Остаточные шумы в синтезаторах частоты на основе систем ФАПЧ с накопителем заряда и анализ путей их устранения

Харченко Д.А, группа ТКС-07м

Руководитель проф. Воронцов А. Г.

Статья опубликована в сборнике тезисов конференции
«Проблемы телекоммуникаций — 2008»

Аннотация

В статье рассматриваются и анализируются причины возникновения неустранимых остаточных шумов в синтезаторах частоты на примере схем, основанных на двух широко применяемых вариантах построения частотно-фазовых детекторов. Предлагается подход к решению указанной проблемы с последующим анализом его эффективности и вносимых ограничений. Приведены графики, полученные в результате симуляции работы системы в среде инженерного моделирования, и позволяющие оценить эффективность предложенных методов.

Вступление

В настоящее время существует тенденция к ужесточению требований к качеству передачи радиосигналов. В таких условиях всё более широкое применение находят устройства, позволяющие обеспечить низкий уровень шумов в каналах связи, не ухудшая при этом остальных их качеств.

Малошумящие синтезаторы частот используются в составе магистральных и зоновых радиорелейных линий передачи широкополосных сигналов (телевидение, многоканальная телефония), панорамных радиоустройствах и спектральных анализаторах, измерительных устройствах [1], а также в системах спутниковой, радиорелейной и проводной связи, требующих быстрой и точной перестройки в широком диапазоне частот. [2, с.191]

Рассмотрим однопетлевую структуру, на основе которой строится большинство синтезаторов частоты на основе ФАПЧ с N-делителем (рис.1).

Рисунок 1 — Структурная схема синтезатора частоты на основе ФАПЧ

Основной проблемой разработки и проектирования синтезаторов частот на основе систем ФАПЧ является неизбежное увеличение выходного уровня фазовых шумов при расширении диапазона перестройки. Решения этой проблемы включают в себя повышение добротности резонатора генератора, управляемого напряжением (ГУН, рис. 1, г), снижение шумов опорного генератора (рис. 1,а), уточнённый расчёт и тщательная настройка фильтра петли ФАПЧ (рис. 1,в) [3], разделение диапазона перестройки между несколькими ГУН [4]. Однако, в спектре выходного сигнала также могут присутствовать шумы и паразитные гармоники, кратные частоте сравнения, причиной которых является несовершенство структуры синтезатора и неидеальность логических схем, входящих в его состав, в частности, частотно-фазового детектора (ЧФД,рис. 1, б).

Целью данной работы является исследование недостатков существующих схем ЧФД, приводящих к значительному уровню остаточных шумов в выходном сигнале ГУН при установившемся режиме работы ФАПЧ, и последующий анализ возможных путей устранения этих недостатков.

Для достижения этой цели необходимо выполнить анализ причин, вызывающих указанные недостатки, рассмотреть способы усовершенствования существующих схем ЧФД, а, в случае невозможности полного устранения остаточных колебаний управляющего сигнала в пределах зоны нечувствительности ЧФД («блужданий»), рассмотреть возможность компенсации возмущений, определяющих эти «блуждания».

Основная часть

В настоящее время, наиболее широкое применение имеют два варианта построения структуры ЧФД (рис. 1, а), представленные на рис. 2. [5]

Рисунок 2 — Виды частотно-фазовых детекторов и временные диаграммы их работы

Достоинствами первой схемы, основанной на элементе «исключающее ИЛИ» (рис. 2, а), является высокая линейность её фазовой характеристики, а также отсутствие проблемы зоны нечувствительности, вследствие того, что управляющий сигнал подаётся на ГУН постоянно (рис. 2, б). Однако, эта же особенность является также и причиной увеличения уровня шумов детектора.

В схеме, построенной на двух D-триггерах (рис. 2, в) управляющий сигнал e(t) может принимать нулевое значение (рис. 2, д). Это позволяет включать генератор подкачки лишь на короткие промежутки времени, что способствует снижению средней мощности шумов выходного сигнала ГУН. Такой принцип может быть реализован благодаря зоне нечувствительности, которая определяется конечной скоростью включения/выключения генератора подкачки [6]. Когда значение фазовой ошибки достигает определённого нижнего предела, сигнал сброса поступает на D-триггеры раньше, чем генератор подкачки успевает зарядить или разрядить петлевой фильтр до значения, соответствующего ширине управляющего импульса ЧФД. Типовым решением этой проблемы является установка искусственной задержки в цепи сброса, которая должна компенсировать инертность петлевого фильтра. При этом нужно учитывать, что слишком большое её значение приведёт к существенному усилению в спектре выходного сигнала паразитных гармоник частоты сравнения [7]. Кроме того, из-за задержки срабатывания логических элементов, данная схема подаёт на вход генератора подкачки короткие управляющие импульсы даже при нулевом значении фазовой ошибки, что не позволяет системе войти в разомкнутое состояние и неизбежно приводит к зашумлению спектра сигнала.

Для современных высокочастотных устройств связи, зачастую определяющим критерием является возможность перестройки по частоте с малым шагом. Для этого, в частности, применяется сигма-дельта модуляция, которая позволяет реализовать дробные коэффициенты деления петлевого делителя [8]. Поскольку в таком случае большое значение имеет линейность характеристики, а на высоких частотах сравнения улучшается эффективность фильтрования паразитных гармоник частоты сравнения, имеет смысл использовать фазовый детектор на основе «исключающего ИЛИ».

