания фильтра по уровню -3 дБ;

с разбитием синтезируемого интервала частот на М диапазонов при каждом выборе тактовой частоты опорного генератора и повторением определения оптимальной тактовой частоты по мере этапного приближения к ней в соответствии с указанным условием ее определения, и получения количества М опорных генераторов, равного количеству этапов определения искомой оптимальной тактовой частоты

А частотную фильтрацию дискретных аналоговых сигналов производят на основе многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации посредством полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с амплитудно-частотными характеристиками и в количестве N, выбранными в результате N-этапного вычисления результирующих амплитудно-частотных характеристик системы (спектрограмм) после фильтрации в соответствии с условием требуемого ослабления побочных спектральных составляющих за пределами синтезируемого диапазона частот с помощью формулы

где - амплитудно-частотная характеристика системы до фильтрации.

Для осуществления заявляемого способа в известном цифровом вычислительном синтезаторе многоуровневых сигналов, представляющем собой последовательно соединенные фазовый накопитель многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду, преобразователь цифровых сигналов в дискретные аналоговые сигналы (ЦАП) и фильтр выходных частот синтезатора и включающем источник тактовой частоты, своим выходом параллельно соединенный с входом синхронизации фазового накопителя, входом преобразователя фазы в амплитуду и входом цифроаналогового преобразователя, в качестве источника тактовой частоты в синтезатор введено М опорных генераторов тактовой частоты, выходы которых параллельно соединены с входом первого высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом указанного источника тактовой частоты.

А в качестве фильтра выходных частот синтезатора на выходе последнего введена схема многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации, содержащая второй высокочастотный многоканальный переключатель, на входе соединенный с выходом цифроаналогового преобразователя и на выходе - параллельно с входами N полосовых фильтров на ПАВ, в количестве N≥2, выходы которых параллельно соединены с входами третьего высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом синтезатора.

При этом к каждому из трех упомянутых переключателей подключен блок управления их синхронным переключением.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого цифрового вычислительного синтезатора многоуровневых сигналов; на фиг.2 - график зависимости fпсс от fC в диапазоне синтезируемых частот (номограмма), полученный путем предварительной конечномерной оптимизационной оценки ожидаемых ПСС в диапазоне синтезируемых частот; на фиг.3 - ожидаемая спектрограмма сигналов с наличием ПСС, полученная на основе предыдущего графика; на фиг.4 - спектрограмма сигналов, иллюстрирующая соблюдение условий равноудаленности и возможности фильтрации; на фиг.5 - улучшенная спектрограмма сигналов на выходе предлагаемого синтезатора.

ЦВС содержит последовательно соединенные фазовый накопитель 1 многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду 2, ЦАП 3 и фильтр выходных частот синтезатора 4. При этом в синтезатор введено М опорных генераторов тактовой частоты 5, выходы которых параллельно соединены с входом первого высокочастотного многоканального переключателя 6. Кроме того, в синтезатор введена схема многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации, содержащая второй высокочастотный многоканальный переключатель 7, на входе соединенный с выходом ЦАП 3 и на выходе - параллельно с входами N полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах 8, в количестве N≥2. Выходы фильтров 8 параллельно соединены с входами третьего высокочастотного многоканального переключателя 9, выход которого является выходом синтезатора. При этом к переключателям 6, 7 и 9 подключен блок управления 10 для их синхронного переключения.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Фазовый накопитель 1 с каждым тактом сигнала синхронизации, сформированного одним из М высокостабильных кварцевых генераторов 5, коммутируемых высокочастотным многоканальным переключателем 6, накапливает приращения фазы, которые с помощью преобразователя фазы в амплитуду 2 преобразуются в цифровые отчеты амплитуды, а на выходе ЦАП 3 превращаются в дискретный сигнал заданной частоты. Далее дискретный сигнал подвергается многоканальной узкополосной фильтрации с помощью двух высокочастотных многоканальных переключателей 7, 9 и N высокочастотных фильтров 8 на ПАВ.

