Исследование шумовых характеристик гибридного синтезатора частот на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем и цифрового вычислительного синтезатора

УДК 621.376

Исследование шумовых характеристик гибридного синтезатора частот на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем и цифрового вычислительного синтезатора

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

Аннотация: В статье рассмотрен принцип работы гибридного синтезатора частот, выполненного на основе однокольцевой системы фазовой автоподстройки частоты со смесителем и цифровым вычислительным синтезатором. Для увеличения синтезируемой частоты предложено использовать дополнительный делитель частоты генератора, управляемого напряжением. Составлена эквивалентная схема синтезатора со всеми источниками фазовых шумов. Рассчитаны коэффициенты деления для выбранных значений частот гибридного синтезатора. Получено выражение для модели спектральной плотности мощности фазовых шумов гибридного синтезатора. Приведены результаты моделирования шумовых характеристик гибридного синтезатора для различных выходных частот (3 - 11 ГГц) и частот сравнения в фазовом детекторе. Показано, что основной вклад в уровень спектральной плотности мощности фазовых шумов синтезатора вносит генератор опорной частоты и фазовый детектор. С ростом частоты сравнения фазового детектора примерно до 100 МГц уменьшается уровень фазовых шумов. Исследуемый гибридный синтезатор по сравнению с синтезаторами на основе одно-кольцевых ИФАПЧ с делителем частоты и со смесителем в цепи обратной связи позволяет получить: существенно лучшие шумовые характеристики за счет использования максимально возможной частоты сравнения фазового детектора, малый шаг сетки частот, определяемый цифровым вычислительным синтезатором.

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

К современным синтезаторам частот, применяемым для формирования сетки частот в СВЧ диапазоне, предъявляются высокие требования к уровню фазовых шумов. Получившие в последние годы распространение цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС) позволяют получить хорошие шумовые характеристики, очень малый шаг сетки частот. Однако современные интегральные синтезаторы имеют пока ограниченный частотный диапазон (до 1,5 ГГц), достаточно высокий уровень дискретных спектральных составляющих.

Широко применяемые системы косвенного синтеза легко обеспечивают формирование СВЧ сигнала с хорошими шумовыми параметрами, однако для простых систем ИФАПЧ уменьшение шага синтезируемых частот ведет к возрастанию уровня фазовых шумов. Например, для простейшей ИФАПЧ с делителями частоты уменьшение шага сетки частот приводит к увеличению коэффициента деления в цепи обратной связи N и, соответственно, к возрастанию спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов в N раз. Для уменьшения уровня фазовых шумов используют схемы фазовой автоподстройки частоты со смесителем, многокольцевые системы, однако шаг сетки частот определяется частотой сравнения в системе ИФАПЧ, дальнейшее уменьшение которой оказывается невозможным.

Формировать сигналы СВЧ диапазона с достаточно малым шагом сетки частот позволяют гибридные синтезаторы частот, использующие ИФАПЧ и ЦВС [3]. При этом малый шаг обеспечивает ЦВС, а хорошую фильтрацию шумов и дискретных составляющих - система ИФАПЧ с достаточно большой частотой сравнения. Для гибридный синтезаторов частот, использующих ИФАПЧ с делителями частоты, анализ шумовых характеристик приведен в [4-5].

Варианты гибридного синтезатора частот на основе ИФАПЧ со смесителем частоты и ЦВС описаны в [6]. Однако их выходная частота ограничена максимальной частотой цифрового вычислительного синтезатора. Кроме того, исследование шумовых характеристик подобных гибридных синтезаторов не проводилось.

Поэтому целью данной статьи является получение основных соотношений для СПМ фазовых шумов обобщенной схемы гибридного синтезатора частот, использующего ИФАПЧ со смесителем частоты и ЦВС и исследование его шумовых характеристик.

Обобщенная структурная схема такого гибридного синтезатора приведена на рис. 1.

