Моделирование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на интегральных микросхемах

Формирование и усиление сигналов

УДК 621.376

Моделирование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на интегральных микросхемах

Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Якименко К.В., Коровин А.Н. Аннотация: Рассмотрен принцип работы гибридного синтезатора частот, выполненного на основе системы фазовой автоподстройки частоты и цифрового вычислительного синтезатора в цепи обратной связи. Получены выражения для модели спектральной плотности мощности фазовых шумов синтезатора при его реализации на интегральных микросхемах. Приведены результаты моделирования шумовых характеристик гибридного синтезатора для выбранных параметров синтезируемых сигналов.

Ключевые слова: гибридный синтезатор, ФАПЧ, цифровой вычислительный синтезатор, спектральная плотность мощности фазовых шумов, шумовые характеристики.

Modeling of noise performances of hybrid frequency synthesizers on integral chips

Romashov V.V., Romashova L.V., Yakimenko K.A., Korovin A.N. Abstract: The principle of operation of a hybrid frequency synthesizer fulfilled on the basis of the phase-locked loop system and direct digital synthesizer in a chain of feedback is considered. Expressions for model of spectral density of power of a phase noise of a synthesizer are obtained at its implementation on integrated circuits. Results of modelling of noise characteristics of a hybrid frequency synthesizer for the chosen parameters of synthesized signals are given.

Key words: hybrid synthesizer, PLL, direct digital synthesizer, noise characteristics, spectral density of power of phase noises.

Для формирования высокостабильных сигналов в современных радиосистемах применяются синтезаторы частот. Большое распространение ввиду достоинств - малый шаг сетки частот, высокая скорость перестройки по частоте, малый уровень фазовых шумов -получили цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС), использующие метод прямого цифрового синтеза. Недостатком таких синтезаторов в настоящее время является невысокие формируемые частоты (тактовая частота до 3,5 ГГц, выходная частота около 1,4 ГГц), существенный уровень побочных дискретных составляющих.

Улучшить показатели формирователей сигналов позволяют гибридные синтезаторы, представляющие комбинацию нескольких основных методов синтеза частот (прямого

аналогового, косвенного и прямого цифрового методов).

Важнейшим параметром синтезаторов являются шумовые характеристики, оцениваемые спектральной плотностью мощности (СПМ) фазовых шумов. Для интегральных синтезаторов частот приводятся экспериментальные шумовые характеристики для ограниченного количества выходных частот. Получить шумовые характеристики синтезаторов для произвольных частот позволяет применение усредненных математических моделей СПМ фазовых шумов входящих в них функциональных звеньев [1-3]. Для некоторых вариантов гибридных синтезаторов, реализованных на одной интегральной микросхеме, подобные математические модели шумовых характеристик получены и исследованы в [4]. Результаты моделирования показы -

вают хорошее совпадение с экспериментальными зависимостями.

Однако большинство гибридных синтезаторов реализуются, как правило, с использованием нескольких интегральных микросхем и применение усредненных моделей дает существенные погрешности и необходимо уточнение шумовых характеристик звеньев реальных устройств.

Поэтому разработка методик получения моделей шумовых характеристик и их анализ являются актуальной задачей для вновь разрабатываемых или используемых гибридных синтезаторов частот.

Целью работы является получение основных соотношений для СПМ фазовых шумов одного из вариантов гибридного синтезатора на основе цифрового вычислительного синтезатора и системы ИФАПЧ и исследование его шумовых характеристик при реализации на интегральных микросхемах.

Структурная схема данного устройства

представлена на рис. 1.

В данной схеме ЦВС включен в цепь обратной связи системы ИФАПЧ и выполняет роль делителя частоты с переменной кратностью деления сигнала ГУН.

Для получения необходимой частоты сравнения фазового детектора ФД частота сигнала генератора опорной частоты ГОЧ может быть поделена в делителе Л1, а выходная частота ЦВС - в делителе частоты Л2. Частота сигнала ГУН является тактовой частотой ЦВС, если она больше тактовой частоты используемого синтезатора, то необходимо

использовать дополнительный делитель частоты ГУН.

Применение схемы гибридного синтезатора с ЦВС в цепи обратной связи ИФАПЧ позволяет обеспечить широкую полосу выходных частот, низкий уровень фазового шума, малый уровень побочных спектральных составляющих.

Рассмотрим пример моделирования шумовых характеристик такого синтезатора для формирования высокочастотного сигнала при его реализации на интегральных микросхемах.

