Прямой цифровой синтез сложных широкополосных сигналов в задачах радиолокации, навигации и связи

И. В. РЯБОВ 

 
 
 

ПРЯМОЙ  ЦИФРОВОЙ  СИНТЕЗ   

СЛОЖНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ  

В  ЗАДАЧАХ РАДИОЛОКАЦИИ,  

НАВИГАЦИИ И  СВЯЗИ 

 
 
 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2016 

УДК 621.396 
ББК  32.852.3 

Р 98 
 

Рецензенты: 

доктор физико-математических наук, профессор КНИТУ (КАИ) 

А. Ф. Надеев; 

доктор технических наук, профессор ПГТУ  

А. А. Роженцов; 

доктор физико-математических наук, профессор МарГУ  

А. Н. Леухин 

 
 
 
 
 
 
 
 
Рябов, И. В. 

Р 98         Прямой цифровой  синтез  сложных широкополосных  сигна
лов в задачах радиолокации, навигации и связи: монография /  
И. В. Рябов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2016. – 152 с. 
ISBN 978-5-8158-1662-6 
 

 Изложена современная теория цифрового синтеза частот и сигналов. 

Представлена классификация систем синтеза частот, методов формирования высококачественных ЧМ- и ФМ-сигналов. Приведены новые структуры цифровых вычислительных синтезаторов, построенных на базе метода прямого цифрового синтеза. 

 Для студентов и магистрантов направлений «Радиотехника» и «Ра
диотехнические системы и комплексы», аспирантов, инженеров и разработчиков. 
 
 
УДК 621.396 

 
ББК 32.852.3 

 
ISBN 978-5-8158-1662-6 
© Рябов И. В., 2016 

 
© Поволжский государственный 

 
технологический университет, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие  ................................................................................................. 5 

Введение  ....................................................................................................... 7 

Глава 1. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ                 
ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ  ........................................................................... 10 

1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике .......................... 10 
1.2. Классификация цифровых и аналоговых методов 
синтеза частот и сигналов ................................................................. 22 

 
Глава 2.  ТЕОРИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ  
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ПРЯМОГО 
ЦИФРОВОГО СИНТЕЗА  ......................................................................... 34 

2.1. Теория прямого цифрового синтеза сигналов .......................... 34 
2.2. Математические модели радиосигналов,  
применяемых в радиотехнике  .......................................................... 35 
2.3. Методы расширения спектра сигнала........................................ 37 
2.4. Метод прямого цифрового синтеза синусоидальных 
сигналов  .............................................................................................. 38 
2.5. Помехи, обусловленные генератором тактовой частоты ......... 41 
2.6. Шумы, связанные с усечением кода фазы ................................ 43 
2.7. Шумы, связанные с ограниченной разрядностью ЦАП   ......... 45 
2.8. Цифровые методы синтеза частот .............................................. 47 
2.9. Цифровые вычислительные синтезаторы прямого синтеза  
на основе цифровых накопителей ..................................................... 50 
2.10. Фазовые отклонения в синтезаторах ЛЧМ-сигналов ............. 55 

 
Глава 3. РАЗРАБОТКА НОВЫХ СТРУКТУР ЦИФРОВЫХ  
СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ 
СИНТЕЗАТОРОВ НА БАЗЕ МЕТОДА ПРЯМОГО ЦИФРОВОГО 
СИНТЕЗА  ................................................................................................... 57 

3.1. Цифровые синтезаторы частот  .................................................. 58 
3.2. Цифровой синтезатор частот на основе цифровых 
накопителей кодов   ............................................................................ 59 
3.3. Цифровой синтезатор частот на основе умножителя  
кодов  ................................................................................................... 63 
3.4. Цифровой синтезатор c быстрой перестройкой 
рабочей частоты .................................................................................. 67 
3.5. Цифровой синтезатор частот с полиномиальным           
законом изменения фазы (частоты)  ................................................. 72 

