可変周波数発振器

電子工学における可変周波数発振器（VFO ）は、ある範囲で周波数を調整（変更）できる発振器です。 ^{[1]これは、}スーパーヘテロダイン原理で動作するあらゆる調整可能な無線送信機や受信機に必要なコンポーネントです。発振器は、装置が調整される 周波数を制御します。

シンプルなスーパーヘテロダイン受信機では、アンテナからの入力無線周波数信号 (周波数) が、 に調整された VFO 出力信号と混合され、中間周波数(IF) 信号が生成されます。この中間周波数信号を下流で処理して変調情報を抽出できます。受信機の設計に応じて、IF 信号周波数は、ミキサー入力の 2 つの周波数の合計 (アップコンバージョン)か、より一般的には差周波数 (ダウンコンバージョン) のいずれかに選択されます。 ${\displaystyle f_{IN}}$${\displaystyle f_{LO}}$${\displaystyle f_{IN}+f_{LO}}$${\displaystyle f_{IN}-f_{LO}}$

ミキサー出力には、必要なIF信号とその不要なイメージ (上記の反対符号の混合製品)に加えて、2 つの元の周波数と、入力信号のさまざまな高調波の組み合わせも含まれます。これらの不要な信号は、IFフィルターによって除去されます。ダブルバランスミキサーを使用すると、ミキサー出力に現れる入力信号が大幅に減衰され、IF フィルターに必要な複雑さが軽減されます。 ${\displaystyle f_{IN}}$${\displaystyle f_{LO}}$

VFOをヘテロダイン発振器として使用する利点は、無線受信機のごく一部（プリアンプなどのミキサーの前の部分）だけに広い帯域幅が必要になることです。受信機の残りの部分はIF周波数に微調整できます。^[2]

ダイレクトコンバージョン受信機では、VFO は受信無線周波数と同じ周波数および Hz に調整されます。復調は、ローパス フィルタとアンプを使用してベースバンドで行われます。 ${\displaystyle f_{IF}=0}$

無線周波数（RF）送信機では、VFOは出力信号の周波数を調整するためによく使用され、多くの場合、上記と同様のヘテロダイン処理を介して間接的に使用されます。 ^[1]その他の用途には、VFOがさまざまな周波数範囲にわたって急速にスイープされるレーダーシステム用のチャープジェネレーター、 ^[3]オシロスコープや時間領域反射計用のタイミング信号生成、楽器やオーディオテスト機器で使用される可変周波数オーディオジェネレーターなどがあります。

使用されている VFO には、主にアナログとデジタルの 2 種類があります。

アナログ VFO は、少なくとも 1 つの受動部品の値をユーザーの制御下で調整して出力周波数を変更できる電子発振器です。値を調整できる受動部品は通常はコンデンサですが、可変インダクタの場合もあります。

可変コンデンサは、一連の交互に配置された金属板の間隔を物理的に変更して静電容量を変える機械装置です。このコンデンサの調整は、微調整を実現するために機械式ステップダウンギアボックスによって容易になることがあります。^[2]

逆バイアスされた半導体 ダイオードは静電容量を示します。その非伝導空乏領域の幅は逆バイアス電圧の大きさに依存するため、この電圧を使用して接合容量を制御できます。バラクタバイアス電圧はさまざまな方法で生成でき、最終設計では大きな可動部品が不要になる場合があります。^{[4]バラクタには、温度ドリフトや経年変化、電子ノイズ、} Q 係数の低さ、非線形性 など、いくつかの欠点があります。

現代の無線受信機と送信機は、通常、何らかの形式のデジタル周波数合成を使用して VFO 信号を生成します。その利点には、小型設計、可動部品の不足、設定周波数基準発振器の安定性の高さ、および、いずれにしても設計に組み込まれているデジタルコンピューターでプリセット周波数を簡単に保存および操作できることなどがあります。

また、制御コンピュータが無線のチューニング周波数を 1 秒間に何十回、何千回、あるいは何百万回も変更できるため、無線が非常に周波数に柔軟に対応できる可能性もあります。この機能により、通信受信機は、デジタル選択呼び出し ( DSC ) 技術を使用して、オーディオ出力チャネルをいつ開くか、着信通信をユーザーに警告するかを決定するなど、一度に多くのチャネルを効果的に監視できます。事前にプログラムされた周波数柔軟性は、一部の軍事無線暗号化およびステルス技術の基礎にもなっています。極めて柔軟な周波数柔軟性は、Wi-Fiなどのコンピュータ無線ネットワークで主流となっているスペクトル拡散技術の中核をなしています。

デジタル合成には、デジタル合成器がすべての周波数でスムーズにチューニングできないなどの欠点がありますが、多くの無線帯域のチャネル化により、認識された 2 つのチャネル間で無線が動作することを防ぐという点で、利点とも見なすことができます。

デジタル周波数合成は、安定した水晶制御の基準周波数源に依存します。水晶制御発振器は、誘導制御発振器や容量制御発振器よりも安定しています。欠点は、周波数を変更するには (少し以上) 水晶を変更する必要があることですが、周波数合成技術により、最新の設計ではこの必要がなくなりました。

これに関連する電子技術とデジタル技術には次のものがあります。

直接デジタル合成(DDS)

数学的な正弦関数に十分なデータ ポイントがデジタル メモリに保存されます。これらのデータ ポイントは適切な速度で呼び出され、デジタル - アナログ コンバータに送られ、必要な正弦波が作成されます。