Для реализации системы ИФАПЧ используем микросхему типа АББ4153А [5], которая работает с сигналами в полосе 4 ГГц и включает в себя малошумящий цифровой фазоча-стотный детектор (с максимальной частотой 32 МГц), прецизионную схему накачки заряда, делитель с дробным коэффициентом деления Л2 на основе сигма-дельта модулятора и программируемый делитель опорной частоты Л1. Ключевая особенность данной микросхемы - низкий уровень фазового шума. В документации к ней приведены экспериментальные шумовые характеристики для выходной частоты 1720,2 МГц.

Для анализа шумовых характеристик гибридного синтезатора воспользуемся моделью СПМ фазовых шумов системы фазовой автоподстройки частоты из [6]

4ПЧ

N2

+ S ДФКД1 (f ) + $ДФШ 2 (f ) +

Sфд

Е

ифд

х Ы22 (Нз1( р)|)2 + БГуН (Е) • (Н 32 (р)|)2. Здесь

нМ=

H

1+H

Нз2( p) =

.1+H( p)_

-

передаточные функции ИФАПЧ по внешним шумам и внутренним шумам, соответственно,

x

2

1

и

H( p) =

K0 • Рфнч

- передаточная функция

Р • N

разомкнутого кольца ИФАПЧ, К0 - коэффициент усиления разомкнутой системы.

Передаточная функция фильтра нижних частот ФНЧ для случая использования пропорционально-интегрирующего фильтра 2-го порядка находится по формуле [7]

РфНЧ (Р) =

p • ТФНЧ1 + 1

1

Р • (Р • ТфНЧ2 +1) С1 + С2 где постоянные времени ТФНЧ1 = ЛЬ С1 и С1

Т = Р1____

ТфНЧ2 Ш С1 + С2 .

В выражении (1) БГОЧ ), БГУН (F),

8ДФКД1 (р ) , $ДФЩ2 (р), 8ФД (р) - модели

СПМ фазовых шумов соответствующих звеньев.

В качестве генератора опорной частоты при измерениях шумовых характеристик радиоустройств используются высококачественные генераторы, например, генератор фирмы Rohde&Schwarz Я&88МЛ100Л, вырабатывающий сигналы с частотами до 6 ГГц. В технической документации к нему приложены экспериментальные шумовые характеристики [8]. Для моделирования таких характеристик воспользуемся усредненными моделями СПМ фазовых шумов ГОЧ из [2] с небольшой коррекцией коэффициентов модели

1

Src4 (F) =-j Ю-7 + F

+ 10

-11.7

F2

F

- +10

-16.2

Сравнение экспериментальных шумовых характеристик с рассчитанной по используемой модели приведено на рис. 2. Видимое отличие на некоторых частотах отстройки объясняется тем, что R&SSMA100A построен с применением многокольцевой ФАПЧ.

Имеющиеся в документации микросхемы ЛБР4153А шумовые характеристики измерены при использовании в качестве ГУН генератора типа ROS-1800+ с частотами 1,7 - 1,8 МГц [9].

Аппроксимация экспериментальных шумовых характеристик выбранного ГУН произведена на основе усредненной модели СПМ фазовых шумов из [1]

^гун (F) =-^10-

F

1

-13.3 j гун

f

2

Q

С 2 —

+__• Ю-167 • гун +10

+ 10—162,

F¿ е2 F

Q - добротность катушки колебательного контура, /ГУН - частота ГУН.

Сравнение модели шумовых характеристик с экспериментальными зависимостями приведено на рис. 2 и показывает их хорошее совпадение.

Для фазочастотного детектора системы ИФАПЧ использована модель СПМ фазовых шумов из [1] также с коррекцией коэффициентов

Sфд (F) =

10—115 +10—28 • fCP 2

F

+10"148 +10"23- /СР , (5) где /СР - частота сравнения фазового детектора ИФАПЧ.

Рис. 2. Экспериментальные (с кружками) и аппроксимированные зависимости СПМ фазовых шумов ГОЧ R&SSMA100A и ГУН ROS-1800+

+

На рис. 3 представлен результат моделирования шумовых характеристик системы ИФАПЧ на микросхеме АББ4153А по формуле (1) с использованием моделей (3)-(5) и экспериментальная зависимость СПМ фазовых шумов (с кружками) для выходной частоты !"ГУН=1720,2 МГц. Видно хорошее совпадение, что указывает на правильный выбор и адаптацию моделей СПМ фазовых шумов основных функциональных звеньев.

