Разработка и исследование математических моделей шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов
На правах рукописи
Ромашова Любовь Владимировна РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир 2012
Работа выполнена на кафедре радиотехники и радиосистем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего про фессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых"
Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Никитин Олег Рафаилович
Официальные оппоненты: лауреат Государственной премии СССР доктор технических наук, профессор Кулешов Валентин Николаевич кандидат технических наук, доцент Тельный Андрей Викторович
Ведущая организация: ОАО "Муромский завод радиоизмерительных приборов"
Защита состоится 4 апреля 2012 года в 1400 часов на заседании дис сертационного совета Д212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, корп. 3, ауд. 301.
Тел/факс: (4922) Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу:
600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ. ФРЭМТ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.
Автореферат разослан 2 марта 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.Г.Самойлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В большинстве радиосистем источником высо костабильных колебаний являются синтезаторы частот. В настоящее время наиболее широко применяются синтезаторы, в которых используются ме тод прямого аналогового синтеза, метод фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, а так же цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС, DDS) на основе метода прямого цифрового синтеза. Особенно быстро развиваются системы гибридного синтеза, сочетающие достоинства нескольких видов синтезаторов частот.
Важными особенностями цифрового метода синтеза частот являются возможность быстрого изменения параметров синтезируемого сигнала, вы сокое разрешение по частоте и фазе, наличие цифрового интерфейса для управления. Получившие в последние годы бурное развитие цифровые вы числительные синтезаторы частот легко реализуются в интегральном ис полнении, позволяют синтезировать частоты в широком диапазоне (до со тен мегагерц) с шагом перестройки в сотые доли герца.
Одним из основных параметров синтезаторов частот является относи тельная спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых шумов, изме ряемая при различной частоте отстройки от несущего колебания. Достигае мые в настоящее время уровни СПМ фазовых шумов составляют менее ми нус 170 дБ/Гц и определяются как собственными шумами источников опорных частот, так и шумами звеньев, входящих в данное устройство. Как правило, для анализа шумовых характеристик синтезаторов частот исполь зуют экспериментальные исследования. Для анализа СПМ фазовых шумов разрабатываемых устройств используют методы теоретического анализа с применением усредненных СПМ фазовых шумов различных звеньев синте заторов. Например, имеются достаточно точные аппроксимации СПМ фа зовых шумов для кварцевых генераторов, генераторов, управляемых на пряжением, делителей частоты, фазовых детекторов, усилителей и других.
С использованием их проводится теоретический анализ СПМ фазовых шу мов синтезаторов, реализованных с помощью прямых аналоговых методов и систем ФАПЧ.
Методы расчета фазовых шумов систем ФАПЧ изложены в работах В.В.Шахгильдяна, В.Н.Кулешова, В.Манассевича, А.В.Рыжкова, В.Н.Малиновского, С.К.Романова, В.А.Левина, V.F.Kroupa, K.V.Puglia, J.Esterline, Ulrich L. Rohde, Bar-Giora Goldberg, E.Drucker и др.
Для ЦВС подобных аппроксимирующих выражений для СПМ фазо вых шумов имеется весьма ограниченное количество, причем точность их невелика. Это связано с тем, что до недавнего времени уровень СПМ фазо вых шумов ЦВС определялся в основном шумами квантования цифро аналогового преобразователя (ЦАП) с количеством разрядов до 10, так как уровень собственных шумов ЦВС был существенно меньше шумов кванто вания. Для оценки же шумов квантования известна достаточно простая и точная формула. Большое внимание уделялось и уделяется оценке уровня дискретных спектральных составляющих выходного сигнала ЦВС, имею щих существенное (-60...-80 дБ) значение. Развитию теории цифровых вы числительных синтезаторов посвящены работы V.F.Kroupa, Jouko Vankka, Bar-Giora Goldberg, Н.П.Ямпурина, H.T.Nicholas и других. Исследование шумовых характеристик ЦВС отражено в работах V.F.Kroupa, В.Н.Кулешова, Bar-Giora Goldberg.
На современном этапе количество разрядов ЦАП интегральных циф ровых синтезаторов достигает 14, тактовые частоты возросли до 1 ГГц, по этому уровень шумов квантования стал существенно меньше собственных шумов звеньев ЦВС. При проектировании формирователей сигналов радио систем, реализованных на цифровых вычислительных синтезаторах, оценку уровня фазовых шумов выходных сигналов можно произвести на основе моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов функцио нальных звеньев системы. Однако вопросы построения модели СПМ фазо вых шумов ЦВС и развитие методов анализа фазовых шумов формировате лей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов не нашли должного отражения в литературе. Поэтому проблема разработки моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов цифровых вычисли тельных синтезаторов для расчета шумовых характеристик формирователей сигналов является актуальной.
