Генератор переменной частоты

Генератор переменной частоты ( VFO ) в электронике — это генератор которого , частоту можно настраивать (т. е. изменять) в некотором диапазоне. ^[1] Это необходимый компонент любого перестраиваемого радиопередатчика и приемника, работающего по принципу супергетеродина . Генератор управляет частотой , на которую настроен аппарат.

Цель

В простом супергетеродинном приемнике входящий радиочастотный сигнал (на частоте $f_{IN}$ ) от антенны смешивается на с выходным сигналом VFO, настроенным $f_{LO}$ , создавая сигнал промежуточной частоты (ПЧ), который может быть обработан в дальнейшем для извлечения модулированной информации. В зависимости от конструкции приемника частота сигнала ПЧ выбирается либо как сумма двух частот на входах смесителя ( повышающее преобразование ), $f_{IN}+f_{LO}$ или, чаще, разностная частота (понижающее преобразование), $f_{IN}-f_{LO}$ .

Помимо желаемого сигнала ПЧ и его нежелательного образа (продукта смешения противоположного знака выше), выход смесителя также будет содержать две исходные частоты: $f_{IN}$ и $f_{LO}$ и различные гармонические комбинации входных сигналов. Эти нежелательные сигналы отклоняются фильтром ПЧ . Если используется двойной балансный смеситель, входные сигналы, появляющиеся на выходах смесителя, значительно ослабляются, что снижает требуемую сложность фильтра ПЧ.

Преимущество использования VFO в качестве гетеродинирующего генератора заключается в том, что только небольшая часть радиоприемника (секции перед смесителем, такие как предусилитель) должна иметь широкую полосу пропускания. Остальная часть приемника может быть точно настроена на частоту ПЧ. ^[2]

В приемнике с прямым преобразованием VFO настраивается на ту же частоту, что и принимаемая радиочастота, и $f_{IF}=0$ Гц. Демодуляция происходит в основной полосе частот с использованием фильтров нижних частот и усилителей .

В радиочастотном (РЧ) передатчике VFO часто используются для настройки частоты выходного сигнала, часто косвенно, посредством процесса гетеродинирования, аналогичного описанному выше. ^[1] Другие области применения включают генераторы ЛЧМ-сигналов для радиолокационных систем, где VFO быстро перемещается по диапазону частот. ^[3] Генерация синхронизирующих сигналов для осциллографов и рефлектометров во временной области , а также генераторов звука переменной частоты, используемых в музыкальных инструментах и аудиотестовом оборудовании.

Типы

Существует два основных типа VFO: аналоговый и цифровой .

Аналоговые VFO

Аналоговый VFO — это электронный генератор , значение хотя бы одного из пассивных компонентов которого регулируется под контролем пользователя, чтобы изменить его выходную частоту. Пассивный компонент, значение которого можно регулировать, обычно представляет собой конденсатор , но может быть и переменным индуктором .

Настроечный конденсатор

Переменный конденсатор представляет собой механическое устройство, в котором разделение ряда чередующихся металлических пластин физически изменяется для изменения его емкости . Регулировку этого конденсатора иногда облегчает механический понижающий редуктор для достижения точной настройки. ^[2]

Варактор

с обратным смещением Полупроводниковый диод обладает емкостью. Поскольку ширина его непроводящей обедненной области зависит от величины напряжения обратного смещения, это напряжение можно использовать для управления емкостью перехода. Напряжение смещения варактора может генерироваться разными способами, и в окончательной конструкции может не потребоваться никаких значительных движущихся частей. ^[4] Варакторы имеют ряд недостатков, включая температурный дрейф и старение, электронный шум, низкую добротность и нелинейность.

Цифровые VFO

Современные радиоприемники и передатчики обычно используют ту или иную форму цифрового синтеза частот для генерации сигнала VFO. К преимуществам относятся меньшие размеры конструкции, отсутствие движущихся частей, более высокая стабильность заданных генераторов опорной частоты, а также простота, с которой заданные частоты могут храниться и управляться с помощью цифрового компьютера , который в любом случае обычно встроен в конструкцию.

Также возможно, что радио станет чрезвычайно гибким по частоте , поскольку управляющий компьютер может изменять настроенную частоту радиоприемника многие десятки, тысячи или даже миллионы раз в секунду. Эта возможность позволяет приемникам связи эффективно контролировать множество каналов одновременно, возможно, используя методы цифрового избирательного вызова ( DSC ), чтобы решить, когда открывать выходной аудиоканал и предупреждать пользователей о входящих сообщениях. Заранее запрограммированная перестройка частоты также лежит в основе некоторых методов военного радиошифрования и скрытности. Чрезвычайная гибкость частоты лежит в основе методов расширения спектра , которые получили широкое распространение в компьютерных беспроводных сетях, таких как Wi-Fi .