Применение ЦВС в цепи обратной связи ИФАПЧ (рис. 1) позволяет получить практически произвольный коэффициент деления частоты в петле фазовой автоподстройки, а соответственно, и малый шаг изменения частоты, свойственный прямому цифровому синтезу.

Выражение для модели СПМ фазовых шумов такого гибридного синтезатора частот можно получить из формулы (1) с учетом фазовых шумов ЦВС. В качестве модели шумовых характеристик ЦВС воспользуемся выражением из [3]

$цвс (f )-

(10* 2

- + -

10

k1

\

- +10

k 4

F2 Fl

\ /

+ 10k3 + 2-2N-0-59 • A"2

КЦВС +

(f Л

J out f 2

V JT у

где коэффициенты к1, к2, к3, к4 определяют уровень соответствующих фазовых шумов и определяются для каждой микросхемы по методике [10], /оШ, /т - выходная и тактовая

частоты ЦВС; Кцвс = ¡оиЛт - коэффициент деления ЦВС, N - количество разрядов ЦАП.

Тогда выражение для СПМ фазовых шумов исследуемого гибридного синтезатора по рис. 1 можно записать в виде

>ФАПЧ _ ЦВС

(F)-

SГОЧ

. N2

+ S ДФКД1 (f ) + S ДФКД 2 (f ) +

SЦВС

- + -

ФДУ

к Еифд 2 2

N2 X

х \H31 (p)| + SryH (F) • \Hз2(p)\ .

Здесь N21 = N2 / КцдС - результирующий ко-

H( p)-

K • F

Л0 ГФНЧ

Рис. 3. Рассчитанная и экспериментальная (с кружками) зависимости СПМ фазовых шумов микросхемы АЭР4153А при выходной частоте _/ГУн=1720,2 МГц

эффициент деления в петле ИФАПЧ, а

ч( p)' Р • N21 _

Применение полученной модели СПМ фазовых шумов гибридного синтезатора позволяет провести анализ его шумовых характеристик при любых рабочих частотах используемых интегральных микросхем.

В качестве ЦВС используем микросхему ЦВС AD9914 - одну из последних разработок фирмы Analog Devices [11]. Ключевыми особенностями данной микросхемы являются высокая частота внутреннего тактового сигнала (3,5 GSPS), интегрированный 12-разрядный ЦАП с быстродействием 3,5 GSPS, разрешение по частоте 4 мкГц. Благодаря увеличенной тактовой частоте данная микросхема может формировать колебания с частотой до 1396 МГц. Для модели СПМ фазовых шумов этой микросхемы рассчитанные коэффициенты k1 = -9,2; k2 = -8,4; k3 = -16,8; k4 = -14,5.

На рис. 4 приведены шумовые характеристики микросхемы ADF4153А с ЦВС AD9914 в цепи обратной связи, а также вклад шумов звеньев схемы. Из графиков видно, что основной вклад в СПМ фазовых шумов гибридного синтезатора в полосе пропускания вносит фазочастотный детектор, а за полосой пропускания усиливается вклад шумов генератора, управляемого напряжением.

+

¡КП

дБ/Гц

100 ыо3 ыо4 ыо5 ЫО6 ЫО7

Рис. 4. Зависимость СПМ фазовых шумов микросхемы ADF4153А с ЦВС в цепи обратной связи при выходной частоте ^Н=1720,2 МГц и вклад шумов ФД, ГУН и ЦВС

Анализ зависимостей на рис. 4 показывает, что фазовые шумы ЦВС в цепи обратной связи не влияют на результирующий уровень фазовых шумов гибридного синтезатора.

Зависимости на рис. 5 иллюстрируют применение модели (7) для построения шумовых характеристик анализируемой схемы при синтезировании различных частот, при этом использовались ГУН на соответствующие частоты.

Таким образом, показано применение моделей СПМ фазовых шумов функциональных звеньев для анализа шумовых характеристик гибридного синтезатора частот на основе систем ИФАПЧ и ЦВС, реализован-

ных на интегральных микросхем. Полученные результаты моделирования показывают хорошее совпадение теоретических расчетов с экспериментальными шумовыми характеристиками и позволяют использовать такой подход для моделирования шумовых характеристик гибридных синтезаторов на различной элементной базе.

Литература

1. Kroupa V.F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. 2003, John Wiley & Sons, Ltd. 320 с.

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

3. Romashov V.V., Romashova L.V., Khramov K.K. Research of Phase Noise of Direct Digital Synthesizers // Proceedings of the 2011 IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBC0N-2011, Krasnoyarsk, Russia, September 15-16, 2011. IEEE. Pp. 168-171.

