Abstract

Babashev E. Experimental substantiations of recommendations concerning designing frequency multipliers in structure of transmitting devices of the MICROWAVE. Researching of influence of own noise in the transmitter circuit on a ratio signal / noise on the device output.

Актуальность проблемы

По мере возникновения и развития новых коммуникационных технологий проблема со стабильностью несущей частоты приемо-передающих устройств становится всё более актуальна. Так как частоты передающих устройств доходят уже до нескольких сотен гигагерц, то и обеспечение связи на такой частоте предполагает постановку более жестких требований к характеристикам сигнала.

Причины возникновения нестабильности частоты

Переход к новым технологиям связи, вызвал множество проблем, тесно связанных с принципами передачи сигналов как в аналоговом, так и в цифровом виде. Одной из проблем, которые возникают при передаче сигналов, является нестабильность частоты (а, следовательно, и фазы) переданного/принятого сигнала. Это понятие получило название джиттер или фазовый шум. Существует несколько основных причин возникновения джиттера, что влияют на параметры качества систем связи. В частности, появление в системе регулярного и нерегулярного джиттера обусловлено разными причинами его возникновения. В основном, причиной возникновения джиттера могут быть нарушения в канале передачи, электромагнитные помехи (ЭМП) и интерференция с внешними источниками сигнала, такими как шум, отражения, перекрестные помехи или интерференция с сигналами цепей питания и другими источниками ЭМП. Но всё же одной из основных причин возникновения джиттера в радиоканале есть нестабильность несущей частоты опорного (кварцевого) генератора. Нестабильность исходного сигнала непосредственно зависит от характеристик кварца и от схемы, в которую он включен. Нестабильность кварца – это только одна сторона проблемы. Сигнал с генератора поступает на цепочку умножителей, которая увеличивает частоту до нужной для передачи по каналу связи. Поскольку с генератора поступает сигнал не с идеальным спектром (т.е. присутствует шумовой «пьедестал»), то одновременно с умножением частоты полезного сигнала умножается и помеха, и значительно ухудшается соотношение сигнал/шум.

Характеристики кварцевых резонаторов

Пьезоэлектрические резонаторы (ПР) являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и предназначены для использования в аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты или полосы частот. Сопротивление ПР в широкой области частот имеет емкостный характер и только на некоторых частотах имеет резко выраженный резонанс, что определяет название компонента.

Основным электрическим параметром ПР является частота его резонанса, жестко фиксированная. Максимальная частота, на которой могут работать ПР, составляет порядка 120..150МГц. Обычно, такую частоту дает кварц, запущенный на 5-7 гармонике.

Наиболее стабильными являются кварцевые резонаторы, работающие на частоте около 5МГц. Кварцевые резонаторы, запущенные на частотах выше или ниже 5МГц, имеют как более низкую стабильность, так и меньшее соотношение сигнал/шум.

Краткая характеристика объекта исследований

В генераторах несущей (ГН) для УК В диапазона кварцевый резонатор обычно работает на частоте около 100МГц, которая потом увеличивается до требуемой. Это критический случай, так как этот генератор имеет очень низкий шумовой порог, и каждая стадия умножения прибавляет шум в 6дБ к сигналу с каждым удвоением частоты. Кроме того, технология умножения частоты связана с потерями; уровень сигнала уменьшается сильнее с увеличением порядка умножения, и шум, присущий усилителям первых каскадов может уменьшить порог еще быстрее. Умножая частоту кварца со 100МГц до 10ГГц, уровень шума увеличивается на 40дБ. А на 250ГГц добавленный шум был бы 68дБ или больше.

Рис.3.1. Пример цепочки умножения на 3280.5МГц.

Частота кварца, вы бранная для запуска цепочки, будет очевидно зависеть от необходимой конечной частоты. Если выбрана слишком низкая начальная частота, тогда будет необходим высокий порядок умножения, что может вызвать проблемы со стабильностью и фазовым шумом. Это может также затруднить обеспечение достаточной фильтрации между стадиями, чтобы уменьшить уровень нежелательных помех на выходе. Из-за слишком высокой частоты кварца кристаллы становятся очень дорогими и хрупкими. Оптимальная начальная частота для многих любительских и профессиональных микроволновых приборов находится в диапазоне 90 - 130 МГц.

Кварцевые генераторы, которые работают в диапазоне 100МГц, используют кристаллы, возбуждаемые на пятой или седьмой гармонике. Есть множество соответствующих схем генераторов, но по причине трудной воспроизводимости, низкой стабильности и шумовым характеристикам, выбор останавливается только на некоторых. Наиболее известные из них - кварцевые генераторы на кристаллах Колпитца, что используют мощные полевые транзисторы и активные элементы.