Целью работы является разработка математической модели спек тральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для исследования шумовых характеристик формирователей сигналов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- исследовать составляющие фазовых шумов выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов, проанализировать известные ма тематические модели СПМ фазовых шумов функциональных узлов радио электронной аппаратуры;
- разработать математическую модель спектральной плотности мощ ности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов и методику расчета коэффициентов модели по экспериментальным шумовым характе ристикам синтезаторов;
- исследовать с помощью разработанной математической модели шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и срав нить их с экспериментальными характеристиками интегральных синтезато ров;
- разработать математические модели шумовых характеристик и про вести анализ фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов, имеющих встроенный умножитель тактовой частоты;
- разработать математические модели и провести анализ шумовых характеристик гибридных схем синтезаторов на основе цифровых вычисли тельных синтезаторов и систем ИФАПЧ и сравнить их между собой;
- рассмотреть практическое применение предложенных моде лей шумовых характеристик для исследования шумовых свойств фор мирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.
Методы исследования Для решения поставленных задач использовались методы спектраль ного анализа, автоматического управления, математического и имитацион ного моделирования, вычислительной математики, методы аппроксимации.
Моделирование и расчет по разработанным методикам проводился с ис пользованием программного пакета Mathcad.
Научная новизна работы 1. Предложена математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, учи тывающая собственные шумы звеньев синтезатора и их зависимость от вы ходной и тактовой частот.
2. Разработана методика расчета коэффициентов математической мо дели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычис лительных синтезаторов по экспериментальным шумовым характеристикам.
3. Исследованы шумовые характеристики цифровых вычислитель ных синтезаторов и систем ИФАПЧ при различных параметрах анализи руемых устройств.
4. Разработаны математические модели и проведено исследование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на основе цифро вых вычислительных синтезаторов и фазовой автоподстройки частоты.
5. Показана возможность теоретического анализа шумовых характе ристик разрабатываемых формирователей сигналов с использованием пред ложенной математической модели спектральной плотности мощности фа зовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.
Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
- предложенная математическая модель шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов позволяет на стадии проектиро вания провести оценку спектральной плотности мощности фазовых шумов разрабатываемых устройств с погрешностью (1 … 3) дБ/Гц;
- разработанная модель шумовых характеристик цифровых вычисли тельных синтезаторов позволяет выбрать синтезатор и определить его пара метры для получения требуемого уровня фазовых шумов выходного сигнала;
- созданы программы расчета спектральной плотности мощности фазо вых шумов различных вариантов построения синтезаторов на основе цифро вых вычислительных синтезаторов и ИФАПЧ, позволяющие рассчитывать и сравнивать шумовые характеристики разрабатываемых устройств при изменении их параметров.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель спектральной плотности мощности фазо вых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.
2. Методика расчета коэффициентов математической модели спек тральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по их экспериментальным шумовым характеристикам.
3. Результаты анализа фазовых шумов интегральных цифровых вы числительных синтезаторов.
4. Математические модели и результаты анализа шумовых характери стик гибридных синтезаторов на основе цифровых вычислительных синте заторов и систем ИФАПЧ.
Апробация результатов работы и публикации Основные результаты работы докладывались и обсуждались на сле дующих конференциях: 9-ой Международной IEEE Сибирской конферен ции по управлению и связи SIBCON-2011, Красноярск;
9-ой международ ной научно-технической конференции «Перспективные технологии в сред ствах передачи информации», 2011, Владимир;
I-III Всероссийских научных «Зворыкинских чтениях, 2009, 2010, 2011, Муром;
Всероссийской научно практической конференции «Прикладные вопросы формирования и обра ботки сигналов в радиолокации, связи и акустике» в рамках Всероссийских радиофизических научных чтениях-конференцииях памяти Н.А. Арманда, 2010, Муром;
Второй Всероссийской научно-практической кронференции «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы. РЛС-2010», 2010, Муром.
По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ. Из них 4 статьи в журналах из списка ВАК, 4 статьи в журналах из списка РИНЦ.
