ПРИМЕНЕНИЕ ОБРАЗОВ ОСНОВНОЙ ЧАСТОТЫ ЦВС В ГИБРИДНЫХ СИНТЕЗАТОРАХ ЧАСТОТ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.376

Применение образов основной частоты ЦВС

в гибридных синтезаторах частот

Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Якименко К.А.

Аннотация: В современной технике формирования сигналов широкое распространение получили цифровые вычислительные синтезаторы, которые обладают рядом существенных преимуществ. Однако невысокая выходная частота ограничивает область их использования. Повысить синтезируемую частоту позволяют синтезаторы на основы систем фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, но они имеют небольшую скорость перестройки по частоте и повышенный уровень фазовых шумов. Значительно уменьшить указанные недостатки позволяют гибридные синтезаторы частот.

В статье рассмотрен принцип работы гибридного синтезатора частот, выполненного на основе системы фазовой автоподстройки частоты и цифрового вычислительного синтезатора, работающего в режиме образов основной частоты и осуществляющего сдвиг частоты с помощью смесителя в цепи обратной связи. Получены выражения для модели спектральной плотности мощности фазовых шумов данного синтезатора. Приведены результаты моделирования шумовых характеристик синтезатора для выбранных параметров синтезируемых сигналов. Показано, что уровень СПМ фазовых шумов на 3-5 дБ/Гц меньше, чем у аналогичного синтезатора, использующего основную частоту ЦВС.

Ключевые слова: формирование сигналов, ИФАПЧ, цифровой вычислительный синтезатор, гибридный синтезатор, спектральная плотность мощности фазовых шумов, образы частоты.

Введение

В настоящее время широкое распространение получили синтезаторы частот на основе прямого цифрового метода - цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС). Достоинством их являются малый шаг сетки частот, высокая скорость перестройки по частоте, малый уровень фазовых шумов. К недостаткам следует отнести относительно невысокую выходную частоту (до 1,5 ГГц). Повысить синтезируемую частоту позволяет применение косвенного метода синтеза (систем фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ). Однако им свойственны небольшая скорость перестройки и повышенный уровень фазовых шумов.

Существенно сгладить недостатки указанных методов синтеза позволяют гибридные синтезаторы частот, представляющие собой комбинацию нескольких методов. Различные варианты построения синтезаторов на основе систем ИФАПЧ и ЦВС приведены, например, в [1].

Один из видов гибридных синтезаторов описан в [2]. Данный синтезатор представляет собой однокольцевую систему ИФАПЧ, в цепь обратной связи которой включен смеситель, на который также подается сигнал с выхода ЦВС. Разностная частота сравнивается с частотой опорного генератора в частотно-фазовом детекторе (ЧФД), и сигнал ошибки подстраивает выходную частоту генератора, управляемого напряжением (ГУН). Данный синтезатор обладает высоким частотным разрешением (таким же, как у ЦВС). Кроме того, к достоинствам можно отнести высокую скорость перестройки по частоте, а также невысокий уровень фазовых шумов (из-за низкого коэффициента деления в цепи обратной связи системы ИФАПЧ).

Основной недостаток данной схемы -относительно невысокая выходная частота. Максимальная рабочая частота современных интегральных ЧФД, как правило, не превышает 100 МГц. Поэтому выход-

ная частота ЦВС не должна отличатся от выходной частоты ГУН /тУнН более чем на 100 МГц.

В свою очередь, максимальная выходная частота современных ЦВС составляет 1,5 ГГц (при условии, что тактовая частота 3,5 ГГц), соответственно, выходная частота такого синтезатора не превысит 1,5... 1,7 ГГц. Следовательно, для получения большей частоты необходимо использовать дополнительные умножители выходной частоты ЦВС, что приводит к значительному увеличению фазовых шумов синтезатора.

В [3] предлагается использовать в качестве умножителя выходной частоты ЦВС систему ФАПЧ. Однако сложность схемы и больший уровень фазовых шумов не позволяют реализовать такой синтезатор с высокими показателями.

