Патент на изобретение №2237972

(54) СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для формирования частоты гетеродина в радиоприемных устройствах. Достигаемый технический результат – повышение быстродействия получения дискретных отсчетов формируемых гармонических колебаний, за счет чего увеличивается максимальное значение синтезируемой частоты. Синтезатор частоты содержит тактовый генератор, фильтр нижних частот, N линеек триггеров, N табличных умножителей по модулю, N управляемых фазовращателей, генератор гармонического сигнала, фазовый детектор и устройство выборки и хранения. 2 ил.

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для формирования частоты гетеродина в радиоприемных устройствах.

Известно устройство [1], содержащее четыре генератора кодов, мультиплексор, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и фильтр нижних частот (ФНЧ). Недостаток устройства – низкое значение максимальной частоты формируемых колебаний.

Известно также устройство [2], содержащее входной регистр данных и контроля, фазовый аккумулятор, регистр управления фазой, сумматор, постоянное запоминающее устройство и ЦАП. Недостаток устройства – низкое значение максимальной частоты формируемых колебаний.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство [3], содержащее тактовый генератор, накапливающий сумматор, постоянное запоминающее устройство, ЦАП и ФНЧ.

Недостаток прототипа – низкое значение максимальной частоты формируемых колебаний вследствие ограниченного быстродействия входящих в его состав функциональных элементов.

Цель, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в увеличение диапазона частот формируемых гармонических колебаний.

Технический результат выражается в повышении быстродействия получения дискретных отсчетов формируемых гармонических колебаний, за счет чего увеличивается максимальное значение синтезируемой частоты.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее тактовый генератор и фильтр нижних частот (ФНЧ), выход которого является выходом устройства, согласно изобретению введены N линеек триггеров, N табличных умножителей по модулю, N управляемых фазовращателей, генератор гармонического сигнала, фазовый детектор и устройство выборки и хранения, причем i-ая линейка триггеров содержит m_i триггеров m₁, m₂,… , m_N – взаимно простые целые положительные числа), в которой выход j-го триггера соединен со входом (j+1)-го триггера, а выход m_i-го триггера – со входом первого (j=1) триггера, при этом тактовые входы всех триггеров подключены к выходу тактового генератора, выход k-го триггера i-й линейки триггеров соединен с (k-1)-м разрядом унитарного кода первого операнда i-го табличного умножителя по модулю, к соответствующим разрядам второго операнда которого подключен унитарный код остатка по модулю m_i значения частоты синтезатора, выход i-го табличного умножителя по модулю соединен с первым входом i-го управляемого фазовращателя, причем второй вход первого (i=1) управляемого фазовращателя подключен к выходу генератора гармонического сигнала, выход l-го управляемого фазовращателя соединен со вторым входом (l+1)-го управляемого фазовращателя, а выход N-го управляемого фазовращателя подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора гармонического сигнала, а выход фазового детектора – с первым входом устройства выборки и хранения, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход устройства выборки и хранения подключен ко входу ФНЧ.

Устройство отличается от прототипа новыми элементами: линейкой триггеров, табличными вычислителями, управляемыми фазовращателями, генератором гармонического сигнала и устройством выборки и хранения с соответствующими связями.

Таким образом, изобретение соответствует критерию “новизна”.

Сущность изобретения заключается в преобразовании цифрового кода числа А в аналоговый гармонический сигнал с частотой

где F_T – частота тактового генератора; М – фиксированное целое положительное число, на основе применения свойства периодичности гармонической функции, аналогичного свойству арифметических операций по модулю в кольце целых чисел.

В заявленном устройстве формирование гармонического колебания X(t)=Ucos(2 f_выхt) осуществляется путем получения его отсчетов в моменты времени t= t k, кратные тактовой частоте F_T=1/ t, и выделения с помощью ФНЧ первой гармонической последовательности этих отсчетов.

С учетом (1), дискретные отсчеты гармонического колебания с амплитудой U описываются выражением:

где

Так как косинус – функция периодическая, то

Следовательно k можно формировать в пределах периода

Произвольное целое неотрицательное число А может быть представлено в коде системы остаточных классов [4]. Система остаточных классов (СОК) относится к числу непозиционных систем счисления, в которой целое число А в диапазоне однозначно кодируется своими остатками а_i по основаниям m_i:

где [ ] – целая часть числа; m₁, m₂,… , m_N – совокупность взаимно простых целых положительных чисел, называемых основаниями СОК; N – число оснований.