Экспериментальные исследования

Цели экспериментов: с помощью модели передатчика для СВЧ диапазона исследовать влияние собственных шумов схемы на спектр сигнала, в частности, на соотношение Рс/Рш на выходе устройства. Исследовать влияние шума для каждого каскада в отдельности. Найти оптимальные значения Ку усилителей и добротности Q фильтров каждого каскада умножения, при которых будет обеспечиваться лучшее соотношение Рс/Рш. Определить, какой из каскадов вносит наибольшие помехи.

Эксперимент 1. Исследование влияния значений коэффициентов усиления (Ку) усилителей на соотношение Рс/Рш на выходе устройства

Порядок выполнения: увеличивая Ку каждого каскада в диапазоне от 10 до 100, определить наилучшее соотношение Рс/Рш, при этом подавая шум (СКО=0,005..0,05В) сначала на все, потом на 2 последних и, в конце концов, на последний каскад

Рис. 5.1. Схема эксперимента

Моделирование проводилось в пакете SystemView 2.1.

Состав схемы эксперимента (рис. 5.1):

Сигнал с генератора (блок 0) синусоидального колебания на кварцевом резонаторе, настроенном на частоту 121.5МГц, подается на 1 каскад утроения частоты (блоки 1,2,6,3,4):

а) шум, вносимый 1-м каскадом (блок 2);

б) усилитель сигнала; Ку=10..100 (блок 6);

в) ограничитель сигнала (рис. 5.2). Его форма зависит от нелинейных характеристик элементов схемы. Для выделения других гармоник форму характеристики ограничителя можно менять, изменяя коэффициенты при x в блоках 3, 8, 12;

Рис. 5.2. Форма функции ограничителя

Затем на 2 каскад утроения частоты (блоки 18,16,7,8,9):

а) шум, вносимый 2-м каскадом (блок 18);

б) усилитель сигнала (блок 7);

в) ограничитель сигнала (блок 8);

г) полосовой фильтр, который выделяет 9-ю гармонику (1093,5МГц) (блок 9).

Затем на 3 каскад утроения частоты (блоки 19,17,11,12,13:

а) шум, внесенный 3-м каскадом (блок 19);

б) усилитель сигнала (блок 11);

в) ограничитель сигнала (блок 12);

г) полосовой фильтр, который выделяет 27-ю гармонику (3280,5МГц) (блок 13).

Выводы по 1 эксперименту

Шум на 1, 2 и 3 каскаде.

Характер зависимости (рис.5.3) Рс/Рш(Ку) нелинейный и имеет большое число максимумов и минимумов. Такое количество экстремумов вызвано формой функции ограничителей (рис.5.2). Но все-таки глобальный минимум наблюдается при Ку=14, Рс/Рш=11дБ. Максимумов можно выделить несколько: первый наблюдается при Ку=11, а второй – при Ку=25. Отсюда можно сделать вывод, что к выбору Ку нужен особый подход, так как выбранный «вслепую» коэффициент может дать маленькое соотношение Рс/Рш, что скажется на последующих каскадах умножения.

Рис.5.3. Зависимость Рс/Рш(Ку)

Шум на 2 и 3 каскаде.

Характер зависимости (рис.7.4) Рс/Рш(Ку) также нелинейный, и максимум можно выделить в диапазоне значений Ку=20..100 (здесь Рс/Рш>48дб). Минимум виден при Ку=13.

Рис.5.4. Зависимость Рс/Рш(Ку)

Шум на 3-м каскаде.

Характер зависимости (рис.5.5) Рс/Рш(Ку) подобен предыдущему исследованию. Минимум виден при Ку=13, а максимум лежит в диапазоне Ку=15..100.

Рис.5.5. Зависимость Рс/Рш(Ку)

Видя результаты, можно сказать, что максимальное соотношение Рс/Рш обеспечивается при Ку=20..100 на каждом из каскадов умножения. Также из зависимостей видно, что шум на первом каскаде влияет в наибольшей мере на спектр сигнала. Отсюда вытекает, что при создании схемы первого каскада умножения, следует поставить строгие требования к выбору элементной базы, к собственным шумам элементов (например, транзисторов).

Эксперимент 2. Исследование влияния значений добротности фильтров (Q) каскадов умножения на соотношение Рс/Рш на выходе устройства.

Порядок выполнения: увеличивая Q фильтров каждого каскада в диапазоне от 10 до 100, определить наилучшее соотношение Рс/Рш, при этом изменяя добротность каждого фильтра в отдельности.

