Генератор переменной частоты ( VFO ) в электронике — это генератор , частота которого может настраиваться (т. е. изменяться) в некотором диапазоне. [1] Это необходимый компонент в любом настраиваемом радиопередатчике и в приемниках, работающих по супергетеродинному принципу. Генератор управляет частотой , на которую настроен аппарат.
В простом супергетеродинном приемнике входящий радиочастотный сигнал (на частоте ) с антенны смешивается с выходным сигналом VFO, настроенным на , создавая сигнал промежуточной частоты (ПЧ), который может быть обработан ниже по потоку для извлечения модулированной информации. В зависимости от конструкции приемника частота сигнала ПЧ выбирается либо как сумма двух частот на входах смесителя ( преобразование вверх ), либо, что более распространено, как разностная частота (преобразование вниз), .
В дополнение к желаемому сигналу ПЧ и его нежелательному изображению (продукт смешивания противоположного знака выше), выход микшера также будет содержать две исходные частоты и различные гармонические комбинации входных сигналов. Эти нежелательные сигналы отклоняются фильтром ПЧ . Если используется двойной балансный микшер, входные сигналы, появляющиеся на выходах микшера, значительно ослабляются, что снижает требуемую сложность фильтра ПЧ.
Преимущество использования VFO в качестве гетеродинного генератора заключается в том, что только небольшая часть радиоприемника (секции перед смесителем, такие как предусилитель) должны иметь широкую полосу пропускания. Остальная часть приемника может быть точно настроена 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 с использованием фильтров нижних частот и усилителей .
В радиочастотном (РЧ) передатчике VFO часто используются для настройки частоты выходного сигнала, часто косвенно, через процесс гетеродинирования , аналогичный описанному выше. [1] Другие области применения включают генераторы ЛЧМ для радиолокационных систем, где VFO быстро прокручивается через диапазон частот, [3] генерацию тактового сигнала для осциллографов и рефлектометров временной области , а также аудиогенераторы переменной частоты, используемые в музыкальных инструментах и аудиоиспытательном оборудовании.
Используются два основных типа VFO: аналоговые и цифровые .
Аналоговый VFO — это электронный генератор , в котором значение по крайней мере одного из пассивных компонентов регулируется под контролем пользователя, чтобы изменять его выходную частоту. Пассивный компонент, значение которого регулируется, обычно является конденсатором , но может быть и переменной индуктивностью .
Переменный конденсатор — это механическое устройство, в котором разделение ряда чередующихся металлических пластин физически изменяется для изменения его емкости . Регулировка этого конденсатора иногда облегчается с помощью механического понижающего редуктора для достижения точной настройки. [2]
Полупроводниковый диод с обратным смещением проявляет емкость. Поскольку ширина его непроводящей обедненной области зависит от величины обратного напряжения смещения, это напряжение можно использовать для управления емкостью перехода. Напряжение смещения варактора может быть создано несколькими способами, и в окончательной конструкции может не потребоваться значительных движущихся частей. [4] Варактор имеет ряд недостатков, включая температурный дрейф и старение, электронный шум, низкий коэффициент добротности и нелинейность.
Современные радиоприемники и передатчики обычно используют некоторую форму цифрового синтеза частот для генерации сигнала VFO. Преимущества включают в себя меньшие размеры конструкции, отсутствие движущихся частей, более высокую стабильность генераторов опорной частоты и простоту, с которой предустановленные частоты могут быть сохранены и обработаны в цифровом компьютере , который обычно встроен в конструкцию в любом случае.
Также возможно, что радио станет чрезвычайно частотно-гибким , поскольку управляющий компьютер может изменять настроенную частоту радио много десятков, тысяч или даже миллионов раз в секунду. Эта возможность позволяет приемникам связи эффективно контролировать множество каналов одновременно, возможно, используя методы цифрового избирательного вызова ( DSC ), чтобы решить, когда открывать канал аудиовыхода и оповещать пользователей о входящих сообщениях. Предварительно запрограммированная частотная гибкость также составляет основу некоторых военных методов шифрования радио и скрытности. Чрезвычайная частотная гибкость лежит в основе методов расширенного спектра , которые получили широкое распространение в компьютерных беспроводных сетях, таких как Wi-Fi .
Цифровой синтез имеет недостатки, такие как неспособность цифрового синтезатора плавно настраиваться на все частоты, но с учетом разделения многих радиодиапазонов на каналы это можно рассматривать и как преимущество, поскольку оно не позволяет радиостанциям работать между двумя распознанными каналами.
Цифровой синтез частоты опирается на стабильные источники опорной частоты с кристаллическим управлением . Генераторы с кристаллическим управлением более стабильны, чем генераторы с индуктивным и емкостным управлением. Их недостаток в том, что изменение частоты (больше, чем на небольшую величину) требует замены кристалла, но методы синтезатора частоты сделали это ненужным в современных конструкциях.