3.6. Рекурсивный цифровой синтезатор частот  .............................. 75 
3.7. Цифровой синтезатор частотно-модулированных  
сигналов  .............................................................................................. 80 
3.8. Цифровой синтезатор  фазомодулированных  сигналов  ......... 83 
3.9. Цифровой синтезатор частотно-модулированных  
сигналов  .............................................................................................. 86 
3.10. Цифровой синтезатор частот с расширенным  
частотным диапазоном  ...................................................................... 91 
3.11. Цифровой  вычислительный  синтезатор  ............................... 93 
3.12. Цифровой синтезатор для формирования сигналов  
многочастотной телеграфии .............................................................. 97 
3.13. Цифровой синтезатор двухуровневых сигналов ..................... 99 
3.14. Цифровой синтезатор частот с коммутацией  
фазовых отсчетов ............................................................................. 102 
3.15. Цифровой синтезатор многофазных сигналов ..................... 104 
3.16. Цифровой синтезатор  
частотно- и фазомодулированных сигналов ................................. 108 
3.17. Синтезатор с V-образным законом иодуляции  
частоты  ............................................................................................ 110 

 
Глава 4. АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК  
ВЫХОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЦИФРОВЫХ СИНТЕЗАТОРОВ  
ЧАСТОТ  ..................................................................................................  113 
 
Глава 5.  ПРИМЕНЕНИЕ  ЦИФРОВЫХ  СИНТЕЗАТОРОВ  
ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ В ЗАДАЧАХ РАДИОСВЯЗИ   
И  РАДИОЛОКАЦИИ ............................................................................. 122 

5.1. Цифровые синтезаторы как узлы  
адаптивной системы связи  ............................................................. 122 
5.2. Базовая станция дистанционного зондирования  
атмосферы  ....................................................................................... 127 
5.3. Построение АЧХ и ДЧХ .......................................................... 134 
5.4. Применение цифровых синтезаторов частот 
в телевизионной и измерительной технике  .................................. 134 

 
Заключение  .............................................................................................. 138 
 
Библиографический список  ................................................................... 139 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Теория синтеза частот и сигналов, базирующаяся на основных 

методах линейной и нелинейной радиотехники и теории автоматического управления, за последние десятилетия выделилась в отдельную научную дисциплину. 

Роль систем синтеза частот (синтезаторов частот), которым в 

основном посвящена данная монография, в современных радиотехнических системах (РТС) все более возрастает, так как прецизионность параметров формируемых ими колебаний обеспечивает высокие точностные характеристики РТС. 

Дисциплину «Синтезаторы частот» изучают только в некото
рых вузах России (например, в КАИ). В основном, как правило, она 
входит в качестве раздела в дисциплины «Радиопередающие 
устройства». Однако специальной литературы по данному направлению явно недостаточно. Актуальные вопросы проектирования 
современных цифровых вычислительных синтезаторов рассмотрены в журнальных статьях, не всегда доступных широкому кругу 
студентов, бакалавров, магистрантов, аспирантов, инженеров и 
разработчиков. 

В данной монографии изложены основные разделы теории циф
ровых синтезаторов частот и сигналов, построенных на базе метода 
прямого цифрового синтеза. 

В первой главе рассмотрены общие вопросы терминологии, 

классификации систем синтеза частот. Описаны методы формирования высококачественных частотно-модулированных (ЧМ) сигналов. 

Вторая глава посвящена теоретическим основам метода прямого 

цифрового синтеза и моделированию основных узлов ЦВС. 

В третьей главе приведены новые структуры цифровых вычис
лительных синтезаторов и цифровых синтезаторов с расширенными 
функциональными возможностями, высоким быстродействием, малым шагом сетки частот и высокой линейностью закона изменения 
частоты.  