Внедрение результатов работы Результаты работы внедрены в исследования по ОКР на ОАО «Му ромский завод радиоизмерительных приборов», в учебном процессе кафед ры РТ и РС Владимирского государственного университета. Кроме того, использовались при выполнении хоздоговорной НИР «Исследование тех нических характеристик РЛС 35Н6 и 39Н6, разработка предложений по по строению на их базе новых радиолокационных станций и систем», 2010 г. и при выполнении исследований по гранту РФФИ № 11-07-00650-а.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, спи ска литературы, включающего 85 наименований, 3-х приложений. Общий объем диссертационной работы вместе с приложениями составляет страниц. Работа содержит 92 рисунка и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы работы. Указаны цель и задачи исследования. Обоснована научная новизна и практические резуль таты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен краткий обзор методов синтеза частот и сравнение основных характеристик и параметров синтезаторов частот. Важ нейшим параметром синтезатора частот является уровень фазовых шумов выходного колебания, который оценивается относительной величиной спектральной плотностью мощности фазовых шумов. Показано, что в на стоящее время наилучшими синтезаторами с точки зрения достижения ми нимальных фазовых шумов и быстродействия являются цифровые вычис лительные синтезаторы, которые пока имеют ограничения по максимальной рабочей частоте.
Основным направлением в теории синтеза частот в настоящее время является развитие цифровых методов синтеза и применение гибридных синтезаторов частот, позволяющим реализовать все возрастающие требова ния к параметрам синтезируемых сигналов.
Кратко даны основные понятия спектрального анализа шумов радио устройств. Рассмотрена методика анализа шумовых свойств синтезаторов сигналов с использованием моделей СПМ фазовых шумов функциональных звеньев, которые позволяют сравнивать уровни шума на выходе устройств с различной мощностью сигнала Рс Pш S вых ( с ) L( jс j) * S вх ( с ) S шсоб (с ), (1) Pс где Pш – мощность шума, обусловленная шумовой фазовой модуляци ей, в полосе 1 Гц на частоте с+;
Sвых(с+), Sвх(с+) – СПМ фазовых шумов на выходе и входе каскада, соответственно;
L(jс+j) – коэффици ент передачи входного шума каскадом;
Sшсоб(с+) - СПМ собственных фа зовых шумов каскада;
- частота отстройки от несущей.
Отмечается, что известные модели СПМ фазовых шумов функциональ ных звеньев наиболее часто аппроксимируются степенными функциями. Про ведена классификация моделей СПМ фазовых шумов для основных функцио нальных звеньев синтезаторов (генераторов, усилителей, детекторов, умножи телей и делителей частоты и др.) и приведены выражения для них.
Проведенный анализ показал, что СПМ фазовых шумов ЦВС можно представить суммой трех составляющих: СПМ фазовых шумов генератора тактового сигнала, шумов квантования и собственных шумов элементов синтезатора S выхЦВС F ST F K ЦВС S кв F S собЦВС F, (2) где K ЦВС f out fT 2 - коэффициент передачи ЦВС по шумам, fT и fout – тактовая и выходная частоты, F – частота отстройки от несущей.
Без первого слагаемого выражение (1) представляет модель СПМ фа зовых шумов цифрового вычислительного синтезатора. Проведенный ана лиз известных моделей СПМ фазовых шумов ЦВС показал, что они имеют существенную погрешность (8 … 20 дБ/Гц) по сравнению с эксперимен тальными шумовыми характеристиками современных интегральных ЦВС.
Поэтому разработка математических моделей СПМ фазовых шумов цифро вых вычислительных синтезаторов для теоретического анализа шумовых характеристик радиоустройств является актуальной задачей. В связи с этим поставлены цель исследования и задачи, которые необходимо решить.
Во второй главе проведен подробный анализ шумов квантования и собственных шумов цифровых вычислительных синтезаторов, определяе мых в основном ЦАП. С учетом эффекта передискретизации и частотной характеристики ЦАП получено уточненное выражение для СПМ фазовых шумов квантования f f f 2 N 0, sin out out out.
S кв 2 (3) f f Т fТ Т где N – количество разрядов ЦАП.
Показано, что при синтезируемых частотах, существенно меньших тактовой, и значениях N 14 СПМ шумов квантования значительно мень ше собственных шумов ЦВС (- 170 дБ/Гц). При десятиразрядном ЦАП шу мы квантования превышают собственные шумы ЦВС. Снижение тактовой частоты также приводит к возрастанию шумов квантования, поэтому даже при количестве разрядов ЦАП N=14 требуется их учет. Также при этом не обходим учет шумов, вносимых тактовым генератором.
