Научная статья на тему 'ОПТИМИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ'

ОПТИМИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ Текст научной статьи по специальности «Связь»

CC BY
24
5
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ / ФАПЧ / ГЕНЕРАТОР / УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ / ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР / FREQUENCY SYNTHESIZER / PLL / VOLTAGE-CONTROLLED OSCILLATOR / REFERENCE OSCILLATOR

Аннотация научной статьи по связи, автор научной работы — Кощук Галина Андреевна, Тихонов Игорь Анатольевич, Косарев Борис Андреевич

В статье рассмотрено влияние различных конфигураций фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с целочисленными коэффициентами на параметры петли ФАПЧ синтезатора частоты. Показана возможность компьютерного прогнозирования таких параметров фазовой автоподстройки частоты, как энергопотребление, время запуска, джиттер и уровень фазовых шумов по выбору делителя частоты с генератора, управляемого напряжением на выход схемы.

Похожие темы научных работ по связи , автор научной работы — Кощук Галина Андреевна, Тихонов Игорь Анатольевич, Косарев Борис Андреевич,

Optimization of PLL frequency synthesizer

The influence of different configurations of phase-locked loop frequency (PLL) with integer coefficients on parameters of the PLL loop of the frequency synthesizer is considered. The possibility of computer prediction of such PLL parameters as power consumption, start-up time, jitter and phase noise level at the choice of the frequency divider from the generator to the circuit output is shown.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «ОПТИМИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ»

УДК 621.37

йО!: 10.25206/1813-8225-2019-165-28-32

Г. А. КОЩУК1 И. А. ТИХОНОВ2 Б. А. КОСАРЕВ1

Юмский государственный технический университет, г. Омск

2АО «НПО Завод «Волна», г. Омск

ОПТИМИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ

В статье рассмотрено влияние различных конфигураций фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с целочисленными коэффициентами на параметры петли ФАПЧ синтезатора частоты. Показана возможность компьютерного прогнозирования таких параметров фазовой автоподстройки частоты, как энергопотребление, время запуска, джиттер и уровень фазовых шумов по выбору делителя частоты с генератора, управляемого напряжением на выход схемы.

Ключевые слова: синтезатор частот; ФАПЧ; генератор, управляемый напряжением; опорный генератор.

Введение. Назначение синтезатора сигналов заключается в генерации нужной выходной частоты на основе заданной опорной частоты [1]. При этом связь между входной и требуемой выходной частотами не всегда очевидна. Одним из наиболее распространённых методов синтеза частот является косвенный синтез на основе фазовой автоматической подстройки частоты. Основные базовые принципы работы синтезатора частоты с ФАПЧ подробно изложены в работе [2]. Различные схемотехнические решения и результаты моделирования по формированию синтезатора с ФАПЧ также детально рассмотрены в работе [3]. От коэффициентов деления в петле ФАПЧ зависят уровень шума и мощность потребления схемы [4]. В некоторых случаях вопрос выбора оптимальных значений является одним из важнейших, особенно когда имеющееся оборудование уже не соответствует новым требованиям. Генераторы с петлей ФАПЧ, спроектированные на основе современной элементной базы, характеризуются достаточно низким уровнем спектральной плотности фазовых шумов, обладают малыми массогабаритными характеристиками [5]. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), входящие в состав современного синтезатора частот, содержат собственную систему ФАПЧ [6]. Это позволяет повысить точность цифровой обработки аналоговых сигналов и уменьшить шумы АЦП. Таким образом, разработка методики оптимизации параметров ФАПЧ является актуальной задачей.

Цель работы — оптимизация параметров ФАПЧ синтезатора частот по выбору одного-единственного входного параметра схемы.

метод. В основе метода лежит нахождение всех возможных конфигураций ФАПЧ (рассматриваются только контуры с целочисленными коэффициентами деления), удовлетворяющих заданным требованиям к входной и выходной частотам [7].

Далее предлагается критерий выбора наилучшей конфигурации для конкретной области применения.

Для поиска оптимальной конфигурации ФАПЧ методом подбора рассматриваются все возможные конфигурации коэффициентов деления ФАПЧ, которые выдают требуемую выходную частоту, а затем выбирается из них оптимальная.