На структурной схеме применены обозначения: ГОЧ - генератор опорной частоты; ЦВС- цифровой вычислительный синтезатор; ДФКД1, ДФКД2, ДФКД3 - делители частоты с фиксированными коэффициентами деления N1, Ы2, N3; ЧФД - частотно-фазовый детектор; ФНЧ - фильтр нижних частот; ГУН - генератор, управляемый напряжением; СМ - смеситель частоты.

Для формирования сигнала тактовой частоты введен умножитель частоты УЧ, реализуемый в виде встроенной в интегральный ЦВС петли ИФАПЧ с коэффициентом умножения щ (до 255). Для достижения лучших шумовых показателей тактовая частота ЦВС / должна быть близка к максимально возможной (у современных интегральных ЦВС она достигает 3500 МГц). Делитель ДФКД3 служит для возможности увеличения выходной частоты ГУН примерно в N раз по сравнению с выходной частотой ЦВС /цВС (1,5 ГГц). Коэффициент деления N не должен иметь большие значения, иначе возрастут фазовые шумы.

Рис. 1. Структурная схема гибридного синтезатора частот на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем и ЦВС

Использование смесителя в цепи обратной связи позволяет снизить коэффициент деления ДФКД2, а, следовательно, уровень фазовых шумов выходной частоты ГУН. При этом шаг сетки частот гибридного синтезатора определяется шагом изменения частоты ЦВС и может достигать единиц Герц.

Делитель ДФКД1 с коэффициентом деления N используется для уменьшения выходной частоты ГОЧ до значения максимально возможной частоты сравнения в ЧФД (у современных ЧФД она достигает 100 МГц). Коэффициент деления делителя ДФКД1:

N =

fгоч

/ср

Коэффициент деления N2 делителя ДФКД2 выбирается таким, чтобы обеспечить равенство между выбранной частотой сравнения в ЧФД с разностной частотой смесителя между частотой ГУН и выходной частотой ЦВС. В большинстве современных микросхем ИФАПЧ делитель ДФКД2 встроен в микросхему, и коэффициент деления N может быть дробным

/г.

N 2 = N

- fl

цвс

/ср

Структурной схеме гибридного синтезатора, представленной на рис. 1, соответствует эквивалентная схема, приведенная на рис. 2.

Кфнч(р E • S ФД ГУН

) * p

К

Фсм , Ф;

СМ I ^ДФКДЗ

хи

Кцвс(р

м - (Я

I ф, 8

Рис. 2. Эквивалентная схема гибридного синтезатора со всеми источниками шумов

На схеме применены обозначения:

ФГОЧ - флуктуации фазы ГОЧ; ФУЧ - флуктуации фазы УЧ; Фцвс - флуктуации фазы ЦВС; Фдфкд1, Фдфкд2, Фдфкд3 - флуктуации фазы ДФКД1, ДФКД2, ДФКД3 кратностью N1, N2, N3; Фчфд -эквивалентные флуктуации ФД; ФГУН - флуктуации фазы ГУН; ФСМ - шумы смесителя СМ.

На основе эквивалентной схемы рис. 2 запишем выражения для фазовых флуктуаций выходного сигнала синтезатора: ~Фп

фгс =

'гт4 - фдфт + фчфд - фт

_ H,(p)N2

N1

H3i

где -^цвс = ,/цбс //т - коэффициент деления ЦВС, Н^(р) =

1 + Hi

- передаточная функция

кольца ИФАПЧ по внешним шумам, H32 (p) =

1 + Hi

- передаточная функция кольца ИФАПЧ

по внутренним шумам, #1 (р)= ^ФНЧ (р) К - передаточная функция разомкнутого кольца

Р N 2

ИФАПЧ, FФНЧ (р) - передаточная функция ФНЧ.