На основании результатов теоретических исследований и анализа экс периментальных шумовых характеристик синтезаторов предложена мате матическая модель СПМ фазовых шумов ЦВС в виде суммы СПМ состав ляющих белого частотного шума, фликкер-шума, 2-х естественных состав ляющих и шумов квантования, учитывающая зависимость от выходной и тактовой частот f out 10 k 2 10 k1 k S F k f F 2 F 10 10 S кв, (4) T где коэффициенты k2, k1, k4, k3 определяют уровень СПМ 1/F2 шума, 1/F шума, естественной шумовой составляющей входных цепей и естест венной шумовой составляющей сопротивления нагрузки, соответственно.
Разработана методика определения коэффициентов ki по эксперимен тальным СПМ фазовых шумов интегральных ЦВС (рисунок 1).
Коэффициент k1 определяет уровень 1/F шума и рассчитывается при частоте отстройки F=1000 Гц f k1 lg 10 SдБ F, fout min / 10 F / out min. (5) f T при F 1000 Гц Здесь S дБ F, f out min – значение СПМ шума в децибелах, определяемое для наименьшей выходной частоты ЦВС foutmin, для которой имеются экспери ментальные характеристики.
Рисунок 1. К методике определения ко эффициентов ki по экспериментальным k2 СПМ фазового шума интегрального ЦВС (на примере AD9911 для низшей (15 МГц) и высшей (100 МГц) синтези S100_ руемых частот) S15_ k1 k k 3 4 5 6 110 110 110 110 10 F 10 Величина k2 определяет уровень белого частотного шума 1/F2 и рас считывается для минимальной частоты отстройки F=10 Гц 10 SдБ F, f out min / 10 F 2 / f out min 10 k1 F k 2 lg. (6) f T при F 10 Гц Естественные составляющие определяются для частот отстройки F 1 МГц, когда фликкер-шумы практически равны нулю. Коэффициент k3 рассчитывается для наименьшей выходной частоты ЦВС f k 3 lg10 SдБ F, fout min /10 2 2 N 0,59 out min. (7) f T2 при F 106 Гц Коэффициент k4 определяется для максимальной выходной частоты синтезатора, для которой имеются экспериментальные зависимости СПМ 10SдБ F, foutmax /10 10k3 / f outmax 22N 0,59 k4 lg. (8) f fout max T при F 106 Гц Для ЦВС AD9911 коэффициенты аппроксимации k1=-9, k2=-8,3, k3= 17,8, k4=-14,8 и после подстановки в (4) выражение для математической мо дели СПМ фазовых шумов этого синтезатора 10 8,3 10 9 f f 10 14,8 10 17,8 2 2 N 0,59 out.
S F out (9) f F2 f F T Т Рассчитанные коэффициенты математических моделей СПМ фазовых шумов для некоторых интегральных ЦВС фирмы Analog Devices приведены в таблице.
Микросхемы инте- N – кол. k1 k2 k3 k гральных ЦВС фир- разрядов мы Analog Device ЦАП AD9858 10 -9,8 -8,8 -15,6 -13, AD9913 10 -9,1 -8,7 -17,5 -14, AD9854 12 -9,3 -8,8 -16,2 -14, AD9910 14 -9,2 -8,4 -16,8 -14, AD9912 14 -9,2 -7,2 -17,2 -15, AD9956 14 -8,3 -8,9 -16,5 -13, С использованием предложенной модели СПМ фазовых шумов и рас считанных коэффициентов модели проведено исследование шумовых ха рактеристик интегральных цифровых вычислительных синтезаторов и сравнение их с экспериментальными характеристиками (рисунки 2, 3). Про веден анализ шумов для произвольных выходной и тактовой частот синте затора (рисунок 4), исследованы зависимости СПМ шумов от выходной частоты для различных частот отстройки (рисунок 5).
Проведенный аналогичный анализ для всех ЦВС Analog Devices, имеющих экспериментальные шумовые характеристики, показал, что раз работанная математическая модель спектральной плотности мощности фа зовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов позволяет с погреш ностью 1-3 дБ/Гц проводить анализ шумовых характеристик таких синтеза торов при произвольных параметрах.