В данной работе предлагается схема гибридного синтезатора частот на основе системы ФАПЧ и ЦВС, которая использует для повышения выходной частоты дополнительные спектральные составляющие на выходе ЦВС - образы основной частоты.

Схема гибридного синтезатора частот, работающего на образах основной частоты

Структурная схема устройства представлена на рис. 1.

Генератор опорной частоты (ГОЧ) вырабатывает сигнал с частотой/тОЧ, которая в делителе частоты ДЧ делится в N раз.

Выходной сигнал генератора, управляемого напряжением ГУН, с частотой /тУН подается на один вход смесителя См. Тактовая частота /Т ЦВС образуется умножением выходной частоты ГОЧ в п1 раз во встроенном в интегральный ЦВС умножителе частоты УЧ на системе ИФАПЧ

!т = п\!точ .

Выходной сигнал ЦВС содержит частоты

/обрп = \n\fr + ^ (П )/осн ,

где /осн - основная частота ЦВС; п = ±1, ±2... - номера образов основной частоты; sgn(x) - функция выделения знака аргумента х.

Для выделения необходимого спектрального компонента с частотой соответствующего п-го образа используется полосовой фильтр ПФ, причем для лучшей фильтрации дискретных составляющих желательно использовать коэффициент деления ЦВС [4]

кцвс = /осн/л = 0,15...0,35 .

На выходе смесителя формируется сигнал с разностной частотой (/тУН - /обр п). На выходе ЧФД вырабатывается сигнал ошибки, который через фильтр нижних частот ФНЧ подстраивает частоту ГУН.

Шумовые характеристики гибридного синтезатора

Для анализа шумовых характеристик гибридного синтезатора воспользуемся моделью спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов системы ФАПЧ со

ГОЧ

I ДЧ1 !_

I (/Vi) I

УЧ ("1)

ЧФД ФНЧ

J к ~ ДЧ2

^цвс

ЦВС ПФ

ГУН

См

>о6р п

т

Рис. 1. Структурная схема гибридного синтезатора частот, использующего образы

основной частоты ЦВС

смесителем из [5], добавив в нее модели СПМ умножителя частоты и ЦВС на образах основной частоты [6]

8ГОЧ (р)

ЗфАПЧ(f) -

N2

+ SJF) + Зчфд (F) +

+ 8Д 2 (F ) + Т^ [Scm (F) +

N

(1)

+ Sy4 (F )(n - Кцвс )2 + Subco6p(F )]

х| )2 + (Р )• |Нз2 (Р)2.

Здесь Р - частота отстройки, а символами обозначены, соответственно, СПМ фазовых шумов генераторов, делителей, частотно-фазового детектора, смесителя, умножителя частоты на ИФАПЧ и ЦВС [5-8]:

„ 10-7,82 1 0-9,86 1 0-12,7 8гоч (р )--— +-—+ +10

15,8 .

SryH (F) -

F3 F 10-13 3

F

f2 10-167 f2 J ГУН , J ГУН

F3

Q2

- + -

F2

Q2

+

-13

10- in-

+-+10

F

где Q - добротность контура ГУН;

, ч 10-14'7 +10-28 /2 16 5 23 8 (р) =---¿Л. +10 6 5 +10 /

F

Д '

где /д - частота сигнала на выходе делите-

ля;

ю-14+ю-28 16 23 Эчфд (Р =-+10-16 +10-23 /ср,

где /ср - частота сравнения ЧФД;

SCM (F) -

10

-14, 7

+10-

Sy4 (F)-Кч (F) + ^ФД_2 (F) + SДЧ2 _2 (F)]>

Х \H31_2 (FI + SryH_2 (F)- |H32_2 (F)| ;

S-.