В четвертой главе показаны примеры использования цифровых 

синтезаторов в адаптивной системе связи, в базовой станции дистанционного зондирования атмосферы Земли. Сформулированы 
требования к цифровым вычислительным синтезаторам: по минимальной тактовой частоте, диапазону рабочих частот, быстродействию, шагу сетки частот, уровню амплитудных и фазовых шумов. 
Проведен компьютерный анализ спектральных характеристик колебаний, формируемых цифровыми синтезаторами. 

В заключении сформулированы основные выводы. 
Автор выражает глубокую признательность доктору техниче
ских наук, профессору ННГТУ Н.П. Ямпурину, профессору КНИТУ 
(КАИ) В.В. Болозневу за консультации, а также рецензентам: доктору технических наук, профессору ПГТУ А.А. Роженцову, доктору 
физико-математических наук, профессору МарГУ А.Н. Леухину, 
доктору физико-математических наук, профессору КНИТУ (КАИ) 
А.Ф. Надееву за ценные замечания и советы, позволившие улучшить 
изложение материала в книге. 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Последние годы характеризуются возрождением интереса к ра
диотехнологиям, бурным развитием средств радиолокации, навигации и связи. Одним из основных функциональных узлов современных радиосистем являются системы синтеза частот, поэтому задача 
формирования высокостабильной сетки частот крайне актуальна при 
построении многих радиосистем, поскольку стабильность параметров синтезируемых ими колебаний обеспечивает высокие технические характеристики радиотехнических систем (РТС). 

Развитие радиоэлектронной и микропроцессорной техники поз
воляет в настоящее время создавать диагностическую аппаратуру со 
сложными частотно-модулированными и амплитудно-фазоманипулированными сигналами, обладающую высокой разрешающей способностью, устойчивой помехозащищенностью, хорошей электромагнитной совместимостью, малыми масс-габаритными характеристиками и энергопотреблением, по сравнению с традиционными методами исследований, основанными на использовании простых импульсных сигналов. 

Авторитетные научные эксперты министерств обороны России 

и США считают, что быстродействующие интегральные цифровые 
вычислительные синтезаторы (ЦВС) с тактовыми частотами около 
100 ГГц, малым шагом по частоте (доли Гц) и малым временем переключения с одной частоты на другую на 99 % удовлетворят потребности радиотехнических систем различного назначения. 

Такие достоинства ЦВС как технологичность, надежность, 

устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов, экстремально малое время переключения частот при перестройке частоты, 
преемственность фазы формируемых колебаний, способность формирования сложных широкополосных сигналов, возможность полной микроминиатюризации, удобный дружественный интерфейс, 
хорошая повторяемость параметров при тиражировании уже сегодня 
позволили существенно повысить технико-экономические показатели многих РТС. 

Важнейшими тенденциями развития систем связи и радиолока
ции являются освоение более высоких частот и переход к использованию сложных широкополосных сигналов для создания новых перспективных радиотехнических систем с повышенной помехоустойчивостью. 

Сложные сигналы широко применяются во многих областях 

техники: радиолокации, навигации и связи. Использование сложных 
сигналов в радиолокации обеспечивает высокую разрешающую способность одновременно по дальности и по скорости, в радиосвязи 
позволяет повысить  помехозащищенность и устойчивость связных 
систем, в навигации – повысить точность позиционирования подвижных и неподвижных объектов. 

Исторически так сложилось, что первыми из сложных сигналов 

стали применяться радиосигналы с линейной частотной модуляцией 
(ЛЧМ), которые обладают определенными преимуществами перед 
другими сложными сигналами: возможностью достижения большой 
девиации частоты и значительной скорости перестройки; сравнительной простотой изменения формы огибающей ЧМ сигнала и скорости частотной модуляции для улучшения параметров сжатого сигнала; простотой оценки, измерения и коррекции искажений.  