Состав схемы эксперимента (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Схема эксперимента

Состав схемы эксперимента (рис. 5.6):

Сигнал с генератора (блок 0) синусоидального колебания на кварцевом резонаторе, настроенном на частоту 121.5МГц, подается на 1 каскад утроения частоты (блоки 1,2,6,3,4):

а) шум, вносимый 1-м каскадом (блок 2);

б) усилитель сигнала; Ку=10..100 (блок 6);

в) ограничитель сигнала (рис. 5.2). Его форма зависит от нелинейных характеристик элементов схемы. Для выделения других гармоник форму характеристики ограничителя можно менять, изменяя коэффициенты при x в блоках 3, 8, 12;

Затем на 2 каскад утроения частоты (блоки 18,16,7,8,9):

а) шум, вносимый 2-м каскадом (блок 18);

б) усилитель сигнала (блок 7);

в) ограничитель сигнала (блок 8);

г) полосовой фильтр, который выделяет 9-ю гармонику (1093,5МГц) (блок 9).

Затем на 3 каскад утроения частоты (блоки 19,17,11,12,13:

а) шум, внесенный 3-м каскадом (блок 19);

б) усилитель сигнала (блок 11);

в) ограничитель сигнала (блок 12);

г) полосовой фильтр, который выделяет 27-ю гармонику (3280,5МГц) (блок 13).

Выводы по 2 эксперименту

Увеличение добротности 1-ого фильтра (блок 4):

Характер зависимости (рис.5.7) Рс/Рш(Q) почти линейный и соотношение Рс/Рш ухудшается по мере увеличения добротности. Такой характер зависимости вызван нелинейностью фильтра. Логичной была бы прямая зависимость Рс/Рш(Q), но все вышло наоборот. Поэтому этот эффект нужно исследовать более детально в будущих экспериментах. По графику видно, что добротность 1-го фильтра надо брать в диапазоне Q=10-25.

Рис.5.7. Зависимость Рс/Рш(Q)

Увеличение добротности 2-го фильтра (блок 9).

Характер зависимости (рис.5.8) Рс/Рш(Q) почти линейный и соотношение Рс/Рш немного возрастает по мере увеличения добротности.

Рис.5.8. Зависимость Рс/Рш(Q)

Увеличение добротности 3-го фильтра (блок 13).

Характер зависимости (рис.5.9) Рс/Рш(Q) линейный и соотношения Рс/Рш остается неизменным по мере увеличения добротности.

Рис.5.9. Зависимость Рс/Рш(Q)

По результатам, можно сказать, что изменения добротности влияют только на соотношение Рс/Рш после фильтра 1-го каскада умножения. Отсюда вытекает, что при создании схемы первого каскада умножения, следует поставить строгие требования к выбору добротности фильтра.

Анализ результатов

На основании проведенных исследований можно определить такие рекомендации относительно проектирования умножителей частоты:

•  начальное умножение частоты должно быть сделано на маленькое число (2-3, не более) для минимизации помех;

•  уделить наибольшее внимание минимизации шумов на первом каскаде умножения – подобрать малошумящую элементную базу.

•  для схем умножения надо выбирать такой коэффициент усиления, при котором соотношения сигнал/шум максимально; как показали эксперименты, соотношение Рс/Рш (на 1 каскаде) максимально при Ку=25, на остальных каскадах умножения Ку можно выбирать от 20 до 100;

•  добротность фильтра после первого каскада умножения надо выбирать такую, которая обеспечивает оптимальное соотношение сигнал/шум; по результатам исследований видно, что для 1 каскада умножения Q должно быть от 18 до 20; для остальных же каскадов умножения увеличение либо уменьшение добротности фильтров особых изменений в соотношение Рс/Рш не вносит (рекомендуется выбирать Q >20).

Литература

1. Белоусов О. Кварцевые генераторы. – РАДИО №6,7/2000.

2. И.Г. Бакланов "Методы измерений в системах связи", М., ЭКО-ТРЕНДЗ, 1999.

3. Измерение джиттера в цифровых системах. "ЮНИТЕСТ", 2003 г.

4. Ю.В. Виноградов "Электронные приборы", М., „Связь”, 1977.

5. Джон Стефенсен Стабильный малошумящий кварцевый генератор для СВЧ и трансвертеров. "QEX", 11-12/2000, c.11-17.

6. Виценко А.Ю., Ротков Л.Ю. Программно-сетевой комплекс синтеза транзисторного СВЧ усилителя. Нижегородский госуниверситет, 2004 г.

7. International Microwave Handbook, edited by Andy Barter, 2003.

8. The ARRL UHF/ Microwave Experimenter's Manual, 2002.