На основании (1) запишем выражение для спектральной плотности мощности фазовых шумов гибридного синтезатора:

ч ) + ^дфкд + ^чфд + sдфкд2(f) + "712 ' [^см +

Src (F ) =

N

+K

цвс

' (Sro4 (F)-«2 + Sy4 (F))+sibc(f) + Sдфадз(F)ll* ^(f) 2 + Syh (f)- ^(f) 2

Символами S обозначены СПМ фазовых шумов соответствующих звеньев на рис. 1. В качестве моделей СПМ фазовых шумов таких звеньев используем модели из [7-9], а для ЦВС - модель СПМ фазовых шумов, полученную в [10]

лк? 1 г\к1 л

Sibc (F )=(Кцвс ) [ ^ + -F +1°'

+ 1°k3 + S„„.

Коэффициенты аппроксимации к1, к2, к3, к4 определяют уровень СПМ 1/^ шума, 1/^ шума, естественной шумовой составляющей входных цепей ЦАП и естественной шумовой составляющей сопротивления нагрузки, соответственно; Sкв = 0,59 (/цвс //т) - СПМ фазового шума квантования ЦАП; N - число разрядов ЦАП ЦВС [11].

1

4

SiF}, -Ж

дЕЛц

1Ю МО* Г, Гц

Рис.3. Собственные фазовые шумы звеньев гибридного синтезатора частот

в умножителе частоты УЧ. В меньшей степени влияют

S<F>, -Ю| Дб/Гц

им ып3 ки/ Р, Сц

Рис.4. Вклад шумов звеньев в СПМ фазовых шумов гибридного синтезатора SФАПЧ_цВС

На рис. 3 приведены полученные в результате моделирования шумовые характеристики гибридного синтезатора частот для выходной частоты /гун = 3000 МГц

при /т = 2496 МГц, /цвс = 880 МГц, /гоч = 96 МГц , /ср = 24 МГц. Коэффициенты деления для выбранных частот составляют N1=4, N^5, N^4. Коэффициент умножения п1=26.

На рис. 4 приведен вклад шумов звеньев в СПМ фазовых шумов гибридного синтезатора. Из графика видно, что шумы синтезатора практически определяются вкладом шумов ГОЧ из-за умножения их шумы частотно-фазового детектора. Шумы ЦВС вносят заметный вклад лишь на частотах отстройки 100-10000 Гц.

На рис. 5 приведены шумовые характеристики гибридного синтезатора и синтезатора частот на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем, построенных на основании моделей из [2], для разных значений частоты сравнения в фазовом детекторе. Как и следовало ожидать, с увеличением частоты сравнения ЧФД СПМ фазовых шумов синтезаторов уменьшается за счет увеличивающейся полосы пропускания ФНЧ. За счет дополнительного делителя частоты ДФКД3 у гибридного синтезатора уровень шума несколько больше.

S(F), дБ/Гц -во

- ВО

- 100 - 110 -120 -150

- 140

- 150

- 160 - 170

кр=100 кГц

ЧБ/Гц _

Гср=1 МГц

-fcp=10 МГц

/

\ / fcp=96 МГц

...........\

-90 -100 - 110 -1:0

-130 -140 -150 - 160

- го

Гср=1Ю кГц

Гср=1 МГц

_-ср-10 МГц

fcp=96 МГц

4 г :r.\. ...V - *

s \

ыо Fr Гц

lxlo3

lxlOf

1*10' F, Гц

а)

б)

Рис. 5. Шумовые характеристики а) гибридного синтезатора и б) синтезатора частот на основе одноколь-цевой ИФАПЧ со смесителем для разных частот сравнения ЧФД

Сравнение шумовых характеристик гибридного синтезатора частот на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем и ЦВС с характеристиками однокольцевой ИФАПЧ с делителем частоты

[1] и однокольцевой ИФАПЧ со смесителем [2] при аналогичных параметрах ИФАПЧ для разных

частот ГУН и достаточно большого шага сетки частот синтезатора, равному частоте сравнения ЧФД, приведено на рис. 6._

7-----

1 *

fc. 2 * ^ - \ %

s V Б з Л t ¡\ \

4 -— ^ У\ — л

\ * \ \ i Чд *

1х1(Г 1Ю 1x10е"