Синтезаторы с целочисленным коэффициентом деления. Структурная схема синтезатора частоты с ФАПЧ показана на рис. 1. Выходной сигнал формируется с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН), на основе частоты сигнала опорного генератора (резонатора):

f — kf

' ВЫХ ОП I

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(1)

где к — коэффициент деления частоты (нормированный множитель).

Будем рассматривать только целочисленные значения к.

Коэффициент деления к формируется с помощью нескольких делителей, установленных в схеме ФАПЧ, рис. 1.

В общем случае исполизуых ся три блока делителей: делитель опортей частоты (О) с опорного генератора (резонатора) на фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ), делитель

f = f , f = f

ref оп' out ВЫХ

Рис. 1. Функциональная схема ФАПЧ

в петле обратной связи (Р) после ГУН на ФД и делитель выходной частоты (N1 после ГУН на следующее устройство. Коэффициент к для данного типа синтезатора частоты определяется следующим образом:

k _

Р

Q-N

Pf

р _ _ 1оп

ВЬ1Х Q ■ N

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

джиттер и фазовый шум, будут сильно различаться.

Поиск конфигураций ФАПЧ. Из формулы (3) следует:

P

(2)

Q ■ N

(4)

Из уравнений (1) и (2) полпчаем соотношение между входной и выххдной чгстотами:

(3)

Если коэффициерты N ьх Q равны единице, то синтезатор мождт генерировать только частоты, кратные опорной. В этом случае значение Р просто определится из (3). Если только один из коэффициентов Q и N равен единице, то для синтеза желаемой частоты требуется подобрать подходящую конфигурацию, которая определяется соотношением Q/P или N/P.

Использование всех трех делителей частоты позволяет задавать выходную частоту контура ФАПЧ программно. Однако одна и та же выходная частота может быть получена с помощью различных сочетаний делителей P, Q и N. При этом остальные характеристики контура ФАПЧ, такие как мощность потребления, время запуска,

Три неизвестных переменных находятся путем перебора в трёх циклах различных сочетаний Р, О и N которые дают требуемую частоту.

Пример. Для иллюстрации рассмотрим пример из работы [1]. Пусть требуется синтезировать выходную частоту 50 МГц из опорного сигнала 14,3181818 МГц (стандартная частота видеосигнала). Предположим, ГУН можно выбирать в диапазоне частот 100...400 МГц.

Используя алгоритм поиска, описанный в предыдущем разделе, получаем результаты расчета. Это список всех возможных конфигураций, которые будут соответствовать частотным требованиям. Теперь из них необходимо выбрать лучший вариант.

Результаты расчета возможных конфигураций представлены в табл. 1.

Выбор оптимальной конфигурации. Выбор самой оптимальной конфигурации ФАПЧ полностью зависит от приложения [1]:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— для удаленной станции мониторинга, например, может потребоваться быстрый запуск, но не нужна высокая точность;

Результаты расчёта возможных конфигураций

Таблица 1

N гц W МГц W МГц W МГц Q P

2 14,318.. 100 50 0,227 63 440

3 14,318.. 150 50 0,682 21 220

4 14,318.. 200 50 0,227 63 880

5 14,318.. 250 50 0,227 63 1100

6 14,318.. 300 50 0,682 21 440

7 14,318.. 350 50 1,591 9 220

8 14,318.. 400 50 0,227 63 1760

Здесь: О — делитель опорного сигнала ((ОП); N — делитель сигнала с ГУН ((¡ТН) для получения частоты (ВЫ Р — делитель сигнала с ГУН на ФАПЧ для получения I.

2 3

делитель после ГУН на выход, N Рис. 2. Графики параметров

Рис. 3. Графики параметров

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— для протокола связи, наоборот, неважно время запуска и энергопотребление, однако требуется источник частоты с очень низким джит-тером;

— для ускоренного сбора данных и высокой точности во время передачи этих данных могут иметь значение все параметры.

Применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) позволяет, в принципе, реализовать любые требования оптимальной конфигурации [8]. Однако к ФАПЧ, встроенной в качественную ПЛИС, выдвигаются новые требования:

— повышение выходной частоты и, соответственно, расширение набора значений реализуемых частот;

— достижение высокой стабильности выходных тактовых сигналов;

— возможность оперативной подстройки фазы;

— низкое потребление мощности [9].