110 S397_ S201_9910 S100_ S40_9911 130 S98_ S20_ S100_ ( F) S397_ ( F) S40_ ( F) S201_ ( F) S15_ S98_ ( F) S15_ ( F) S20_ ( F) 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 10 100 110 110 110 110 110 110 110 110 1 10 1 10 10 10 F F Рисунок 2. Экспериментальные (с кру- Рисунок 3. Экспериментальные (с кру жочками) и теоретические СПМ фазовых жочками) и теоретические СПМ фазовых шумов ЦВС AD9911 для выходных час- шумов ЦВС AD9910 для выходных час тот 100 МГц, 40 МГц, 15 МГц при такто- тот 397 МГц, 201 МГц, 98 МГц, 20 МГц вой частоте 500 МГц при тактовой частоте 1 ГГц Третья глава посвящена исследованию фазовых шумов гибридных синтезаторов частот на основе ЦВС и систем ИФАПЧ с применением раз работанных моделей СПМ фазовых шумов ЦВС.
100 100 S ( 10 fout ft ) S200_ ( F) 120 S ( 100 fout ft ) 3 S120_ ( F) S 10 fout ft 130 S 10 fout ft S50_ ( F ) S25_ ( F ) S 10 fout ft 160 160 3 4 5 6 7 4 5 6 7 8 10 100 110 110 1 10 110 110 1 10 1 10 1 10 1 10 1 10 1 7 10 F 10000 fout 10 5 Рисунок 5. СПМ 10фазовых шумов ЦВС ft Рисунок 4. Теоретические СПМ фа зовых шумов AD9911 для выходных AD9910 в зависимости от выходной частоты частот 25, 50, 120, 200 МГц при так- при различных частотах отстройки (10, 100, 1000, 104, 106 Гц) и тактовой частоте 1 ГГц товой частоте 250 МГц Рассмотрены наиболее часто применяемые в гибридных синтезаторах системы ИФАПЧ с делителями частоты и смесителем в цепи обратной связи.
Составлены эквивалентные схемы и получены модели СПМ фазовых шумов:
системы ИФАПЧ с делителями частоты S S F F S F S ДПКД F ФД 2 H 31 F 2 N 2, (10) S ФАПЧ F ГОЧ ДФКД N1 ЕЧФД S ГУН F H 32 F системы ИФАПЧ со смесителем S F F S ГОЧ F S F S СМ F SУЧ 2F F ФД S ФАПЧ S ДФКД ДПКД 2 2 (11), N1 ЕЧФД N2 N S ГОЧ F N 2 3 S ДФКД F N 2 H 31 F S ГУН F H 32 F N N2 2 где символом S обозначены СПМ шумов соответствующих звеньев, H (F ) и H 32 ( F ) – передаточные функции замкнутого H 31 ( F ) 1 H (F ) 1 H (F ) кольца ИФАПЧ по внешним и внутренним шумам, K ФНЧ ( F ) S ГУН EФД – передаточная функция разомкнутого кольца H(F) pN ИФАПЧ, KФНЧ(F) – передаточная функция ФНЧ, SГУН – крутизна характери стики ГУН, ЕФД – максимальное выходное напряжение ФД, p – оператор, N и N2 – коэффициенты деления входного делителя и делителя частоты в цепи обратной связи, N3 – коэффициент умножения умножителя частоты генера тора опорной частоты.
Проведено моделирование и рассчитаны СПМ фазовых шумов для различных параметров системы для случаев ФНЧ первого и второго поряд ков, определен вклад собственных шумов составляющих звеньев систем ИФАПЧ в общий уровень шума выходного сигнала.
Рассмотрено применение полученных моделей СПМ фазовых шумов ИФАПЧ для расчета шумовых характеристик интегральных ЦВС, имеющих встроенный умножитель в виде петли ИФАПЧ с изменяемым коэффициен том умножения. Обобщенная функциональная схема такого гибридного синтезатора приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Обобщенная структурная схема цифрового вычислительного синтеза тора со встроенным умножителем тактовой частоты на ИФАПЧ Для оценки шумовых свойств в диапазоне отстроек разработана ма тематическая модель шумовых характеристик такого ЦВС S вых ( F ) K ЦВС S ФАПЧ ( F ) S ЦВС ( F ), (12) где SФАПЧ(F) - определяется по формуле (10) при N1=1, SЦВС(F) – определяет ся по формуле (4).
Проведены анализ шумовых характеристик ЦВС со встроенным умножи телем тактовой частоты и сравнение с экспериментальными зависимостями (рисунки 7, 8). Показана возможность применения полученных моделей для анализа шумовых характеристик таких ЦВС при произвольных выходных час тотах, коэффициентах умножения тактовой частоты, частоте отстройки от не сущей (рисунки 9, 10). Достоинством полученных моделей является возмож ность оценить фазовые шумы интегральной микросхемы ЦВС при параметрах, для которых отсутствуют экспериментальные шумовые характеристики.