б) /гун = 11000 МГц

1-10

F, Гц

1x10° 1х1(Г 1x10"

а) /гун = 3000 МГц

Рис. 6. Сравнение шумовых характеристик синтезаторов частот 1 и 2 - СПМ фазовых шумов одноколь-цевой ИФАПЧ с делителем частоты

Как видно из рисунков, синтезатор частот на основе однокольцевой ИФАПЧ с делителем частоты имеет довольно высокий уровень фазовых шумов из-за большого коэффициента деления в цепи обратной связи (при заданных значениях частот он составляет 125).

Гибридный синтезатор частот уступает по уровню шума 7 дБ/Гц синтезатору на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем при равных частотах сравнения в ЧФД (полосах пропускания ФНЧ).

С уменьшением частоты сравнения уровень СПМ фазовых шумов синтезаторов на основе од-нокольцевых ИФАПЧ существенно возрастает (рис. 7), а у гибридного синтезатора остается неизменной, так как в нем шаг сетки частот не зависит от частоты сравнения ЧФД и определяется шагом изменения частоты ЦВС. Поэтому полоса пропускания ФНЧ системы ИФАПЧ гибридного синтезатора остается постоянной и может быть сделана значительно большей.

Таким образом, по результатам исследования можно сделать следующие выводы:

1. Полученная математическая модель СПМ фазовых шумов гибридного синтезатора частот на

основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем и ЦВС позволяет проводить анализ его шумовых характеристик при различных параметрах.

2. Синтезаторы частот со смесителем в цепи обратной связи имеют существенный выигрыш по шумовым характеристикам по сравнению с синтезаторами с делителем частоты.

3. Для достижения лучших шумовых характеристик гибридного синтезатора частоту сравнения в ЧФД необходимо увеличить до максимально возможного значения.

4. Применение ИФАПЧ со смесителем в цепи обратной связи для синтеза сигналов СВЧ с малым шагом сетки частот приводит к возрастанию уровня фазовых шумов за счет вынужденного

Рис. 7. Сравнение шумовых характеристик синтезаторов частот при /гун = 3000 МГц 1 - СПМ фазовых шумов

однокольцевой ИФАПЧ со смесителем

уменьшения частоты сравнения в частотно-фазовом детекторе, и соответственно полосы пропускания ФНЧ. Использование гибридного синтезатора с ЦВС позволяет использовать ФНЧ с большей полосой пропускания для получения меньшего уровня СПМ фазовых шумов, так как шаг сетки формируемых частот определяется только ЦВС.

5. Для уменьшения фазовых шумов гибридного синтезатора частот необходимо увеличивать частоту выходного сигнала ЦВС с целью исключения делителя частоты ГУН ДФКД3. Одним из возможных методов является использование образов основной частоты ЦВС [12].

Литература

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

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

3. Synthesizer Products Data Book. Data Subject to Change Without Notice. 1997. QUALCOMM Incorporated.

4. Никитин О.Р., Ромашова Л.В., Ромашов А.В., Фомичев А.Н. Спектральные характеристики гибридных синтезаторов частот // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011, №1. С. 16 - 20.

5. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Якименко К.А., Коровин А.Н. Моделирование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на интегральных микросхемах // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2013, №1. С. 10 - 15.

6. 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. 31.07.2007. - 9 с.

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: 0-47084866-9. 320 с.

9. Drucker Erik. Model PLL Dynamics and Phase-Noise Performance. Microwaves & RF, 2000, № 2.

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

11. Ромашов В.В., Ромашова Л.В. Методика расчета коэффициентов аппроксимации спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2012, №1. С. 23 - 27.

12. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Якименко К.А. Применение образов основной частоты ЦВС в гибридных синтезаторах частот // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2013, №3. С. 19-24.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 1307-97508 рцентра.

Поступила 30 сентября 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.