ЛЧМ-сигналы используются в качестве базовых при формиро
вании непрерывных ЧМ-сигналов треугольной, пилообразной формы, либо сигналов с V-, M- образной ЧМ [28]. Эти сигналы, при 
надлежащем выборе их параметров, обеспечивают высокую разрешающую способность по дальности и скорости, сохраняя при этом 
все достоинства сигналов с линейной частотной модуляцией  [14]. 

Основы теории и техники методов синтеза частот, заложенные 

зарубежными исследователями (А. Боли, В. Кроупом, Б. Гоулдом, 
Дж. Тирнеем, Р. Хоскиным, Н. Купером, Ваккой), успешно разрабатывались видными российскими учеными: В.В. Шахгильдяном,  
И.Н. Гуревичем, М.И. Жодзишским, В.Н. Кочемасовым и др. Весомый вклад в это направление внесли исследователи нижегородской 
школы синтеза частот: Ю.И. Алехин, Ю.К. Богатырев, В.И.Логинов, 
С.С. Сухотин, С.Я. Шишов, В.С. Станков, Н.П. Ямпурин. 

Вопросам формирования и исследования ЛЧМ-сигналов посвя
щены работы Ч. Кука, Д. Бернфельда [28], К. Кэпьюти, Ч. Кибблера, 
а также Л.Т. Варакина [4], Д.Е. Вакмана [3], И.С. Гоноровского [8], 
С.И. Баскакова, М.Е. Лейбмана, Я.Д. Ширмана [34], М.И. Жодзишского [50], В.Н. Кочемасова [27], В.В. Шумаева [14], В.А. Иванова 
[14] и др.  

В настоящее время разработаны основные принципы построе
ния цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) и цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС), построенных на базе метода прямого цифрового синтеза. Однако на сегодняшний день отсутствует строгая 
классификация систем синтеза частот (ССЧ), недостаточно исследованы предельные возможности ССЧ по быстродействию (диапазону 
синтезируемых частот и скорости перестройки) и «чистоте спектра» 
формируемых колебаний. Развитие ССЧ в настоящее время идет в 
основном в рамках известных структурных схем по пути их интегральной реализации, технологического повышения быстродействия, снижения энергопотребления и стоимости. 

Наряду с этим большое значение имеет поиск новых способов 

повышения качественных показателей ЦВС и ЦСЧ. В первую очередь это относится к быстродействию и «чистоте спектра» формируемых колебаний, так как именно эти параметры остаются неудовлетворительными для ряда практических применений. 

В представленной монографии рассмотрены пути расширения 

функциональных возможностей цифровых вычислительных синтезаторов и цифровых синтезаторов частот, повышения их быстродействия и «спектральной чистоты» формируемых сигналов, снижения 
уровня амплитудных и фазовых шумов.  

 
 

Глава 1

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ

ЧАСТОТ И СИГНАЛОВ

 
 
 

1.1. Синтез частот в радиотехнике и электронике 

 

Синтезом частот называют процесс формирования одного 

или нескольких стабильных по частоте периодических колебаний 
с заданными номинальными значениями частоты. Эти колебания 
синтезируются из одного или нескольких опорных (исходных) 
колебаний путем различных преобразований. Источник опорного 
колебания именуют опорным генератором (ОГ), а его частоту – 
опорной частотой. 

Технические устройства, которые осуществляют синтез ча
стот, называют системами синтеза частот (ССЧ) [47].  Синтезатор частот – это ССЧ, конструктивно оформленная в виде 
функционально законченного устройства (блока, узла, платы, модуля, микросхемы). Если в ССЧ используется несколько опорных 
частот, ее считают многоопорной. Если все выходные частоты 
синтезированы из одного исходного колебания, то ССЧ – одноопорная. В таких синтезаторах точность и стабильность выходных частот определяются опорным генератором. 

 

1.1.1. Классификация методов синтеза частот 

 
Возможность получения высокостабильных колебаний в 

определенном диапазоне частот была реализована в тридцатые 
годы прошлого столетия. Благодаря промышленному освоению 
производства изделий пьезокварцевой техники – резонаторов,