Повышение спектральной чистоты выходного сигнала в предлагаемом изобретении достигается за счет многочастотной синхронизации ЦВС линейкой из M-го количества оптимально выбранных тактовых генераторов 5 с частотами и многоканальной фильтрации дискретного сигнала с помощью N-го количества переключаемых фильтров 8 на ПАВ. Использование множества тактовых генераторов вместо одного позволяет избежать попадания ПСС, возникающих в ЦАП 3, в рабочий диапазон синтезируемых частот, а применение переключаемых фильтров 8 на ПАВ обеспечивает необходимое подавление ПСС за пределами рабочего диапазона до требуемого уровня, что в совокупности полностью решает техническую задачу.

Улучшение шумовых характеристик достигается за счет многоканальной высокоизбирательной фильтрации с помощью фильтров 8 на ПАВ, вырезающих строго определенный диапазон частот, что уменьшает мощность шума на выходе синтезатора, пропорционального ширине диапазона.

Для того чтобы обеспечить оптимальный режим работы предлагаемого ЦВС, повышающий стабильность улучшения характеристик синтезируемых сигналов, в следующем примере осуществления предлагаемого способа предварительно осуществлена конечномерная оптимизационная оценка ожидаемых ПСС в диапазоне синтезируемых частот с помощью формулы (1).

На фиг.2 представлена номограмма ПСС в виде графика зависимости fпсс от fС для заданного в примере диапазона синтезируемых частот (125…132,5 МГц). Затем на основе этого графика получена ожидаемая спектрограмма сигналов с наличием ПСС - до оптимизации (см. фиг.3). С помощью спектрограммы на фиг.4 проверено выполнение условий равноудаленности и возможности фильтрации на основе использования выражений (2) и (3). На фиг.5 получена ожидаемая спектрограмма сигналов после фильтрации на основе использования формулы (4) - на выходе предлагаемого синтезатора.

Формулы (1-4), с помощью которых был спроектирован и воплощен образец синтезатора, обладающий улучшенными спектральными характеристиками, выведены в результате эмпирического поиска на основе большой по объему выборки экспериментальных данных.

Выходная спектрограмма (см. фиг.5) показывает высокую степень подавления ПСС до 10-го порядка включительно вне рабочей полосы частот (более 80 дБ) и полное отсутствие ПСС внутри рабочего диапазона, что является результатом предлагаемой конечномерной параметрической оптимизации.

Следует отметить, что помимо высокой чистоты спектра получены вполне приемлемые шумовые характеристики сигнала.

Предлагаемый алгоритм реализован на ЭВМ с применением средств компьютерной математики Mathcad-13.0 и линейного программирования на языках высокого уровня. За счет программной реализации способа по выбору оптимальных параметров и структуры синтезатора частот повышается технологичность реализации проекта, эффективность которого подтверждается заметным сокращением времени на разработку (в сотни раз) при достижении высоких качественных показателей и высокой повторяемостью стабильных параметров, что особенно важно для серийного производства.

В качестве аппаратурной основы производственной реализации могут быть использованы высокостабильные кварцевые генераторы и фильтры на ПАВ фирмы EPCOS.

В настоящее время создан опытный образец синтезатора, который был представлен на XIII-м Международном Промышленно-Экономическом Форуме "Россия Единая" в г.Н.Новгороде 13 сентября 2008 г. и на 1-м Международном Инновационном Форуме в г.Санкт-Петербурге с 8 по 10 октября 2008 г.

Получены положительные отзывы потенциальных заказчиков - фирм-производителей радиоэлектронной отрасли промышленности. Ведется переписка с ОАО "Правдинское Конструкторское Бюро" на предмет внедрения нашего синтезатора частот в состав радиолокационных станций. Способ улучшения параметров синтезатора создает конструктивные предпосылки для значительного производственного потенциала.

Таким образом, инициированная прототипом проблема повышения эффективности улучшения характеристик синтезируемых сигналов, явилась причиной усовершенствования синтеза частот в результате разработки заявителем предлагаемой группы изобретений.