Ромашова Любовь Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники 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

Research of noise performances of hybrid frequency synthesizer based on the PLL with mixer and DDS

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, 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: The paper deals with the operating principle of a hybrid synthesizer of frequencies produced on the basis of phase-locked single-loop system with the mixer and a digital synthesizer. It is suggested to use additional frequency divider of the voltage-controlled oscillator. The equivalent synthesizer circuit diagram with all phase noise sources is worked out. Division ratios for the selected frequencies rates of a hybrid synthesizer are calculated. The expression for the model of spectral power density of phase noise of a hybrid synthesizer is obtained. The results of noise performances simulation of a hybrid synthesizer for different output frequencies (311 GHz) and pattern frequencies in the phase discriminator are given. It is shown that the main contribution to the level of spectral power density of synthesizer phase noise is made by the reference frequency oscillator and the phase discriminator. The increase of pattern frequency of the phase discriminator approximately to 100 MHz level leads to the decrease of phase noise level. The studied hybrid synthesizer in comparison with synthesizers on the basis of phase-locked single-loop system with the frequency divider and the mixer in the feedback loop allows to gain significantly better noise performances due to the usage of the greatest possible pattern frequency of the phase discriminator, a fine interval in a frequency grid determined by a digital synthesizer. Key words: hybrid synthesizer, PLL, direct digital synthesizer, noise characteristics, spectral density of power of phase noises.

References

1. Romashova L.V., Fomitchyov A.N. Investigation of Spectral Characteristics of Phase-Locked Loop System in Frequency Multiplying Mode // Problems of Radio Electronics, OT. 2010. Issue 1. Pp. 23-28.

2. Romashova L.V., Romashov A.V., Fomitchyov A.N. Investigation of Noise Properties of Phase-Locked SingleLoop System with the Mixer in the Feedback Loop // Radio and Telecommunication Systems. 2011, №2. Pp. 20-24.

3. Synthesizer Products Data Book. Data Subject to Change Without Notice. 1997. QUALCOMM Incorporated.

4. Nikitin O.R., Romashova L.V., Romashov A.V., Fomitchyov A.N. Spectral Characteristics of Hybrid Frequency Synthesizers // Radio and Telecommunication Systems. 2011, №1. Pp. 16-20.

5. Romashov V.V., Romashova L.V., Yakimenko K.A., Korovin A.N. Simulation of noise performances of Hybrid Frequency Synthesizers on Integrated Circuits // Radio and Telecommunication Systems. 2013, №1. Pp. 10-15.

6. Patent of the USA, Direct digital synthesis (DDS) phase locked loop (PLL) frequency synthesizer and associated methods / Nicholas Paul Shields; Harris Corporation. № 7250823; It are stated 5/25/2005; Opubl. 7/31/2007. 9 p.

7. Ryzhkov A.V., Popov V.N. Frequency Synthesizers in Radio Communication Equipment. M.: Radio and Communication, 1991. 264 p.

8. Kroupa V.F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. 2003, John Wiley & Sons, Ltd ISBN: 0-47084866-9. 320 p.

9. Drucker, Erik. Model PLL Dynamics and Phase-Noise Performance. Microwaves & RF, 2000. № 2.

10. Romashov V.V., Romashova L.V., Khramov K.K. Research of Phase Noise of Direct Digital Synthesizers, in Proc. of the 2011 IEEE Int. Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2011, Krasnoyarsk, Russia, September 15-16, 2011, pp. 168-171.

11. Romashov V.V., Romashova L.V. Methodology of Calculating Approximating Coefficients of Spectral Power Density of Phase Noise of Direct Digital Synthesizers // Radio and Telecommunication Systems. 2012, №1. Pp. 23-27.

12. Romashov V.V., Romashova L.V., Khramov K.K., Yakimenko K.A. Pattern Application of Fundamental Frequency of Digital Computing Synthesizes in Hybrid Frequency Synthesizers //Radio and Telecommunication Systems. 2013, №3. Pp. 19-24.