直接周波数合成

初期のチャネル化通信無線には、動作可能なチャネルごとに 1 つずつ、複数の水晶がありました。しばらくして、この考え方は、上記の目的の項で説明したヘテロダインとミキシングの基本的なアイデアと組み合わされました。複数の水晶をさまざまな組み合わせで混合して、さまざまな出力周波数を生成することができます。

位相ロックループ(PLL)

バラクタ制御または電圧制御発振器(VCO) (上記のアナログ VFO 技術のバラクタで説明) と位相検出器を使用すると、制御ループを設定して、VCO の出力を水晶制御基準発振器に周波数ロックすることができます。位相検出器は、異なる除数で周波数分割した後、2 つの発振器の出力を比較します。次に、コンピュータ制御で周波数分割除数を変更することで、さまざまな実際の (分割されていない) VCO 出力周波数を生成できます。PLL 技術は、今日のほとんどの無線 VFO 設計で主流となっています。

VFOの品質指標には、周波数安定性、位相ノイズ、スペクトル純度などがある。これらの要素はすべて、同調回路の Q値に反比例する傾向がある。一般に同調範囲もQ値に反比例するため、VFOの周波数範囲が広がると、これらの性能要素は一般的に低下する。^[5]

安定性は、VFO の出力周波数が時間と温度によってどの程度ドリフトするかの尺度です。^[5]この問題を軽減するために、VFO は通常、安定した基準発振器に「位相ロック」されます。PLL は負帰還を使用してVFO の周波数ドリフトを補正し、広いチューニング範囲と優れた周波数安定性の両方を実現します。^[6]

理想的には、VFO への同じ制御入力に対して、発振器はまったく同じ周波数を生成する必要があります。VFO のキャリブレーションを変更すると、受信機のチューニング キャリブレーションが変わる可能性があります。受信機の定期的な再調整が必要になる場合があります。位相ロック ループ周波数シンセサイザーの一部として使用される VFO には、システムが水晶制御の基準周波数と同じくらい安定しているため、それほど厳しい要件はありません。

VFO の振幅と周波数のグラフには、おそらくは調和的に関連する複数のピークが示されることがあります。これらのピークはそれぞれ、他の入力信号と混ざり合ってスプリアス応答を生成する可能性があります。これらのスプリアス(スプリアスと綴られることもあります) により、ノイズが増加したり、1 つの信号しか検出されないはずの信号が 2 つ検出されたりすることがあります。^[1]高周波寄生振動が存在する場合、VFO に追加のコンポーネントを追加して、これを抑制することができます。

送信機では、これらのスプリアス信号が 1 つの目的の信号とともに生成されます。送信信号が帯域幅とスプリアス放出の規制を満たすようにするには、フィルタリングが必要になる場合があります。

非常に感度の高い機器で検査すると、VFO の周波数グラフの純粋な正弦波のピークは、平坦なノイズフロア上にない可能性が高くなります。信号のタイミングにおけるわずかなランダムな「ジッター」は、ピークが目的の周波数の両側の 位相ノイズの「裾野」に位置することを意味します。

これらは、混雑したバンドでも問題になります。予想される信号にかなり近い不要な信号を通過させますが、これらの位相ノイズの「スカート」はランダムな性質のため、信号は通常は理解できず、受信信号に余分なノイズとして現れます。その結果、混雑したバンドではクリーンな信号であるはずの信号が、近くの強力な信号の影響で非常にノイズの多い信号として現れることがあります。

VFO 位相ノイズが送信機に与える影響は、ランダム ノイズが実際に必要な信号の両側に送信されることです。これも、多くの場合、法的な理由から回避する必要があります。

デジタル発振器またはデジタル制御発振器は通常、一定の単一周波数基準に依存しており、半導体やLC 回路ベースの代替品よりも高い基準で製造できます。最も一般的に使用されるのは水晶ベースの発振器ですが、 TDMA セルラー ネットワークなどの高精度アプリケーションでは、ルビジウム標準などの原子時計も 2018 年現在一般的です。

使用される基準の安定性により、デジタル発振器自体は長期的にはより安定し、より再現性が高い傾向があります。これは、デジタル発振器が低価格のコンピュータ制御 VFO で非常に人気がある理由の 1 つです。短期的には、デジタル周波数の分割と乗算 (ジッター) によって生じる不完全性、および一般的な水晶標準が音響衝撃、温度変化、経年変化、さらには放射線の影響を受けやすいため、単純なデジタル発振器の適用範囲が制限されます。

このため、原子時間にロックされたRF送信機などのハイエンド VFO では、複数の異なるリファレンスを複雑な方法で組み合わせる傾向があります。ルビジウム クロックやセシウム クロックなどのリファレンスは長期安定性が高く、水素メーザーなどのリファレンスは短期位相ノイズが低くなります。次に、マスター クロックのデジタル分割バージョンに位相ロックされた低周波数 (したがって低コスト) の発振器が最終的な VFO 出力を提供し、分割アルゴリズムによって誘発されるノイズを平滑化します。このような構成により、正確なリファレンスの長期安定性と再現性、正確なデジタル周波数選択の利点、および任意の周波数のアナログ波形にも付与される短期安定性のすべてを実現できます。つまり、あらゆる面で最高です。

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