В настоящее время ФАПЧ уже монтируются в составе отдельных микросхем, которые содержат детектор ошибки и два делителя (Q и P) с программируемыми коэффициентами делениями. Однако для работы микросхемы нужен внешний опорный генератор и ГУН, а также петлевой ФНЧ. Поэтому рекламный ход кампании Analog Devices по обозначению этих микросхем как синтезаторов (PLL Synthesizer) можно считать не вполне корректным [10].

В работе [1] подробно рассмотрено влияние элементов ФАПЧ на основные параметры: энергопотребление, время запуска, джиттер и уровень фазовых шумов.

Например, энергопотребление определяет-

ся частотой ГУН, током накачки заряда и значениями делителей частоты. Время запуска ФД и установления частоты ГУН определяется собственной частотой петли. Джиттер-дрожание и дрейф напряжения в цепи — зависит от частоты фазового детектора и коэффициента усиления ГУН. Фазовый шум полностью зависит от приложения.

Для учёта влияния элементов ФАПЧ на основные параметры синтезатора в программу вычисления делителей О, Р и N был добавлен блок вычисления относительных коэффициентов энергопотребления КЭ, времени запуска КТ, джиттера Кд и уровня фазовых шумов КфШ. В работе вычисленные коэффициенты показаны в виде графиков (рис. 2 и рис. 3) в зависимости от значения делителя N с ГУН на следующее устройство, как показано на рис. 1.

Пример оптимизации. В рассмотренном примере (табл. 1) оптимизация выглядит следующим образом:

— для системы с низким энергопотреблением следует снизить частоту ГУН и значения коэффициентов делителей. В этом случае сочетание N=3, О = 21, Р = 220 является наилучшим выбором. ГУН работает на низких частотах, коэффициенты Р и О имеют невысокие значения, а частота ФД имеет приемлемое значение;

— для системы с минимальным временем запуска и установления оптимальной является конфигурация с N=7, О = 9, Р = 220. За счет высокой частоты ФД обеспечивается достаточно высокая частота обновления напряжения фильтра;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— для схемы с низким джиттером, оптимальный набор коэффициентов: N=7, О = 9, Р=220. В данной конфигурации частота ФД более чем вдвое выше, чем при других. В результате частота обновления напряжения фильтра повышается. Соответственно, схема обладает наименьшим джиттером;

— для схемы с низким уровнем фазового шума подходит вариант ГУН с высокой частотой и соответствующим делителем Р: N=7, О = 9, Р=220. Частота ФД в этой конфигурации гораздо выше, чем для сочетания N=8, О = 63, Р=1760.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. В ходе работы было выполнено две задачи.

Задача 1.

Проанализировать конфигурацию изготовленного синтезатора № 1 на выходную частоту 100 МГц из опорного сигнала 10 МГц (выход с высокостабильного кварцевого генератора) с делителями N=О =1 и Р=10. Результаты расчета элементов ФАПЧ синтезатора № 1 на 100 МГц представлены в табл. 2.

Соответствующие графики зависимости параметров синтезатора №1 от делителя N (частоты ГУН, представлены на рис. 2.

Из рис. 2 для изготовленного синтезатора (N=1) следуют выводы:

— по энергопотреблению конфигурация для N=1 является оптимальной;

— фазовые шумы и джиттер максимальны;

— оптимальным вариантом по всем параметрам должна быть конфигурация при N=2 (^ =200 МГц, делитель Р с ГУН на ФД равен 20).

Результаты расчёта элементов ФАПЧ синтезатора № 1 на 100 мГц

Таблица 2

N Гц W МГц W МГц W МГц Q P

1 10 100 100 10 1 10

2 10 200 100 10 1 20

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3 10 300 100 10 1 30

4 10 400 100 10 1 40

Результаты расчёта элементов ФАПЧ синтезатора № 2 на 100 мГц

Таблица 3

N ^ Гц W МГц W МГц w МГц Q P

1 0,000125 100 100 0,0000625 2 1600000

2 0,000125 200 100 0,0000625 2 3200000

3 0,000125 300 100 0,0000625 2 4800000

4 0,000125 400 100 0,0000625 2 6400000

5 0,000125 500 100 0,0000625 2 8000000

6 0,000125 600 100 0,0000625 2 9600000

7 0,000125 700 100 0,0000625 2 11200000

8 0,000125 800 100 0,0000625 2 12800000

Задача 2.