У цифрового синтеза есть недостатки, такие как неспособность цифрового синтезатора плавно настраиваться на всех частотах, но при распределении каналов по многим радиодиапазонам это также можно рассматривать как преимущество, поскольку оно не позволяет радиостанциям работать между двумя признанными каналами. .

Цифровой синтез частоты основан на стабильных источниках опорной частоты, управляемых кристаллом . Генераторы с кварцевым управлением более стабильны, чем генераторы с индуктивным и емкостным управлением. Их недостатком является то, что изменение частоты (более чем незначительное) требует замены кристалла, но методы синтезатора частот сделали это ненужным в современных конструкциях.

Цифровой синтез частот

Используемые при этом электронные и цифровые методы включают в себя:

Прямой цифровой синтез (DDS): достаточно точек данных для математической функции синуса В цифровой памяти хранится . Они вызываются с нужной скоростью и подаются на цифро-аналоговый преобразователь, где формируется необходимая синусоидальная волна.
Прямой синтез частот: Ранние радиоканалы связи имели несколько кристаллов — по одному на каждый канал, на котором они могли работать. Через некоторое время это мышление было объединено с основными идеями гетеродинирования и смешивания, описанными выше в разделе « Цель» . Несколько кристаллов можно смешивать в различных комбинациях для получения различных выходных частот.
Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ): Используя управляемый варактором или управляемый напряжением генератор (ГУН) (описанный выше в разделе «варактор» в разделе «аналоговые методы VFO» ) и фазовый детектор, можно настроить контур управления так, чтобы выходной сигнал ГУН был синхронизирован по частоте с кварцевым управлением. опорный генератор. Сравнение фазового детектора производится между выходами двух генераторов после деления частоты разными делителями. Затем, изменяя делитель(и) деления частоты под управлением компьютера, можно генерировать различные фактические (неделенные) выходные частоты ГУН. Сегодня метод ФАПЧ доминирует в большинстве конструкций радиоVFO.

Производительность

Показатели качества VFO включают стабильность частоты, фазовый шум и спектральную чистоту. Все эти факторы имеют тенденцию быть обратно пропорциональными схемы настройки добротности . Поскольку в целом диапазон настройки также обратно пропорционален Q, эти коэффициенты производительности обычно ухудшаются по мере увеличения частотного диапазона VFO. ^[5]

Стабильность

Стабильность – это мера того, насколько сильно дрейфует выходная частота VFO со временем и температурой. ^[5] Чтобы смягчить эту проблему, VFO обычно «синхронизируются по фазе» со стабильным опорным генератором. В системах ФАПЧ используется отрицательная обратная связь для коррекции дрейфа частоты VFO, что обеспечивает как широкий диапазон настройки, так и хорошую стабильность частоты. ^[6]

Повторяемость

В идеале для одного и того же управляющего сигнала на VFO генератор должен генерировать точно такую же частоту. Изменение калибровки VFO может изменить калибровку настройки приемника; может потребоваться периодическая повторная юстировка приемника. К VFO, используемому как часть синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой частоты, предъявляются менее строгие требования, поскольку система так же стабильна, как и опорная частота с кварцевым управлением.

Чистота

График зависимости амплитуды VFO от частоты может показывать несколько пиков, вероятно, гармонически связанных. Каждый из этих пиков потенциально может смешиваться с каким-либо другим входящим сигналом и вызывать ложный отклик. Эти спурии (иногда называемые спуриями ) могут привести к увеличению шума или обнаружению двух сигналов там, где должен быть только один. ^[1] К VFO можно добавить дополнительные компоненты для подавления высокочастотных паразитных колебаний, если они присутствуют.

В передатчике эти паразитные сигналы генерируются вместе с одним полезным сигналом. Может потребоваться фильтрация, чтобы гарантировать соответствие передаваемого сигнала требованиям по полосе пропускания и побочным излучениям.

Фазовый шум

При проверке с помощью очень чувствительного оборудования пик чистой синусоидальной волны на частотном графике VFO, скорее всего, не окажется на ровном уровне шума . Небольшие случайные « дрожания » во времени сигнала будут означать, что пик находится на «юбке» фазового шума на частотах по обе стороны от желаемой.

Это также создает проблемы в многолюдных группах. Они пропускают нежелательные сигналы, которые довольно близки к ожидаемому, но из-за случайного качества этих «юбок» фазового шума сигналы обычно неразборчивы и выглядят как дополнительный шум в принятом сигнале. В результате то, что должно быть чистым сигналом в переполненном диапазоне, может оказаться очень шумным сигналом из-за воздействия сильных сигналов поблизости.

Влияние фазового шума VFO на передатчик заключается в том, что случайный шум фактически передается по обе стороны от требуемого сигнала. Опять же, во многих случаях этого следует избегать по юридическим причинам.

Задание частоты

Цифровые генераторы или генераторы с цифровым управлением обычно полагаются на постоянные одночастотные источники опорной частоты, которые могут быть изготовлены по более высоким стандартам, чем полупроводников и LC-схем альтернативы на основе . Чаще всего используется генератор на основе кварцевого кристалла, хотя в высокоточных приложениях, таких как TDMA сотовые сети , атомные часы , такие как стандарт рубидия с 2018 года также распространены .

Из-за стабильности используемого опорного сигнала сами цифровые генераторы имеют тенденцию быть более стабильными и более повторяемыми в долгосрочной перспективе. Это частично объясняет их огромную популярность среди недорогих VFO с компьютерным управлением. В краткосрочной перспективе несовершенства, вызванные цифровым разделением и умножением частоты ( джиттер ), а также чувствительность обычного кварцевого стандарта к акустическим ударам, изменениям температуры, старению и даже излучению ограничивают применимость простого цифрового генератора.

Вот почему VFO более высокого класса, такие как радиочастотные передатчики, привязанные к атомному времени , имеют тенденцию комбинировать множество различных опорных сигналов сложными способами. Некоторые образцы, такие как рубидиевые или цезиевые часы, обеспечивают более высокую долговременную стабильность, в то время как другие, такие как водородные мазеры, дают более низкий краткосрочный фазовый шум. Затем низкочастотные (и, следовательно, более дешевые) генераторы, синхронизированные по фазе с версией главного генератора с цифровым разделением, выдают конечный выходной сигнал VFO, сглаживая шум, вызванный алгоритмами деления. Такое расположение может затем обеспечить долговременную стабильность и повторяемость точного задания, преимущества точного цифрового выбора частоты и краткосрочную стабильность, придаваемую даже аналоговому сигналу произвольной частоты — лучшее из всех миров.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Ларри Д. Вольфганг, изд. (1991). Справочник ARRL для радиолюбителей, шестьдесят восьмое издание . Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи. Глава 10. ISBN 0-87259-168-9 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Роде, Ульрих (1988), Принципы и конструкция приемников связи , McGraw Hill, ISBN 0-07-053570-1
^ Генерация частотных ЛЧМ-сигналов для тестирования радиолокационных систем (PDF) , IFR Corp.
^ Холт, Чарльз (1978), Электронные схемы , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2
^ Перейти обратно: ^а ^б Кларк, Кеннет К. и Хесс, Дональд Т. (1978). Схемы связи: анализ и проектирование . Сан-Франциско, Калифорния : Аддисон-Уэсли . стр. 216–222. ISBN 0-201-01040-2 .
^ Hittite Microwave Corp (2009). «Компактные системы ФАПЧ объединяют ГУН» . Журнал «Микроволны и радиочастоты».

[arrlhandbook-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Ларри Д. Вольфганг, изд. (1991). Справочник ARRL для радиолюбителей, шестьдесят восьмое издание . Ньюингтон, Коннектикут: Американская лига радиорелейной связи. Глава 10. ISBN 0-87259-168-9 .

[Rohde88-2] Перейти обратно: ^а ^б Роде, Ульрих (1988), Принципы и конструкция приемников связи , McGraw Hill, ISBN 0-07-053570-1

[ifr-3] Генерация частотных ЛЧМ-сигналов для тестирования радиолокационных систем (PDF) , IFR Corp.

[Holt78-4] Холт, Чарльз (1978), Электронные схемы , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-02313-2

[clark_and_hess-5] Перейти обратно: ^а ^б Кларк, Кеннет К. и Хесс, Дональд Т. (1978). Схемы связи: анализ и проектирование . Сан-Франциско, Калифорния : Аддисон-Уэсли . стр. 216–222. ISBN 0-201-01040-2 .

[6] Hittite Microwave Corp (2009). «Компактные системы ФАПЧ объединяют ГУН» . Журнал «Микроволны и радиочастоты».

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]