Введение

Осциллятор, частоту которого можно изменять в определенном диапазоне.

Генератор с переменной частотой (VFO) в электронике – это генератор, частоту которого можно настраивать (то есть изменять) в некотором диапазоне. Он является необходимым компонентом любого радиопередатчика с плавной настройкой и приемников, работающих по принципу супергетеродина. Генератор определяет частоту, на которую настраивается устройство.

Цель

В простом супергетеродиновом приемнике входящий радиочастотный сигнал (на частоте) от антенны смешивается с выходным сигналом VFO, настроенным на , создавая сигнал промежуточной частоты (IF), который может быть обработан для извлечения модулированной информации. В зависимости от конструкции приемника частота сигнала IF выбирается либо как сумма двух частот на входах смесителя (повышающая конверсия), либо, как правило, как разность частот (понижающая конверсия). Помимо желаемого сигнала IF и его нежелательного зеркального сигнала (продукт смешения с противоположным знаком), выход смесителя также содержит две исходные частоты и различные гармонические комбинации входных сигналов. Эти нежелательные сигналы подавляются IF-фильтром. Если используется балансный смеситель, входные сигналы на выходах смесителя значительно ослабляются, что упрощает конструкцию IF-фильтра. Преимущество использования VFO в качестве гетеродинового генератора заключается в том, что широкая полоса пропускания требуется только для небольшой части радиоприемника (каскадов перед смесителем, таких как предварительный усилитель). Остальная часть приемника может быть точно настроена на частоту IF. В приемнике прямого преобразования VFO настраивается на ту же частоту, что и входящая радиочастота, плюс 0 Гц. Демодуляция происходит в базовой полосе с использованием фильтров нижних частот и усилителей. В радиочастотных (RF) передатчиках VFO часто используются для настройки частоты выходного сигнала, как правило, косвенно, посредством процесса гетеродинирования, аналогичного описанному выше. Также они применяются для генерации синхронизирующих сигналов для осциллоскопов и рефлектометров во временной области, а также в генераторах звуковой частоты с переменной частотой, используемых в музыкальных инструментах и измерительном аудиооборудовании.

Типы

Существует два основных типа VFO: аналоговый и цифровой.

Аналоговые VFO

Аналоговый VFO — это электронный генератор, у которого значение как минимум одного из пассивных компонентов изменяется под управлением пользователя для изменения выходной частоты. Обычно изменяемым пассивным компонентом является конденсатор, но это может быть и переменный индуктор.

Конденсатор настройки

Переменный конденсатор – это механическое устройство, в котором физически изменяется расстояние между серией чередующихся металлических пластин для изменения его ёмкости. Настройка этого конденсатора иногда упрощается с помощью механического редуктора для достижения точной регулировки. Варакаторы имеют ряд недостатков, включая температурный дрейф и старение, электронный шум, низкий добротный фактор и нелинейность.

Цифровые VFO

Современные радиоприемники и передатчики обычно используют ту или иную форму цифрового синтеза частоты для генерации сигнала VFO. Преимуществами являются компактные размеры, отсутствие движущихся частей, более высокая стабильность опорных генераторов частоты и простота хранения и обработки заданных частот в цифровом компьютере, который в любом случае обычно встроен в конструкцию. Также возможно, чтобы радио стало чрезвычайно гибким в плане частоты, поскольку управляющий компьютер может изменять принимаемую частоту радио десятки, тысячи или даже миллионы раз в секунду. Эта возможность позволяет приемникам связи эффективно контролировать множество каналов одновременно, возможно, с использованием методов цифрового селективного вызова (DSC) для определения момента открытия аудиовыходного канала и оповещения пользователей о входящей связи. Запрограммированная частотная гибкость также лежит в основе некоторых военных методов радиошифрования и маскировки. Высокая частотная гибкость является ключевой особенностью методов расширения спектра, получивших широкое распространение в компьютерных беспроводных сетях, таких как Wi-Fi. Цифровой синтез частоты имеет и недостатки, например, неспособность цифрового синтезатора плавно перестраиваться на все частоты, но в условиях канальной структуры многих радиодиапазонов это можно рассматривать и как преимущество, поскольку предотвращает работу радиостанций между установленными каналами. Цифровой синтез частоты опирается на стабильные кварцевые опорные генераторы. Кварцевые генераторы более стабильны, чем генераторы, управляемые индуктивностью и емкостью. Их недостаток заключается в том, что для изменения частоты (более чем незначительно) требуется замена кварца, но методы синтеза частоты сделали это ненужным в современных конструкциях.