Поскольку ЧФД, собранный по такой схеме, не имеет зоны нечувствительности, основной проблемой становится тот факт, что процесс перехода в установившийся режим в общем случае длится бесконечно долго, что, в конечном счёте, приводит к зашумлению спектра выходного сигнала (рис. 3,4,5)

Рисунок 3 — Спектр выходного сигнала

Рисунок 4 — Управляющее напряжение ГУН в пределах 400…680мс от переключения

Рисунок 5 — Управляющий импульс ЧФД в указанном промежутке

Из рисунка 5 видно, что управляющий импульс на выходе ЧФД имеет ширину порядка сотен пикосекунд. Точность, обеспечиваемая подстройкой с такими импульсами, может быть достаточно высока, однако во многих случаях она не востребована. В то же время, колебания управляющего напряжения ГУН даже в таких малых пределах оказывают влияние на чистоту спектра его выходного сигнала.

Для решения этой проблемы можно фильтровать импульсы управления, проходящие на генератор подкачки, по ширине. Таким образом, искусственно создаётся зона нечувствительности, в пределах которой, в отличие от ЧФД на сбрасывающихся триггерах, управляющий сигнал, подающийся на генератор подкачки, отсутствует, а фазовая ошибка компенсируется лишь при достижении границы этой зоны, при помощи импульса, пропорционального ширине последней (рис. 6).

Рисунок 6 — Изменения управляющего напряжения при достижении предела зоны нечувствительности

Результатом является значительное снижение шумов в спектре выходного сигнала (рис. 7).

Рисунок 7 — Спектр выходного сигнала после введения интеграторов в управляющую цепь

Обратным эффектом такого подхода является снижение точности перестройки, однако в большинстве случаев можно достигнуть компромисса между временем перестройки, её точностью, и уровнем фазовых шумов на выходе. В общем случае, зону нечувствительности целесообразно устанавливать минимально возможной, ориентируясь на ширину управляющих импульсов на момент снятия сигнала.

В качестве варианта реализации зоны нечувствительности можно использовать интегратор со сбросом (рис. 8, а,б), который по прохождении заданного времени передаёт интегрированное значение управляющего сигнала на электронный ключ генератора подкачки (рис. 8, в) с заданным уровнем срабатывания по напряжению, откуда, при условии превышения этого уровня, сигнал будет проходить на фильтр. Конечная структура системы представлена на рис. 8.

Рисунок 8 — Усовершенствованная структура синтезатора

Очевидно, что уменьшение «блуждания» управляющего напряжения ГУН, и, как следствие, дальнейшее снижение частоты переключений или полное их устранение положительно повлияет на чистоту спектра выходного сигнала. Одним из простейших способов замедления колебаний управляющего напряжения является введение в цепь «петлевой фильтр – ГУН» звена, выполняющего операцию скользящего усреднения, с временным окном, на порядок большим, чем период интегрирования введённых ранее интеграторов. Результирующее управляющее напряжение на ГУН представлено на рис.9 .

Рисунок 9 — Управляющее напряжение на выходе оператора скользящего усреднения

При этом спектр сигнала имеет следующий вид: (рис.10)

Рисунок 10 — Спектр выходного сигнала после введения оператора скользящего усреднения

Сравнивая спектры на рис. 7 и рис. 10, можно заметить, что устранение «блуждания» управляющего напряжения ГУН даёт лишь незначительный выигрыш в точности перестройки и уровне фазовых шумов. Поскольку физическая реализация звена скользящего усреднения может быть достаточно сложной, его использование имеет смысл только в случаях критичной важности выигрыша, который оно даёт.Сравнивая спектры на рис. 7 и рис. 10, можно заметить, что устранение «блуждания» управляющего напряжения ГУН даёт лишь незначительный выигрыш в точности перестройки и уровне фазовых шумов. Поскольку физическая реализация звена скользящего усреднения может быть достаточно сложной, его использование имеет смысл только в случаях критичной важности выигрыша, который оно даёт.

Заключение

В ходе исследования были проанализированы особенности двух наиболее популярных на данное время вариантов структур ЧФД. Использование их в исходном виде не позволяет получить спектрально чистый сигнал в виду несовершенства их логических алгоритмов, которое приводит к появлению неустранимых остаточных шумов. Вариант усовершенствования, предложенный для одной из структур, частично устраняет эту проблему. Также установлено, что в зоне квазиустановившегося режима наибольшее влияние на спектр выходного сигнала оказывает частота колебаний управляющего напряжения ГУН.

Перечень ссылок

1. 7 GHz prescaler. Электронный ресурс. Способ доступа:
   URL: http://www.qsl.net/bg1ceo/Tech_topic/rf/7G_prescaler/prescaler.html
2. Microwave Projects 2. RSGB 2005, paperback, 240 by 175 mm, 216 pages. ISBN: 1-905086-09-1.
3. Романюк А.А. Синтезаторы частот на основе автогенераторов с ФАПЧ. Учебное пособие. М. МИЭТ, 2005. -100с с ил.
4. В.А. Мартынов, Ю.И. Селихов. Панорамные приёмники и анализаторы спектра. Изд.2е. М. «Советское радио», 1980.
5. “PLL Design Using the PLL Design Assistant Program”. Michael H. Perrott. Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://www-mtl.mit.edu/~perrott
6. “Scheme for No Dead Zone, Fast PFD Design”, Han-il Lee and others, Journal of The Korean Physical Society, vol. 40, No. 4, April 2002, pp 543—545.
7. “Enhance CMOS Charge Pumps And Phase-Frequency Detectors”, Louis Fan Fei. Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://www.mwrf.com/Articles/ArticleID/16652/16652.html
8. Michael H. Perrott, “A Modeling Approach for Sigma–Delta Fractional-N Frequency Synthesizers Allowing Straightforward Noise Analysis”, IEEE Journal of Solid-state Circuits, vol. 37, no. 8, August 2002