Пусть в выражениях (1) и (2)

Код числа (3) из СОК может быть преобразован в позиционную систему счисления на основании китайской теоремы об остатках [4]:

где _i – константа, определяемая из решения сравнения: (M_{i i})modm_i 1; M_i=M/m_i.

Код в СОК результата произведения С чисел А и k определяется путем вычисления отдельных произведений остатков по каждому основанию [4]:

где c_i[k]=( _{i i})modm_i; _i=(k)modm_i; Представим (2) в виде

Дискретный отсчет, прямо пропорциональный величине может быть сформирован в когерентном модулярном сумматоре [5], включающем в свой состав генератор гармонического сигнала (ГТС), N последовательно соединенных управляемых фазовращателей (УФ₁-УФ_N), фазовый детектор (ФД), при этом вход первого управляемого фазовращателя (УФ₁) подключен к выходу ГГС, а выход последнего (УФ_N) – к первому входу ФД, ко второму входу которого подключен выход ГГС.

Если в управляемых фазовращателях УФ_i установить сдвиги фазы равные то суммарный набег фаз на выходе УФ_N в соответствии с (4) будет равен

а напряжение на выходе ФД будет прямо пропорционально

Время формирования напряжения, прямо пропорционального будет определяться частотой ГГС. При использовании ГГС миллиметрового диапазона длин волн с периодом частоты T 10^-11С, указанное время будет равно сумме времени задержки в N управляемых фазовращателях ( N T=N 10^-11C) и длительности переходного процесса в ФД( (5-10)T=(5-10)10^-11C), то есть менее 1 нс.

Таким образом, для формирования по формуле (2) k-го дискретного отсчета гармонического колебания с частотой f_вых(1), необходимо в соответствии с текущим значением кода числа k в СОК (k=( ₁,… , _N)) рассчитать остатки c_i[k]=( _{i i})modm_i произведения кода частоты А на номер отсчета k, установить сдвиги фазы в УФ_i (i=1,N), равные и получить из гармонического колебания с выхода ГГС напряжение в ФД, прямо пропорциональное

Суммарное время выполнения указанных процедур будет равно:

где t_k – время формирования в коде СОК текущего значения номера отсчета k, t_умн. – время умножения двух чисел в СОК; Т – период частоты ГГС.

Пусть остаток числа k по основанию представлен унитарным кодом. В данном коде применяются m_i, шин данных, причем, если _i=0, то на шине нулевого разряда будет логическая “1”, а на остальных “0”, если _i=1, на шине первого разряда – “1”, а на остальных – “0” и т.д.

При формировании гармонического колебания в заявляемом устройстве последовательно получают дискретные отсчеты X( t k) (2) для k=0, 1, 2, 3,… , M-1. Последовательность чисел k в коде СОК будет циклически повторяться по каждому основанию m_i.

Например, для m₁=2 и m₂=3 (М=m₁m₂=6) получим коды СОК:

k=0₁₀=(0,0); k=l₁₀=(1,1); k=2₁₀=(0,2); k=3₁₀=(1,0); k=4₁₀=(0,1); k=5₁₀=(1,2); k=6₁₀=(0,0).

Видно, что для данной совокупности оснований m_i период повторения равен m₁m₂=6, и при увеличении k на 1, остатки по каждому основанию СОК возрастают до значения m_i-1, а затем возвращаются в нуль, то есть сформировать возрастающую на 1 последовательность можно с помощью последовательно соединенных двоичных триггеров, тактируемых синхронно, при этом выход последнего триггера в линейке должен быть соединен со входом первого триггера (замкнут в кольцо).

При включении схемы в первый триггер линейки по каждому основанию m_i должна записываться логическая “1”, а в остальные – “0”. С приходом тактирующих импульсов от тактового генератора логическая “1” будет продвигаться по кольцу триггеров, тем самым имитируя возрастание на единицу кода числа k в СОК. Отсюда следует, что время t_k в (8) будет равно максимально возможной частоте переключения триггеров (более 400 МГц [3]), то есть t_k 2-2,5 нс.

Как уже отмечалось, умножение чисел А и k в СОК производится отдельно по каждому основанию, то есть параллельно.

Если остаток числа А- _i и остаток числа k- _i, по основанию m_i представлены унитарными кодами, то умножитель этих чисел по данному основанию может быть выполнен в виде матрицы из ²_i двухвходовых элементов “И” [6], а сигнал при получении результата умножения будет распространяться через два логических элемента. Отсюда следует, что t_умн в (8) будет равно удвоенному времени задержки t_ЛЭ в логическом элементе: t_умн=2 t_ЛЭ=1 нс (t_ЛЭ 0,5 нс [3]).