90 90 100 110 S201_9910 i 20) ( S100_9911( i 5) S201_9910x20 S100_9911x5i 120 i S20_9910( i 20) S40_9911( i 5) S20_9910x S40_9911x5i i 160 3 4 5 6 3 4 5 6 7 10 100 110 110 110 110 110 110 110 110 10 10 Fi Fi 10 Рисунок 7. СПМ фазовых шумов выходного Рисунок 8. СПМ фазовых шумов выходного сигнала интегрального ЦВС AD9911 со встро- сигнала интегрального ЦВС AD9910 со встро енным умножителем тактовой частоты на 5 енным умножителем тактовой частоты на для частот выходного сигнала 100 и 40 МГц для частот выходного сигнала 201 и 20 МГц (без символов – теоретические, с символами – экспериментальные) Рисунок 9. Теоретические СПМ фазовых Рисунок 10. Теоретические СПМ фазовых шумов выходного сигнала ЦВС AD9910 шумов выходного сигнала ЦВС AD9910 от для выходной частоты 150 МГц и коэф- коэффициента умножения тактовой частоты фициентах умножения тактовой частоты при выходной частоте 100 МГц и частотах отстройки 10,103,105, 106, 107 Гц 12, 25, 50, Рассмотрены примеры реализации гибридных синтезаторов на основе ЦВС и ФАПЧ на интегральной микросхеме AD9858 (рисунок 11 и рисунок 12).
fФАПЧ SЦВС SФАПЧ f ЦВС Рисунок 11. Гибридный синтезатор AD9858: использование ЦВС в качестве опор ного генератора системы ФАПЧ Разработана математическая модель шумовых характеристик такого гибридного синтезатора с использованием формулы (11) при N3=0, S УЧ F S ДПКД F 0 и учетом математической модели (4):
S F SФД F ЦВС S F * S ФАПЧ1 F S Д F СМ Е N1. (13) ФЧД 2 * H 31 F S ГУН F H 32 F В качестве модели СПM фазовых шумов синтезатора на рисунке использовано выражение (10) при N1=1, в котором вместо СПМ фазовых шумов ДПКД подставлено выражение для SЦВС(F) F S Д F S S ГОЧ F S ЦВС F ФЧД S ФАПЧ2 F 2 N2, (3.18) ЕФЧД 2 H 31 F S ГУН F H 32 F N ЦВС _ Д где N ЦВС _ Д fT f ЦВС 2 - коэффициент деления ДПКД, состоя щего из ЦВС и делителя частоты Д в цепи обратной связи.
f ФАПЧ Рисунок 12. Гибридный синтезатор AD9858: использование ЦВС как делителя частоты с переменным коэффициентом деления системы ФАПЧ Проведенное моделирование шумовых характеристик (рисунки 13, 14) указанных вариантов гибридных синтезаторов по разработанной модели шумовых характеристик ЦВС (4) показало хорошее совпадение теоретиче ских и экспериментальных зависимостей (погрешность 1-2 дБ/Гц).
Рисунок 13. Рассчитанные SФАПЧ1 и экс- Рисунок 14. Рассчитанные SФАПЧ2 и экспе периментальные Sэкс1 шумовые характе- риментальные Sэкс2 шумовые характеристи ристики гибридного синтезатора ки гибридного синтезатора AD9858 с ис AD9858 с использованием ЦВС в каче- пользованием ЦВС в цепи обратной связи стве опорного генератора в цепи ФАПЧ ФАПЧ В четвертой главе показано применение разработанных математиче ских моделей для анализа шумовых свойств формирователей сигналов ра диосистем с заданными параметрами. Приведены структурные схемы и рас чет частотного плана исследуемых гибридных формирователей сигналов радиосистем на основе цифровых вычислительных синтезаторов.
Рассмотрены 2 варианта построения формирователей сигналов (рису нок 15): в первом умножитель частоты УЧ1 для повышения тактовой часто ты ЦВС реализован в виде транзисторного умножителя частоты, во втором с помощью встроенной ИФАПЧ. Умножитель частоты УЧ2 выполнен на транзисторном умножителе.