Цифровой вычислительный синтезатор многоуровневых сигналов, содержащий последовательно соединенные фазовый накопитель многоуровневых сигналов, преобразователь фазы указанных сигналов в их амплитуду, цифроаналоговый преобразователь и фильтр выходных частот синтезатора, а также источник тактовой частоты, своим выходом соединенный с входами синхронизации указанных фазового накопителя, входом преобразователя фазы в их амплитуду и цифроаналогового преобразователя, отличающийся тем, что источник тактовой частоты выполнен в виде М опорных генераторов тактовой частоты, подключенных своими выходами к соответствующим входам первого высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом указанного источника тактовой частоты, а фильтр выходных частот синтезатора выполнен в виде схемы многоканальной высокоизбирательной частотной фильтрации, содержащей второй высокочастотный многоканальный переключатель, на входе соединенный с выходом цифроаналогового преобразователя и на выходе - параллельно с входами N полосовых фильтров на поверхностных акустических волнах, в количестве N≥2, параллельно соединенных своими выходами с соответствующими входами третьего высокочастотного многоканального переключателя, выход которого является выходом цифрового вычислительного синтезатора многоуровневых сигналов, причем к каждому из трех упомянутых переключателей подключен блок управления их синхронным переключением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке источников сигнала СВЧ-диапазона. .

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для формирования сетки стабильных частот с равномерным шагом в приемных и передающих устройствах с малым временем перестройки в широком диапазоне рабочих частот.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве быстро переключаемого по частоте гетеродина приемника и в других устройствах, где требуется быстрая перестройка по частоте при чистом спектре выходного сигнала.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа с квантовыми дискриминаторами на основе газовых ячеек или атомно-лучевых трубок.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в возбудителях передатчиков и гетеродинов приемников радиолокационных систем. .

Изобретение относится к радиотехнике. .

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам формирования колебаний с частотой, изменяющейся в соответствии со значением цифрового кода управления, и может быть использовано для формирования частотно-модулированных колебаний.

Изобретение относится к радиотехнике, к технике цифрового вычислительного синтеза частот, и может использоваться в радиопередающих и радиоприемных устройствах. .

Изобретение относится к технике радиорелейной связи и может быть использовано в аппаратуре радиорелейных станций зоновых систем связи в качестве формирователя сетки стабильных частот.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в приемных устройствах в качестве малогабаритного переключаемого по частоте гетеродина

Изобретение относится к технике связи, а именно к радиотехническому оборудованию, и может быть использовано в системах и средствах управления воздушным движением

Изобретение относится к области связи и может использоваться для управления точными источниками частоты в сотовых телефонах или других устройствах связи

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано в радиоприемных и радиопередающих устройствах для преобразования частот, модуляции и формирования радиосигналов