Таким образом, в предлагаемом устройстве время получения дискретного отсчета гармонического колебания на его выходе будет равно

t =2 нс+1нс+N T+10 T.

Например, при N=6 и Т=10^-11 с=0,01 нс, t 3,16 нс. Следовательно, отсчеты могут формироваться с тактовой частотой F_T 1/t 300 МГц.

Для восстановления гармонического колебания по дискретным отсчетам необходимо иметь не менее двух отсчетов на его периоде. Таким образом, максимальное значение синтезируемой частоты в предлагаемом устройстве может достигать 150 МГц.

В прототипе время получения дискретного отсчета гармонического колебания будет складываться из времени сложения двух чисел в позиционном коде в накапливающем сумматоре (t_НС) времени выборки числа из постоянного запоминающего устройства (t_ПЗУ) и времени преобразования числа в напряжение в ЦАП (t_ЦАП). По данным [3]: t_ЦАП 10-20 нс; t_ПЗУ 20 нс; t_НС 10 нс.

Отсюда, суммарное время формирования отсчета в прототипе: t_ПР 10+20+10 40 нс, а максимальная синтезируемая частота f_max F_T/2=(l/40)/2=12,5 МГц, что почти в 10 раз меньше, чем в предлагаемом устройстве.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На фиг.1 представлена структурная схема синтезатора частоты;

На фиг.2 представлена структурная схема линейки триггеров где 10.1-10.m_i – двоичные триггеры.

На фиг.1 представлена структурная схема синтезатора частоты, где 1 – тактовый генератор, 2.1-2.N – линейки триггеров, 3.1-3.N -табличные умножители по модулю, 4 – генератор гармонического сигнала, 5.1-5.N – управляемые фазовращатели, 6 – фазовый детектор, 7 – устройство выборки и хранения, 8 – фильтр нижних частот, 9 – выход устройства.

Выход тактового генератора 1 (фиг.1) соединен с тактовыми входами линеек триггеров 2.1.-2.N и входом 2 устройства выборки и хранения 7, выходы линеек триггеров 2.1.-2.N подключены ко входам 1 (входам первого операнда) соответствующих табличных умножителей по модулю 3.1-3.N, входы 2 (входы второго операнда) которых соединены с унитарными кодами остатков значения частоты синтезатора, выход генератора гармоничного сигнала 4 соединен со входом 2 управляемого фазовращателя 5.1, выход УФ 5.i i=(1,N-1) – со входом 2 УФ 5.(i+1), выход УФ 5.N – подключен ко входу 1 фазового детектора 6, причем ко входам 1 УФ 5.1.-5.N подключены выходы соответствующих табличных умножителей 3.1.-3.N, а ко входу 2 фазового детектора 6 – выход генератора гармонического сигнала 4, при этом выход фазового детектора 6 соединен со входом 1 устройства выборки и хранения 7, выход которого подключен ко входу ФНЧ 8, а выход ФНЧ является выходом 9 устройства.

Рассмотрим работу устройства.

При включении синтезатора частоты в триггеры 10.1 линии триггеров записывается логическая “1”, а в остальные триггеры – “0”. Это соответствует числу k=0 в коде СОК.

На вторые входы табличных умножителей по модулю (входы второго операнда) поступает унитарный код остатка номинала синтезируемой частоты по модулю Данный код остатка формируется с учетом значений разрядов позиционного представления значения номинала синтезируемой частоты [4, с.34]: где _p – значения р-го разряда позиционного кода; q_p – вес р-то разряда n-разрядного позиционного кода, по следующей формуле:

В табличных умножителях по модулю осуществляется умножение кодов остатков _i на остатки значения номинала синтезируемой частоты _i по модулю m_i. В соответствии со значением результатов умножения c_i[k] в управляемых фазовращателях устанавливаются сдвиги фазы После прохождения гармонического сигнала с выхода генератора гармонического сигнала 4 через управляемые фазовращатели на выходе фазовращателя 5.N будет набег фазы, равный В результате обработки сигнала с этим набегом фазы с опорным сигналом с выхода генератора 4 в фазовом детектора 6, на его выходе образуется напряжение, прямо пропорциональное Уровень, равный этому напряжению, с приходом следующего тактирующего сигнала с выхода тактового генератора 1 запоминается в устройстве выборки и хранения 7. Примеры практической реализации устройства выборки и хранения приведены в [3]. Этим же тактирующим сигналом логическая “1” продвигается в триггер 10.2 линеек триггеров тем самым число k в коде СОК увеличивается на 1, и процесс формирования дискретных отсчетов синтезируемого гармонического колебания повторяется аналогично изложенному выше.