ЦВС обр

(F )-

f Y f 10*2 + 10kL+10k4

V fT

\

F

2

F

10k + 2-2 N-0'59

(f ^

J о

V Г ,,

V T //

' ^ f ± fo^ л fT

Sinl л

.ff fT

где коэффициенты к\, к2, к3, к4 определяют уровень соответствующих фазовых шумов и находятся для каждой микросхемы ЦВС; N - разрядность ЦАП;

Н 31 (Р)= ^ ■ Н322 ^ ^^ -

передаточные функции ИФАПЧ по внешним и внутренним шумам, соответствен-

но; H1(p)- КФнч (Р}

K

N2 • p(F)

переда-

точная функция разомкнутого кольца ИФАПЧ;

В качестве ФНЧ систем ИФАПЧ использовались пропорционально - интегрирующие фильтры второго порядка с передаточной функцией

К (Р)- 1 1 + РТ1

КфНЧ (Р)- С + С2 Р(1 + РТ2 ) ,

где T - CR, T2 - Rv

C C

12

- постоян-

С + С2

ные времени фильтра; Сь С2, R\ - номиналы элементов фильтра.

С помощью (1) рассчитаны шумовые характеристики гибридного синтезатора, использующего образы основной частоты ЦВС, для следующих значений частот: /гоч = 96 МГц, /гун = 3 ГГц и 11 ГГц. Для сравнения на рис. 2 приведены шумовые характеристики гибридного синтезатора для случаев использования основной частоты ЦВС и образов основной частоты.

Для синтезатора, использующего основную частоту ЦВС, получение высокой выходной частоты требует включения делителя частоты ГУН, так как основная частота ЦВС существенно меньше частоты ГУН.

Использование образов основной частоты ЦВС в гибридном синтезаторе позволяет обходиться без дополнительного делителя частоты до частот 11-12 ГГц, поэтому уровень фазовых шумов будет меньше.

х

16, 5

+

2

+

Р. Гц 100

а б

Рис. 2. СПМ фазовых шумов: 1 - синтезатора с однопетлевой ФАПЧ со смесителем и ЦВС на основной частоте; 2 - гибридного синтезатора со смесителем и ЦВС, работающим на образах основной частоты при выходной частоте 3 ГГц (а) и 11 ГГц (б)

Из приведенных на рис. 2 графиков видно, что фазовые шумы предлагаемого гибридного синтезатора при использовании образов основной частоты ЦВС меньше, чем у аналогичного синтезатора на основной частоте, на 3-5 дБ/Гц.

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Полученная математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов гибридного синтезатора, работающего на образах основной частоты, позволяет рассчитать его шумовые характеристики при различных значениях тактовой и выходной частот.

2. Гибридный синтезатор частот, построенный по предложенной схеме, имеет выигрыш по шумовым характеристикам по сравнению с аналогичным синтезатором на основной частоте. Кроме того, отпадает необходимость использования дополнительного делителя частоты ГУН.

2. Патент США «Direct digital synthesis (DDS) phase locked loop (PLL) frequency synthesizer and associated methods» / Nicholas Paul Shields-; Harris Corporation. - № 7250823; Заявлено 25.05.2005; Опубл. 31.06.2007. - 8 с.

3. Патент США «Frequency synthesizer and frequency synthesizing method» / Furkan Dayi; Sony Corporation. - № 2012/0112806; Заявлено 25.10.2011; Опубл. 10.05.2012. - 15 с.

4. Ромашов В.В., Храмов К.К., Докторов А.Н. Частотное планирование формирователей сигналов радиосистем на основе цифровых вычислительных синтезаторов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2012, №4. С. 10-15.

5. Ромашова Л.В., Ромашов А.В., Фомичев А.Н. Исследование шумовых свойств одно-кольцевой ФАПЧ со смесителем в цепи обратной связи // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011, №2. С. 20-24.

6. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Докторов А.Н. Модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов на образах основной частоты // Радиопромышленность. 2012, №2. С. 38-48.

7. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991. - 264 с.

8. Kroupa V.F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. 2003, John Wiley & Sons, Ltd ISBN: 0-470-84866-9. - 320 с.

Литература

1. Synthesizer Products Data Book. [Электронный ресурс]: QUALCOMM Inc., 1997. URL: http://www. sss-mag. com/pdf/synthbk. pdf

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-07-97508.

Поступила 12 мая 2013 г.