Рисунок 15. Обобщенная схема формирователя сигналов радиосистемы На основании составленных эквивалентных схем формирователей сигналов получены математические модели шумовых характеристик первого 2 2 SФ _ У F S ГОЧ F n1 SУЧ 1 F K ЦВС S ЦВС F n2 SУЧ 2 F (15) и второго варианта построения формирователя сигналов 2 SФ ( F ) K ЦВС S ИФАПЧ ( F ) S ЦВС ( F ) n2 S УЧ2 ( F ), F SФНЧ F S S ИФАПЧ F S ГОЧ F S ДПКД F ИФД *.
ЕИФД (16) 2 * N 2 H 31 F S ГУН F H 32 F Здесь SУЧ 1,2 F - СПМ фазовых шумов умножителей частоты УЧ1 и УЧ2. В качестве генератора опорной частоты применен кварцевый генера тор ГК85-ТС.
Для различных соотношений n1 и n2 рассчитаны СПМ фазовых шумов формирователей (рисунок 16) на интегральных микросхемах Analog Devices с различными тактовыми частотами. Для синтезаторов с большей тактовой частотой СПМ фазовых шумов выходного сигнала формирователя меньше, причем для любого типа ЦВС шумы меньше при n1 n2, когда основной вклад вносит генератор опорной частоты. При n1 n2 основной вклад в СПМ фазовых шумов вносит цифровой вычислительный синтезатор.
а) б) Рисунок 16. СПМ фазовых шумов формирователей сигналов на ЦВС AD9910 при а) N2=n1=6, n2=60 и б) N2=n1=40, n2= Формирователь сигналов с использованием интегральных ЦВС со встроенным умножителем тактовой частоты на основе ИФАПЧ имеет на дБ больший уровень СПМ фазовых шумов при n1 n2 и на 12 дБ – при n1 n из-за недостаточно хороших шумовых характеристик встроенного им пульсно-фазового детектора.
В заключении приведены основные научные и практические резуль таты работы.
1. Проведен анализ известных математических моделей шумовых ха рактеристик функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Иссле дованы составляющие фазовых шумов выходных сигналов цифровых вы числительных синтезаторов.
2. Разработана математическая модель спектральной плотности мощ ности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, в которой собственные шумы предлагается аппроксимировать суммой 4-х состав ляющих: естественного шума входных цепей цифро-аналогового преобра зователя, естественного шума сопротивления нагрузки, фазового фликкер шума и белого частотного шума. Предложена методика расчета коэффици ентов математической модели по экспериментальным шумовым характери стикам синтезаторов.
3. С использованием разработанной модели спектральной плотности мощности фазового шума цифровых вычислительных синтезаторов прове ден анализ шумовых характеристик интегральных цифровых синтезаторов.
Сравнение рассчитанных и экспериментальных шумовых характеристик синтезаторов показало их хорошее совпадение (погрешность 1 … 3 дБ/Гц).
4. Разработаны модели шумовых характеристик систем ИФАПЧ с де лителями частоты и со смесителем, наиболее часто используемые в гибрид ных синтезаторах с ЦВС, и проведен анализ их шумовых характеристик.
5. Разработаны математические модели и проведен анализ шумовых характеристик интегральных ЦВС фирмы Analog Devices, имеющих встро енный умножитель тактовой частоты на основе ИФАПЧ. Сравнение с экс периментальными шумовыми характеристиками ЦВС подтвердили вер ность разработанных моделей (погрешность 1 … 3 дБ/Гц).
6. Разработаны модели и проведен анализ шумовых характеристик гибридных синтезаторов на основе ЦВС и систем ИФАПЧ, сравнение с экс периментальными характеристиками подтвердили их применимость для теоретических оценок.
7. Рассмотрены варианты построения формирователей сигналов радио систем на основе цифровых вычислительных синтезаторов, приведен пример расчета их шумовых характеристик и сравнение результатов между собой.
8. Разработаны программы для анализа фазовых шумов выходных сигналов формирователей сигналов в среде МАТКАД, позволяющие рассчи тывать и сравнивать шумовые характеристики разрабатываемых уст ройств при изменении их параметров.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что цель работы достигнута – разработана математическая модель спектраль ных плотностей фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, с ее помощью разработаны модели и исследованы шумовые характеристики формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезато ров и систем ИФАПЧ.
В приложении приведены листинги разработанных программ, акты внедрения результатов диссертационной работы.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Ромашова, Л.В. Исследование спектральных характеристик систе мы ИФАПЧ в режиме умножения частоты / Л.В.Ромашова, А.Н.Фомичев // Вопросы радиоэлектроники, сер. ОТ. - 2010. - Выпуск 1. - С. 23-28.