Последовательность дискретных отсчетов с выхода устройства выборки и хранения 7 поступает на вход ФНЧ 8, в котором выделяется первая гармоника, частота которой равна f_вых (1). И, наконец, сформированное из последовательных дискретных отсчетов гармоническое колебание поступает на выход 9 синтезатора.

Пример: Пусть m₁=2; m₂=3 и m₃=5; А=3; F_T=300 МГц.Получаем

M=m₁ m₂ m₃=30; f_вых=F_T A/M=30 МГц;

a₁=(A)modm₁=1; a₂=0; a₃=3;

₁=1; ₂=1; ₃=1.

При включении синтезатора частоты в линейках триггеров 2.1-2.3 записывается номер отсчета k=0₁₀ в унитарном коде СОК k=(0,0,0). Остатки числа k по основаниям m₁, m₂ и m₃ умножаются на соответствующие остатки ₁, ₂ и ₃ в умножителях 3.1-3.3. Получаем число в коде СОК С[0]=(0 0, 0). В управляемых фазовращателях 5.1-5.3 устанавливаются сдвиги фазы ₁=0; ₂=0 и ₃=0. Соответственно на выходе ФД 6 будет напряжение, прямо пропорциональное X( t 0)=cos(0)=1, которое с приходом следующего тактирующего сигнала записывается в устройстве выборки и хранения 7. Этим же тактирующим сигналом данные в линейках триггеров 2.1-2.3 продвигаются на один такт, что соответствует номеру отсчета k=1₁₀=(1, 1, 1). Это число перемножается по соответствующим основаниям в умножителях 3.1-3.3 с остатками числа А=(1, 0, 3). Получаем: С[1]=(1, 0, 3). В УФ 5.1-5.3 устанавливаются сдвиги фазы ₂=0; Суммарный набег фазы будет равен . Соответственно с приходом следующего тактирующего сигнала с выхода тактового генератора 1 в устройство выборки и хранения запишется напряжение, прямо пропорциональное Процесс формирования отсчетов будет продолжаться до k=29, а затем повторяться вновь с k=0. Из этой последовательности дискретных отсчетов в ФНЧ 8 формируется гармоническое колебание с частотой f_вых=30 МГц.

Данное устройство возможно реализовать на следующих элементах:

Табличный вычислитель и тактовый генератор на полупроводниковых логических элементах, генератор гармонических сигналов на СВЧ-транзисторах, управляемые фазовращатели на PIN-диодах.

Положительный эффект заключается в том, что предложенный синтезатор частоты, в силу своих возможностей, имеет высокое быстродействие и значительно расширенный диапазон рабочих частот.

Источники информации

3. Цифровые радиоприемные системы: Справочник/М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсянников и др. / Под ред. М.И. Жодзишского. – М.: Радио и связь, 1990. – 208 с.

4. Акушский И.Я., Юдицкий Д.И. Машинная арифметика в остаточных классах. – М.: Сов. радио, 1968. – 440 с.

6. Долгов А.И. Диагностика устройств, функционирующих в системе остаточных классов. – М.: Радио и связь, 1982 – 64 с.

Формула изобретения

Синтезатор частоты, содержащий тактовый генератор и фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что введены N линеек триггеров, N табличных умножителей по модулю, N управляемых фазовращателей, генератор гармонического сигнала, фазовый детектор и устройство выборки и хранения, причем i-я линейка триггеров содержит m_i триггеров, где m₁, m₂,…, m_N – взаимно простые целые положительные числа, при этом в i-й линейке триггеров выход j-го триггера, где соединен с входом (j+1)-го триггера, а выход m_i-го триггера – с входом первого триггера, причем тактовые входы всех триггеров подключены к выходу тактового генератора, выход k-го триггера, где i-й линейки триггеров соединен с (k-1)-м разрядом унитарного кода первого операнда i-го табличного умножителя по модулю, к соответствующим разрядам второго операнда которого подключен унитарный код остатка по модулю m_i значения частоты синтезатора, выход i-го табличного умножителя по модулю соединен с первым входом i-го управляемого фазовращателя, причем второй вход первого управляемого фазовращателя подключен к выходу генератора гармонического сигнала, выход l-го управляемого фазовращателя, где соединен со вторым входом (l+1)-го управляемого фазовращателя, а выход N-го управляемого фазовращателя подключен к первому входу фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора гармонического сигнала, а выход фазового детектора – с первым входом устройства выборки и хранения, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, а выход устройства выборки и хранения подключен к входу фильтра нижних частот.

РИСУНКИ