Информация об авторах

Ромашов Владимир Викторович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

E-mail: romashovmurom@mail.ru.

Храмов Константин Константинович - кандидат технических наук, доцент, декан факультета радиоэлектроники и компьютерных систем Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

E-mail: hramovkk.lan@mit.ru.

Ромашова Любовь Владимировна - кандидат технических наук, доцент Муромского института (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

E-mail: romashovamurom@mail.ru.

Якименко Кирилл Александрович - студент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

E-mail: yakimenko.kirill@yandex.ru.

Адрес: 602264, г. Муром, ул. Орловская, 23.

English

The use of images of DDS in the hybrid frequency synthesizer

Romashov Vladimir Viktorovich - doctor of technical sciences, professor and head of the department of radio engineering, Murom institute (branch) of the Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletovs.

Khramov Konstantin Konstantinovich - candidate of technical sciences, dean of radio electronics faculty, Murom institute (branch) of the Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletovs.

Romashova Lyubov Vladimirovna - candidate of technical sciences, senior lecturer, Murom Institute (branch) of Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs.

Yakimenko Kirill Aleksandrovich - student of the department of radio engineering, Murom institute (branch) of the Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletovs.

Address: 602264, Murom, st. Orlovskaya, h. 23. Abstract: In modern technology of wave shaping the direct digital synthesizers (DDS) are widespread due to a number of significant advantages. However, relatively low output frequency of DDS limits their use. The synthesizers based on the phase-locked loop (PLL) systems can increase the maximum synthesized frequency, but they have low "hopping speed" in tuning output frequency and increased phase noise. Significantly reduce these disadvantages allow hybrid frequency synthesizers. In the manuscript the principle of the hybrid frequency synthesizer performed on the basis of a phase-locked loop and direct digital synthesizer is considered. The synthesizer use images of the fundamental frequency and perform a frequency conversion with a mixer in the feedback path. The mathematical expressions for the model of power spectral density of the phase noise of the synthesizer are obtained. The results of simulation of noise curves of the synthesizer for different parameters of synthesized signals are given. It is shown that the phase noise level of the hybrid frequency synthesizer by 3-5 dB/Hz less than for the same synthesizer that uses the fundamental frequency of DDS.

Key words: signal shaping, PLL, direct digital synthesizer, hybrid frequency synthesizer, power spectral density of the phase noise, images of DDS.

References

2. Nicholas Paul Shields, Direct digital synthesis (DDS) phase locked loop (PLL) frequency synthesizer and associated methods, U.S. Patent, no. 7 250 823, Jul. 31, 2007.

3. Furkan Dayi, Frequency synthesizer and frequency synthesizing method, U.S. Patent, no. 2012/0112806, May, 10, 2012.

4. Romashov V.V., Khramov K.K., Doktorov A.N. Chastotnoe planirovanie formirovatelei signalov radiosistem na osnove tsifrovykh vychislitel'nykh sintezatorov [The frequency planning of radio signal shapers based on direct digital synthesizers]. Radiotekhnicheskie i telekommunikatsionnye sistemy, 2012, no.4, pp.10-15.

5. Romashova L.V., Romashov A.V., Fomichev A.N. Issledovanie shumovykh svoistv odnokol'tse-voi FAPCh so smesitelem v tsepi obratnoi sviazi [Research of phase properties of single-loop PLL with mixer in feedback loop]. Radiotekhnicheskie i telekommunikatsionnye sistemy, 2011, no.2, pp.20-24.

6. Romashov V.V., Romashova L.V., Khramov K.K., Doktorov A.N. Model' spektral'noi plotnosti moshchnosti fazovykh shumov tsifrovykh vychislitel'nykh sintezatorov na obrazakh osnovnoi chastoty [The model of the power spectral density of phase noise of direct digital synthesizers on images of the fundamental frequency]. Radiopromyshlennost', 2012, no.2, pp.38-48.

7. Ryzhkov A.V., Popov V.N. Sintezatory chastot v tekhnike radiosviazi [Frequency synthesizers in the technique of radio]. Moscow, Radio i svyaz', 1991. 264 p.