Выступление

К качественным показателям VFO относятся стабильность частоты, фазовый шум и спектральная чистота. Все эти факторы, как правило, обратно пропорциональны добротности (Q) колебательного контура. Поскольку в общем случае диапазон настройки также обратно пропорционален Q, эти характеристики производительности обычно ухудшаются при увеличении диапазона частот VFO.

Стабильность

Стабильность — это показатель того, насколько частота выходного сигнала генератора с гетеродинами (VFO) изменяется со временем и под воздействием температуры.

Повторяемость

В идеале, при одинаковом управляющем сигнале для VFO, генератор должен выдавать точно такую же частоту. Изменение калибровки VFO может повлиять на калибровку настройки приемника, поэтому может потребоваться периодическая его подстройка. VFO, используемые в составе частотного синтезатора с фазовой автоподстройкой, предъявляют менее жесткие требования, поскольку стабильность системы определяется стабильностью кварцевого генератора опорной частоты.

Чистота

График амплитуды генератора с фазовой подстройкой (VFO) в зависимости от частоты может показывать несколько пиков, вероятно, гармонически связанных между собой. Каждый из этих пиков потенциально может смешиваться с другим входящим сигналом и создавать паразитный отклик. Эти паразитные сигналы (иногда пишутся как spuriae) могут приводить к увеличению шума или к обнаружению двух сигналов вместо одного. Для подавления высокочастотных паразитных колебаний, если они возникают, в VFO могут быть добавлены дополнительные компоненты. В передатчике эти паразитные сигналы генерируются одновременно с желаемым сигналом. Для обеспечения соответствия передаваемого сигнала нормативным требованиям по полосе пропускания и паразитным излучениям может потребоваться фильтрация.

Фазовый шум

При исследовании с помощью высокочувствительного оборудования, пик чистой синусоиды на графике частоты VFO, скорее всего, не будет располагаться на ровном уровне шума. Незначительные случайные колебания во времени сигнала приведут к тому, что пик будет находиться на "юбках" фазового шума на частотах по обе стороны от нужной. Это также создает проблемы в загруженных диапазонах. Они пропускают нежелательные сигналы, находящиеся достаточно близко к ожидаемому, но из-за случайного характера этих "юбок" фазового шума, сигналы обычно становятся неразборчивыми, проявляясь как дополнительный шум в принятом сигнале. В результате, сигнал, который должен быть чистым в загруженном диапазоне, может казаться очень шумным из-за влияния сильных соседних сигналов. Эффект фазового шума VFO на передатчик заключается в том, что случайный шум фактически излучается по обе стороны от требуемого сигнала. И это, во многих случаях, необходимо избегать по юридическим причинам.

Частота

Цифровые или цифроуправляемые генераторы обычно используют стабильные опорные частоты, которые могут быть реализованы с более высокой точностью, чем альтернативы на основе полупроводников и LC-контуров. Чаще всего используется генератор на кварцевом резонаторе, хотя в высокоточных приложениях, таких как сети TDMA, атомные часы, например, рубидиевые стандарты, также широко распространены по состоянию на 2018 год. Благодаря стабильности используемой опорной частоты, сами цифровые генераторы, как правило, более стабильны и воспроизводимы в долгосрочной перспективе. Это частично объясняет их огромную популярность в недорогих и управляемых компьютером генераторах VFO. Однако в краткосрочной перспективе на применимость простого цифрового генератора ограничивают недостатки, возникающие при цифровом делении и умножении частоты (джиттер), а также восприимчивость обычного кварцевого резонатора к акустическим ударам, колебаниям температуры, старению и даже радиации. Именно поэтому более совершенные генераторы VFO, такие как радиочастотные передатчики, синхронизированные с атомным временем, обычно комбинируют несколько различных опорных источников сложным образом. Некоторые источники, такие как рубидиевые или цезиевые часы, обеспечивают более высокую долгосрочную стабильность, в то время как другие, например, водородные мазеры, характеризуются более низким кратковременным фазовым шумом. Затем генераторы более низкой частоты (и, следовательно, более низкой стоимости), синхронизированные с цифровой версией главного генератора, формируют окончательный выход VFO, сглаживая шум, вызванный алгоритмами деления. Такая схема позволяет сочетать долгосрочную стабильность и воспроизводимость точного опорного источника, преимущества точного цифрового выбора частоты и кратковременную стабильность, передаваемую даже на аналоговую форму сигнала с произвольной частотой – все преимущества в одном устройстве.