Изобретение относится к электронике, в частности к цифровым синтезаторам прямого синтеза. Достигаемый технический результат - снижение уровня побочных дискретных составляющих выходного сигнала. Способ генерации выходной частоты цифрового синтезатора прямого синтеза включает вычисление кода частоты в соответствии с требуемой величиной выходной частоты, запись его в регистр частоты и подачу кода частоты в аккумулятор фазы, если вычисленное значение кода частоты является дробным, вычисляют первый код частоты, соответствующий округленному до целого числа исходному коду частоты, и дробную часть исходного кода частоты, выбирают второй код частоты, отличающийся на единицу от первого кода частоты, и записывают его в регистр частоты, попеременно считывают из регистра частоты первый и второй коды частоты с периодичностью, определяемой дробной частью исходного кода частоты, код частоты поступает из регистра частоты в аккумулятор фазы, посредством аккумулятора фазы вычисляют адрес, поступающий в ПЗУ регистра фазы, с помощью регистра фазы вычисляют мгновенное значение выходного сигнала в цифровом виде, которое поступает в цифроаналоговый преобразователь и преобразуется в соответствующее значение сигнала в аналоговом виде. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Синтезатор частот с коммутируемыми трактами приведения частоты относится к радиотехнике и может быть использован для формирования сетки стабильных частот с равномерным шагом в приемных устройствах с повышенной помехозащищенностью, а также в приемопередающих устройствах с быстрой перестройкой рабочих частот. Достигаемый технический результат - уменьшение уровня фазовых шумов выходного сигнала, времени перестройки по частоте, уровня паразитных спектральных составляющих. Устройство содержит два частотно-фазовых детектора (1 и 9); два фильтра нижних частот (2 и 10), генератор, управляемый напряжением (3), расщепитель мощности (4), делитель частоты (5), низкочастотный коммутатор (6), смеситель (7), формирователь опорных частот (8), блок управления (12). 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, радиолокации и связи. Достигаемый технический результат - повышение частотного разрешения и спектральной чистоты выходного сигнала. Синтезатор частот содержит опорный генератор, выход которого соединен с входом умножителя частоты высокой кратности, выход которого соединен с входом дополнительного умножителя частоты и с первым входом преобразователя частоты, выход дополнительного умножителя частоты соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с опорным входом частотно-фазового детектора, выход преобразователя частоты соединен с входом делителя частоты с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен с другим входом частотно-фазового детектора, выход которого соединен с фильтром сигнала ошибок, выход которого соединен с входом управляемого генератора, второй вход преобразователя частоты соединен с выходом управляемого генератора, при этом частоты управляемого генератора и опорного генератора связаны заданным соотношением. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микроволновой технике, к формирователям сверхширокополосных сигналов качающейся частоты. Достигаемый технический результат - увеличение скорости свипирования , расширения диапазона качания частот с выдачей сигнала, характеризующегося спектром высокой чистоты. Схема для генерирования сигнала качающейся частоты содержит источник эталонной частоты, первую цепь комбинирования частот со входом, подключенным к выходу источника эталонной частоты, которая работает в первом частотном диапазоне и выполнена с возможностью формирования на выходе сигнала качающейся частоты в первом частотном диапазоне, вторую цепь комбинирования частот со входом, подключенным к выходу источника эталонной частоты, которая работает во втором частотном диапазоне, отличающемся от первого частотного диапазона, и выполнена с возможностью формирования на выходе сигнала качающейся частоты во втором частотном диапазоне, многоуровневый переключатель со входом, подключенным к выходам первой и второй цепям комбинирования частот, и цепь управления, подключенную к первой и второй цепям комбинирования частот и многоуровневому переключателю. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к синтезаторам на основе петли фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Технический результат заключается в уменьшении уровня побочных дискретных составляющих выходного радиочастотного сигнала при одновременном снижении уровня фазовых шумов. Для получения радиочастотного сигнала получают сигнал частотой Fсинхр, тактируют этим сигналом первую микросхему прямого цифрового синтеза для получения опорного сигнала частотой Fdds1=α1Fсинхр. Сравнивают фазу и частоту опорного и синхронизируемого сигнала для выработки аналогового напряжения, пропорционального фазовому и/или частотному рассогласованию, фильтруют полученное напряжение по низкой частоте и подают это напряжение на генератор, управляемый напряжением, для получения на его выходе сигнала частотой Fвых. Ответвляют часть полученного сигнала в контур отрицательной обратной связи для его частотного преобразования с последующей подачей преобразованного сигнала на фазочастотный детектор в качестве синхронизируемого. Частотное преобразование осуществляют при помощи второй микросхемы прямого цифрового синтеза, тактируя ее сигналом частотой Fвых-DFсинхр, получаемым путем смешивания сигналов с частотами Fвых и DFсинхр с дальнейшим выделением разностной составляющей, для получения на ее выходе сигнала частотой Fdds2=α2(Fвых-DFсинхр), где D - коэффициент деления частоты для тактирования первой микросхемы прямого цифрового синтеза. При этом коэффициенты α1 и α2 выбирают, исходя из условия непопадания их в предварительно определенные «запрещенные» области значений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх