Генератор переменной частоты ( VFO ) в электронике - это генератор , частота которого может быть настроена (т.е. изменена) в некотором диапазоне. [1] Это необходимый компонент любого настраиваемого радиопередатчика или приемника, который работает по принципу супергетеродина и контролирует частоту, на которую настроено устройство.
Цель [ править ]
В простом супергетеродинном приемнике , входящий сигнал радиочастоты (на частоте ) от антенны будет смешиваться с выходными сигналом , настроенный на VFO , производя промежуточную частоту сигнала (ПЧ) , которые могут быть обработаны ниже по потоку для извлечения модулированной информации. В зависимости от конструкции приемника, то ПЧ сигнала выбирается так, чтобы быть как сумма двух частот на входах смесителя ( до преобразования ), или чаще, разность частот (преобразование с понижением частоты), .
В дополнение к желаемой ПЧ сигнала и его нежелательные изображения (смешивание продукта противоположного знака выше), выходной смеситель также будет содержать два исходных частот, а также 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. Остальную часть приемника можно точно настроить на частоту ПЧ. [2]
В приемнике прямого преобразования VFO настроен на ту же частоту, что и входящая радиочастота и Гц. Демодуляция происходит в основной полосе частот с использованием фильтров нижних частот и усилителей .
В радиочастотном (RF) передатчике VFO часто используются для настройки частоты выходного сигнала, часто косвенно через процесс гетеродинирования, аналогичный описанному выше. [1] Другие применения включают генераторы ЛЧМ- сигнала для радарных систем, в которых VFO быстро проходит через диапазон частот, [3] генерацию сигналов синхронизации для осциллографов и рефлектометров во временной области , а также генераторы звука с переменной частотой, используемые в музыкальных инструментах и оборудовании для тестирования звука.
Типы [ править ]
Используются два основных типа VFO: аналоговый и цифровой .
Аналоговые VFO [ править ]
Аналоговый VFO - это электронный генератор, в котором значение по крайней мере одного из пассивных компонентов регулируется под управлением пользователя, чтобы изменить его выходную частоту. Пассивный компонент, значение которого регулируется, обычно представляет собой конденсатор , но может быть и переменной индуктивностью .
Конденсатор настройки [ править ]
Конденсатор переменной емкости - это 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 [ править ]
Полупроводниковый диод с обратным смещением демонстрирует емкость. Поскольку ширина его непроводящей обедненной области зависит от величины напряжения обратного смещения, это напряжение можно использовать для управления емкостью перехода. Напряжение смещения варактора может быть создано несколькими способами, и в окончательной конструкции может потребоваться отсутствие значительных движущихся частей. [4] Варакторы имеют ряд недостатков, включая температурный дрейф и старение, электронный шум, низкую добротность и нелинейность.
Цифровые VFO [ править ]
Современные радиоприемники и передатчики обычно используют некоторую форму цифрового синтеза частот для генерации сигнала VFO. К преимуществам относятся меньшие размеры конструкции, отсутствие движущихся частей, более высокая стабильность заданных частот опорных генераторов и легкость, с которой заданные частоты могут быть сохранены и обработаны в цифровом компьютере, который обычно в любом случае встроен в конструкцию.
Также возможно, что радио станет чрезвычайно гибким по частоте , так как управляющий компьютер может изменять настроенную частоту радио много десятков, тысяч или даже миллионов раз в секунду. Эта возможность позволяет приемникам связи эффективно контролировать сразу несколько каналов, возможно, используя методы цифрового избирательного вызова ( DSC ), чтобы решить, когда открыть канал аудиовыхода и предупредить пользователей о входящих сообщениях. Предварительно запрограммированная перестройка частоты также лежит в основе некоторых военных методов шифрования и скрытности радиосвязи. Чрезвычайная частотная гибкость 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 все частоты, но с разделением каналов многих радиодиапазонов это также можно рассматривать как преимущество, поскольку оно не позволяет радиостанциям работать между двумя распознаваемыми каналами. .
Цифровой синтез частоты основан на стабильных источниках опорной частоты с кварцевым управлением . Генераторы с кварцевым управлением более стабильны, чем генераторы с индуктивным и емкостным управлением. Их недостаток состоит в том, что изменение частоты (более чем небольшое) требует замены кристалла, но технологии синтезатора частот сделали это ненужным в современных конструкциях.
Цифровой синтез частоты [ править ]
Электронные и цифровые методы, используемые при этом, включают:
- Прямой цифровой синтез (DDS)
- Достаточное количество точек данных для математической синусоидальной функции хранится в цифровой памяти. Они вызываются с нужной скоростью и подаются на цифро-аналоговый преобразователь, где создается необходимая синусоида.
- Прямой синтез частоты
- Ранние радиоканалы связи имели несколько кристаллов - по одному на каждый канал, на котором они могли работать. Через некоторое время это мышление в сочетании с основными идеями гетеродинирования и смешивания описано в цели выше. Несколько кристаллов можно смешивать в различных комбинациях для получения различных выходных частот.
- Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ)
- Используя генератор, управляемый варактором или напряжением (ГУН) (описанный выше в варакторе в рамках аналоговых методов VFO ) и фазовый детектор, можно настроить контур управления так, чтобы выходной сигнал ГУН был синхронизирован по частоте с кварцевым регулятором. опорный генератор. Фазовый детектор сравнивает выходные сигналы двух генераторов после деления частоты на разные делители. Затем, изменяя делители деления частоты под управлением компьютера, можно сгенерировать множество фактических (неделимых) выходных частот ГУН. Технология PLL сегодня доминирует в большинстве конструкций радио VFO.
Производительность [ править ]
Метрики качества для VFO включают стабильность частоты, фазовый шум и спектральную чистоту. Все эти факторы обычно обратно пропорциональны добротности схемы настройки . Поскольку в целом диапазон настройки также обратно пропорционален Q, эти рабочие характеристики обычно ухудшаются по мере увеличения частотного диапазона VFO. [5]
Стабильность [ править ]
Стабильность - это мера того, насколько дрейф выходной частоты VFO зависит от времени и температуры. [5] Чтобы смягчить эту проблему, VFO обычно «синхронизируются по фазе» со стабильным опорным генератором. ФАПЧ используют отрицательную обратную связь для коррекции дрейфа частоты VFO, обеспечивая как широкий диапазон настройки, так и хорошую стабильность частоты. [6]
Повторяемость [ править ]
В идеале, для одного и того же управляющего входа в VFO генератор должен генерировать точно такую же частоту. Изменение калибровки VFO может изменить калибровку настройки приемника; может потребоваться периодическая повторная юстировка приемника. VFO, используемые как часть синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой частоты, предъявляют менее строгие требования, поскольку система так же стабильна, как и опорная частота, управляемая кристаллом.
Чистота [ править ]
График зависимости амплитуды VFO от частоты может показать 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 приводить к увеличению шума или обнаружению двух сигналов вместо одного. [1] Дополнительные компоненты могут быть добавлены к VFO для подавления высокочастотных паразитных колебаний, если они присутствуют.
В передатчике эти паразитные сигналы генерируются вместе с одним полезным сигналом. Может потребоваться фильтрация, чтобы гарантировать, что передаваемый сигнал соответствует нормам по ширине полосы и побочным излучениям.
Фазовый шум [ править ]
При исследовании с помощью очень чувствительного оборудования пик чистой синусоидальной волны на графике частот VFO, скорее всего, окажется, что он не находится на ровном минимальном уровне шума . Незначительные случайные « дрожания » во времени сигнала будут означать, что пик находится на «краях» фазового шума на частотах по обе стороны от желаемого.
Это также неприятно в переполненных группах. Они пропускают нежелательные сигналы, которые довольно близки к ожидаемому, но из-за случайного качества этих «юбок» фазового шума сигналы обычно неразборчивы, проявляясь в принятом сигнале как дополнительный шум. Эффект состоит в том, что то, что должно быть чистым сигналом в переполненном диапазоне, может показаться очень зашумленным 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.
Ссылка на частоту [ править ]
Генераторы с цифровым или цифровым управлением обычно полагаются на постоянные одиночные опорные частоты, которые могут быть выполнены в соответствии с более высокими стандартами, чем альтернативы на основе полупроводников и LC-схем . Чаще всего используется генератор на основе кварцевого кристалла, хотя в приложениях с высокой точностью, таких как сотовые сети TDMA , с 2018 года также распространены атомные часы, такие как стандарт Rubidium.
Из-за стабильности используемого опорного сигнала сами цифровые генераторы имеют тенденцию быть более стабильными и более воспроизводимыми в долгосрочной перспективе. Это частично объясняет их огромную популярность в недорогих VFO с компьютерным управлением. В краткосрочной перспективе несовершенства, вызванные цифровым делением и умножением частоты ( джиттер ), а также восприимчивость общего кварцевого стандарта к акустическим ударам, колебаниям температуры, старению и даже излучению ограничивают применимость простого цифрового генератора.
Поэтому выше конец ГПД как ВЧ передатчиков заблокированы атомное время , как правило, объединять несколько различных ссылок, а также в сложных отношениях. Некоторые образцы, такие как рубидиевые или цезиевые часы, обеспечивают более высокую долгосрочную стабильность, а другие - водородные мазеры.дают более низкий кратковременный фазовый шум. Затем генераторы с более низкой частотой (и, следовательно, более дешевыми) с синхронизацией по фазе с цифровой версией главных часов выдают конечный выходной сигнал VFO, сглаживая шум, вызванный алгоритмами деления. Такое расположение может обеспечить долгосрочную стабильность и воспроизводимость точного эталона, преимущества точного цифрового выбора частоты и краткосрочную стабильность, приданную даже аналоговому сигналу произвольной частоты - лучшее из всех миров.
См. Также [ править ]
- Генератор с числовым программным управлением
- Резонанс
- Тюнер (радио)
Ссылки [ править ]
- ^ a b c Ларри Д. Вольфганг, изд. (1991). Справочник ARRL для радиолюбителей, шестьдесят восьмое издание . Ньюингтон, Коннектикут: Американская радиорелейная лига. Глава 10. ISBN 0-87259-168-9.
- ^ a b 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
- ^ a b Кларк, Кеннет К. и Хесс, Дональд Т. (1978). Цепи связи: анализ и дизайн . Сан-Франциско, Калифорния : Аддисон-Уэсли . С. 216–222. ISBN 0-201-01040-2.
- Перейти ↑ Hittite Microwave Corp (2009). «Компактные ФАПЧ объединяют ГУН» . Журнал Microwaves & RF.