Проанализировать конфигурацию синтезатора № 2 на выходную частоту 100 МГц из опорного сигнала 125 Гц (выход со схемы цифровой обработки сигнала) для ГУН с частотой от 100 до 800 МГц. Результаты расчёта элементов ФАПЧ синтезатора № 2 на 100 МГц представлены в табл. 3.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Соответствующие графики зависимости параметров синтезатора № 2 от делителя N (частоты ГУН, ( ) представлены на рис. 3.

Из рис. 3 и данных табл. 3 оптимальный вариант синтезатора № 2 на 100 МГц по всем параметрам соответствует делителям N = 4 и 5:

Следовательно:

— по энергопотреблению оптимальны конфигурации с N=1—3;

— по фазовым шумам и джиттеру — конфигурация с N=6 — 8;

— оптимальным вариантом по всем параметрам должна быть конфигурация при N = 5 ((]УГН =500 МГц, делитель Р с ГУН на ФД равен 8х106).

В обоих вариантах синтезаторов коэффициент времени запуска КТ не меняется из-за пропорционального изменения делителя Р и ( при постоянном делителе О с опорного генератора ((оп).

Выводы.

1. Показана возможность компьютерного прогнозирования таких параметров ФАПЧ, как энергопотребление, время запуска, джиттер

и уровень фазовых шумов по выбору единственного элемента ФАПЧ синтезатора частоты — делителя частоты с генератора на выход схемы.

2. Разработана компьютерная модель прогнозирования с графическим представлением результатов.

Библиографический список

1. Майская В. Когда часть лучше целого // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2002. № 5 (79). C. 10—16.

2. Шапиро Д. Н., Паин А. А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981. 264 с.

3. Шахтарин Б. И., Федотов А. А. Анализ синтезатора частот с петлёй ФАП // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2014. № 2 (95). С. 53-62.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Мартиросов В. Е., Алексеев Г. А. Программная реализация системы фазовой автоподстройки частоты // Труды МАИ. 2013. Вып. 71. С. 1-16.

5. Баронов А. А., Шадский В. А. Особенности проектирования гетеродина с петлёй ФАПЧ Ku-диапазона // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. 2015. № 4 (160). С. 18-22.

6. Сизов М. АЦП с контуром фазовой автоподстройки частоты // Современная электроника. 2016. № 6. С. 2-5.

7. Mentze E. What is the best PLL configuration for your app-and how do you find it?. URL: https://www.embedded. com/design/industrial-control/4217828/What-is-the-best-PLL-configuration-for-your-app-and-how-do-you-find-it- (дата обращения: 00.00.2019).

8. Бормонтов Е. Н., Клюкин В. И., Быстрицкий С. А. Гигагерцовый генератор для интегрированной в ПЛИС си-

стемы ФАПЧ // Вестник Воронежского государственного университета. 2011. Т. 7, № 2. С. 130-133.

9. Бормонтов Е. Н., Клюкин В. И., Быстрицкий С. А. Стабилизация параметров выходного сигнала в системе ФАПЧ для ПЛИС // Радиолокация, навигация, связь: тр. XVI Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2010. Т. 1. С. 396-401.

10. Михалёв П. Микросхемы ФАПЧ и синтезаторы на их основе // Компоненты и технологии. 2006. № 4 (57). 48-53.

КощуК Галина Андреевна, ассистент кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: galina_koshuk@mail.ru

Тихонов Игорь Анатольевич, инженер-конструктор отдела разработчиков АО «НПО Завод «Волна», г. Омск.

Адрес для переписки: kauk20000007@ro.ru КоСАРЕВ Борис Андреевич, инженер по специальности «Промышленная электроника». Адрес для переписки: BorisK_88@mail.ru

Для цитирования

Кощук Г. А., Тихонов И. А., Косарев Б. А. Оптимизация фазовой автоподстройки частоты синтезатора частот // Омский научный вестник. 2019. № 3 (165). С. 28-32. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-165-28-32.

Статья поступила в редакцию 18.03.2019 г. © Г. а. Кощук, и. а. Тихонов, Б. А Косарев

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

о