Применяемые при этом электронные и цифровые технологии включают в себя:
Показатели качества для VFO включают стабильность частоты, фазовый шум и спектральную чистоту. Все эти факторы, как правило, обратно пропорциональны коэффициенту добротности настраиваемой схемы . Поскольку диапазон настройки, как правило, также обратно пропорционален Q, эти факторы производительности, как правило, ухудшаются по мере увеличения частотного диапазона VFO. [5]
Стабильность — это мера того, насколько выходная частота VFO дрейфует со временем и температурой. [5] Чтобы смягчить эту проблему, VFO обычно «синхронизированы по фазе» со стабильным опорным генератором. ФАПЧ используют отрицательную обратную связь для коррекции дрейфа частоты VFO, что позволяет обеспечить как широкий диапазон настройки, так и хорошую стабильность частоты. [6]
В идеале, для одного и того же управляющего входа VFO, генератор должен генерировать точно такую же частоту. Изменение калибровки VFO может изменить калибровку настройки приемника; может потребоваться периодическая перенастройка приемника. VFO, используемые как часть синтезатора частоты с фазовой автоподстройкой частоты, имеют менее строгие требования, поскольку система так же стабильна, как и опорная частота, контролируемая кристаллом.
График амплитуды VFO в зависимости от частоты может показывать несколько пиков, вероятно, гармонически связанных. Каждый из этих пиков может потенциально смешиваться с каким-либо другим входящим сигналом и производить ложный ответ. Эти spurii (иногда пишутся как spuriae ) могут привести к увеличению шума или обнаружению двух сигналов там, где должен быть только один. [1] Дополнительные компоненты могут быть добавлены к VFO для подавления высокочастотных паразитных колебаний, если таковые присутствуют.
В передатчике эти ложные сигналы генерируются вместе с одним желаемым сигналом. Фильтрация может потребоваться для обеспечения соответствия передаваемого сигнала нормам полосы пропускания и ложных излучений.
При исследовании с помощью очень чувствительного оборудования чистый синусоидальный пик на графике частоты VFO, скорее всего, не окажется на плоском уровне шума . Небольшие случайные « дрожания » во времени сигнала будут означать, что пик находится на «подошве» фазового шума на частотах по обе стороны от желаемой.
Они также доставляют неприятности в переполненных диапазонах. Они пропускают нежелательные сигналы, которые довольно близки к ожидаемому, но из-за случайного качества этих фазовых шумовых «юбок» сигналы обычно неразборчивы, проявляясь просто как дополнительный шум в принимаемом сигнале. Эффект заключается в том, что то, что должно быть чистым сигналом в переполненном диапазоне, может казаться очень шумным сигналом из-за эффектов сильных сигналов поблизости.
Эффект фазового шума VFO на передатчике заключается в том, что случайный шум фактически передается по обе стороны от требуемого сигнала. Опять же, этого следует избегать по юридическим причинам во многих случаях.
Цифровые или цифрово-управляемые генераторы обычно полагаются на постоянные одночастотные опоры, которые могут быть сделаны на более высоком стандарте, чем альтернативы на основе полупроводников и LC-цепей . Чаще всего используется кварцевый генератор, хотя в высокоточных приложениях, таких как сотовые сети TDMA , атомные часы , такие как стандарт Rubidium, также распространены с 2018 года.
Из-за стабильности используемого опорного сигнала сами цифровые генераторы, как правило, более стабильны и более повторяемы в долгосрочной перспективе. Это частично объясняет их огромную популярность в недорогих и управляемых компьютером VFO. В краткосрочной перспективе несовершенства, вносимые цифровым делением и умножением частот ( джиттер ), и восприимчивость обычного кварцевого стандарта к акустическим ударам, изменению температуры, старению и даже радиации ограничивают применимость наивного цифрового генератора.
Вот почему VFO более высокого класса, такие как радиочастотные передатчики, привязанные к атомному времени , имеют тенденцию объединять несколько различных опорных сигналов, причем сложными способами. Некоторые опорные сигналы, такие как рубидиевые или цезиевые часы , обеспечивают более высокую долгосрочную стабильность, в то время как другие, такие как водородные мазеры, дают более низкий краткосрочный фазовый шум. Затем генераторы с более низкой частотой (и, следовательно, более низкой стоимостью), синхронизированные по фазе с цифровой версией главного тактового генератора, выдают конечный выходной сигнал VFO, сглаживая шум, вызванный алгоритмами деления. Такая компоновка может затем дать всю долгосрочную стабильность и повторяемость точного опорного сигнала, преимущества точного цифрового выбора частоты и краткосрочную стабильность, приданную даже аналоговому сигналу произвольной частоты — лучшее из всех миров.