4. Romashova L.V., Romashov A.V., Fomichyov A.N. Research of Noise Characteristics of Hybrid Frequency Synthesizers on the Basis of Direct Digital Synthesizers and PLL Systems / // Proceedings of the 2011 IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBC0N-2011, Krasnoyarsk, September 15-16, 2011. IEEE. Pp. 113 - 115.

5. ADF4153А.pdf [Электронный ресурс]: сайт фирмы Analog Devices, Inc., 2013. URL: http://www.analog.com/ru/ rfif-components/pll-synthesizersvcos/ adf4153a/ products/product.html.

6. Ромашова Л.В., Фомичев А.Н. Исследование спектральных характеристик системы ИФАПЧ в режиме умножения частоты // Вопросы радиоэлектроники, сер. ОТ. 2010. Вып. 1. С. 23-28.

7. Холладей К. (перевод Ю. Потапова). Проектирование ФАПЧ по полосе пропускания. EDN, 2000. http://www.chipinfo.ru/ lit-erature/chipnews/ 200009/40.html.

8. Генератор сигналов R&SSMA100A [Электронный ресурс]: сайт фирмы Rohde&Schwarz, Inc., 2013. URL: http:// www.rohde-schwarz.ru/ products/ test_and_ measurement/signal_generation/SMA 100A/.

9. ROS 1800+ [Электронный ресурс]: сайт фирмы Mini-Circuits http:// www.minicircuits.com/

10. Ромашов В.В., Ромашова Л.В. Методика расчета коэффициентов аппроксимации спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов // Радиотехнические и

Рис. 5. Шумовые характеристики гибридного синтезатора для различных выходных частот

телекоммуникационные системы. 2012, №1. С. 23-27.

11. AD9914.pdf [Электронный ресурс]: сайт фирмы Analog Devices, Inc., 2013. URL: http://www.analog.com/ru/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/ad9914/products/product.html

References

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

2. Ryzhkov A.V., Popov V.N. Sintezatory chastot v tekhnike radiosvyazi [Frequency synthesizers in the technique of radio]. - M.: Radio i svyaz, 1991. 264 p.

3. Romashov V.V., Romashova L.V., Khramov K.K. Research of Phase Noise of Direct Digital Synthesizers // Proceedings of the 2011 IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBC0N-2011, Krasnoyarsk, Russia, September 15-16, 2011. IEEE. Pp. 168-171.

4. Romashova L.V., Romashov A.V., Fomichyov A.N. Research of Noise Characteristics of Hybrid Frequency Synthesizers on the Basis of Direct Digital Syn-

Поступила 15 февраля 2013 г.

thesizers and PLL Systems // Proceedings of the 2011 IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2011, Krasnoyarsk, September 15-16, 2011. IEEE. Pp. 113 - 115.

5. Analog Devices, Inc., 2013. URL: http://www.analog.com/ru/rfif-components/pll-synthesizersvcos/adf4153a/products/product.html.

6. Romashova L.V., Fomichov A.N. Voprosi ra-dioelectroniki, ser. OT, 2010, 1, pp. 23-28.

7. Kholydey K. EDN, 2000. http:// www.chipinfo.ru/literature/chipnews/200009/40.html

8. Rohde&Schwarz, Inc., 2013. URL: http:// www.rohde-schwarz.ru/ products/ test_and_ meas-urement/signal_generation/SMA 100A/.

9. Mini-Circuits, Inc., 2013. http:// www.minicircuits.com.

10. Romashov V.V., Romashova L.V. // Radio-tekhnicheskie i telekommunikatsionnye sistemy, 2012, 1, pp. 23-27.

11. Analog Devices, Inc., 2013. URL: http://www.analog.com/ru/rfif-components/direct-digital-synthesis-dds/ad9914/products/product.html

об авторах

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

E-mail: romashovmurom@mail.ru.

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

E-mail: romashovmuroma@mail.ru.

Якименко Кирилл Александрович - студент факультета радиоэлектроники и компьютерных систем. Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

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

Коровин Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники. Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

E-mail: romashovmuroma@mail.ru.

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

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.

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

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

Korovin Aleksey Nicolaevich - candidate of technical sciences, senior lecturer, Murom institute (branch) of the Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletovs.

Address: 602264, Murom, st. Orlovskaya, h. 23.