2. Никитин, О.Р. Разработка модели относительной спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов О.Р.Никитин, Л.В.Ромашова // Вопросы радиоэлектроники, сер. РЛС. 2011. - Выпуск 1. - С. 25 – 33.
3. Ромашова, Л.В. Исследование фазовых шумов интегральных вы числительных синтезаторов со встроенным умножителем тактовой частоты / Л.В. Ромашова // Вопросы радиоэлектроники, сер. РЛС. - 2011. - Выпуск 1.
- С. 33 – 38.
4. Ромашова, Л.В. Моделирование спектральных характеристик цифро вых вычислительных синтезаторов частот / Л.В.Ромашова, А.В.Ромашов // Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - №1. - С. 19 – 22.
В других изданиях:
5. Никитин, О.Р. Анализ шумовых свойств DDS синтезаторов частот О.Р.Никитин, Л.В. Ромашова // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сборник научных трудов / Выпуск 11. - М.: Радио техника, 2009. - С.98 - 103.
6. Никитин, О.Р. Спектральные характеристики гибридных синтеза торов частот / Никитин О.Р., Ромашова Л.В., Ромашов А.В., Фомичев А.Н.
// Радиотехнические и телекоммуникационные системы. – 2011. - №1. - С.
16 - 20.
7. Ромашова, Л.В. Исследование шумовых свойств однокольцевой ФАПЧ со смесителем в цепи обратной связи / Л.В.Ромашова, А.В.Ромашов, А.Н.Фомичев // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011. - №2. - С. 20 - 24.
8. Ромашова, Л.В. Анализ собственных фазовых шумов цифровых вы числительных синтезаторов частот / Л.В.Ромашова, А.В.Ромашов // Радио технические и телекоммуникационные системы. – 2011. - №3. - С. 25 - 29.
9. Ромашова, Л.В. Анализ спектральных характеристик цифровых синтезаторов частот / Л.В.Ромашова // Тез. докл. Всероссийских научных Зворыкинских чтений I. Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономиче ской сфер регионов России». - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009. – Т.1. - С. 40.
10. Ромашова, Л.В. Модель относительной спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Радиолокационная техника: устройства, станции, системы РЛС-2010.
Тезисы докладов Второй Всероссийской научно-практической кронференции. – Муром, 2010. – С. 22 - 23.
11. Ромашова, Л.В. Аппроксимация аддитивной составляющей спек тральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезато ров / Л.В.Ромашова // Радиолокационная техника: устройства, станции, системы РЛС-2010. Тезисы докладов Второй Всероссийской научно практической кронференции. – Муром, 2010. – С. 21-22.
12. Ромашова, Л.В. Разработка модели относительной спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике [Электронный ресурс]: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти Н.А. Арманда. Сб.
тез. докладов II научно-практического семинара (Муром, 28 июня – 1 июля 2010 г.). – Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010. – 108 с.:
ил. – № гос. регистрации 0321001173.
13. Ромашов, А.В. Модели спектральных характеристик кварцевых генераторов / А.В.Ромашов, Л.В.Ромашова // Наука и образование в разви тии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России [Электронный ресурс]: III Всероссийские научные Зворыкинские чтения.
Сб. тез. докладов III Всероссийской межвузовской научной конференции. Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2011. – С. 565.
14. Ромашов, А.В. Модели спектральных характеристик цифровых вы числительных синтезаторов / А.В.Ромашов, Л.В.Ромашова // Наука и образо вание в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регио нов России [Электронный ресурс]: III Всероссийские научные Зворыкинские чтения. Сб. тез. докладов III Всероссийской межвузовской научной конфе ренции. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2011. – С. 585.
15. Romashova, L.V. Research of Noise Characteristics of Hybrid Fre quency Synthesizers on the Basis of Direct Digital Synthesizers and PLL Sys tems / L.V.Romashova, A.V.Romashov, A.N.Fomichyov // Proceedings of the 2011 IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON, Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, Sep tember 1516, 2011. – IEEE Catalog Number: CFP11794-CDR. - Pp. 113 – 115.
16. Ромашова, Л.В. Анализ шумов квантования цифровых вычисли тельных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Перспективные технологии в сред ствах передачи информации: Материалы 9-й международной научно технической конференции / Владим. гос. университет;
редкол.: А.Г. Самой лов (и др.). – Владимир: ВлГУ, т. 2. – 2011. – С. 125 - 127.
Подписано в печать 27.02.2012.
Формат 60х84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.
Издательство Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых 600000, Владимир, Горького, 87.