1. Актуальность проблемы.

По мере возникновения и развития новых 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.

2. Цели и задачи исследования.

Объект проектирования – генератор несущего колебания для СВЧ радиоканала с низким уровнем фазовых шумов.

Цель работы – исследование влияния шумовых характеристик гетеродинов на джиттер и проектирование высокостабильного генератора несущего колебания для СВЧ диапазона волн.

Область применения – сети приема/передачи данных.

Результаты работы – экспериментальные подтверждения и обоснования выбора структуры и элементной базы для создания высокостабильного генератора несущего колебания.

3. Краткие теоретические сведения.

3.1. Причины возникновения джиттера.

Переход к новым технологиям связи, вызвал великое множество проблем, тесно связанных с принципами передачи сигналов как в аналоговом, так и в цифровом виде. Одной из проблем, которые возникают при передаче сигналов, есть 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 или электромагнитные помехи и интерференция с внешними источниками сигнала, такими как шум, отражения, перекрестные помехи или интерференция с цепями питания и другими источниками ЭМП. Но всё же одной из основных причин возникновения джиттера в радиоканале есть нестабильность кварцевого генератора и сама несущая частота. А 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. А т.к. с генератора выходит 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.

3.2. Кварцевые резонаторы.

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. В широкой области частот сопротивление ПР 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. Каких-либо устройств для её изменения ПР обычно не имеет.

Избирательный, резонансный характер сопротивления ПР определяет области их применения — цепи частотной селекции различных радиотехнических устройств, преимущественно генераторов электрических колебаний высокой стабильности частоты и частотных фильтров большой избирательности.

Диапазон частот пьезорезонаторов весьма широк. Начинаясь в области звуковых частот от нескольких сотен герц, он простирается без перерыва до частот СВЧ-диапазона и достиг уже 500...1000МГц.

Для пьезокерамических резонаторов диапазон частот в верхней части ограничен частотами 10...20МГц, что определяется неоднородной поликристаллической структурой керамического пьезоэлектрика. Резонаторы из новых пьезокристаллов перекрывают несколько иные поддиапазоны частот, иногда более узкие, что объясняется, с одной стороны, иными упругими свойствами и кристаллографической симметрией, а с другой — меньшей их изученностью.

Колебания резонаторов сопровождаются разного рода потерями, совокупность которых определяет значения динамического сопротивления, называемого поэтому иногда сопротивлением потерь, следовательно, и добротности. Эти потери имеют как механическую, так и электрическую природу. Кварц является почти идеальным диэлектриком, поэтому потери диэлектрического происхождения могут не приниматься во внимание.

4. Краткая характеристика объекта исследований.

В ГН для УКВ 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.

Генерировани е прямо на конечной частоте обычно считают непрактичным из-за отсутствия соответствующих высокочастотных кристаллов. Поэтому кварцевый генератор с по следующим умножением (рис.3.1) — приемлемый метод достижения конечной частоты.

Рис.4.1. Пример цепочки умножения на 1944МГц.

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. 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 микроволновых приборов находится в диапазоне 90 - 130МГц.

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.

5. Полученные результаты и дальнейшие направления исследований

Промоделировав генератор и последующую цепочку умножения, были проведены эксперименты и получены следующие результаты.

5.1. Эксперимент 1. Моделирование шумовых свойств каскадов умножения.

Цель: провести моделирование передатчика для СВЧ диапазона, который состоит из генератора несущего колебания на кварцевом резонаторе и последовательной цепочки каскадов умножения (утроения) частоты и с помощью модели исследовать влияние собственных шумов схемы на спектр сигнала, в частности, на соотношение Рс/Рш на выходе устройства. Исследование влияния шума проводится для каждого каскада в отдельности. Найти оптимальное значение Ку, при котором будет обеспечиваться лучшее соотношение Рс/Рш. Определить, какой из каскадов вносит наибольшие помехи; элементной базе какого каскада следует уделить наибольшее внимание при проектировании передатчиков для СВЧ радиоволн.

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.

Состав схемы эксперимента (рис. 5.1):

Рис. 5.1. Схема эксперимента

1 (блок 0) – генератор синусоидального колебания на кварцевом резонаторе, настроенный на частоту 121,5МГц.

2 (блоки 1,2,6,3,4) – каскад утроения частоты:

Рис. 5.2. Форма функции ограничителя

3 (блоки 18,16,7,8,9) – каскад утроения частоты:

4 (блоки 19,17,11,12,13) – каскад утроения частоты:

Выводы по 1 эксперименту:

1 – 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 избран «вслепую» коэффициент может дать маленькое соотношение Рс/Рш, что скажется на следующих каскадах умножения.

Рис.5.3. Зависимость Рс/Рш(Ку)

2 – шум на 2 и 3 каскаде.

Характер зависимости (рис.7.4) Рс/Рш(Ку) также нелинейный, и как максимумы можно выделить диапазон значений Ку=20 ..100 (здесь Рс/Рш>48дб). Минимум видный также при Ку=13.

Рис.5.4. Зависимость Рс/Рш(Ку)

3 – шум на 3-ому каскаде.

Характер зависимости (рис.5.5) Рс/Рш(Ку) подобный 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 наиболее влияет 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).

5.2. Эксперимент 2. Моделирование шумовых свойств фильтров.

Цель: провести моделирование передатчика для СВЧ диапазона, который состоит из генератора несущего колебания на кварцевом резонаторе и последовательной цепочки каскадов умножения (утроения) частоты и с помощью модели исследовать влияние добротности (Q= f /? f ) фильтров на спектр сигнала, в частности, на соотношение Рс/Рш на выходе устройства. Исследование влияния шума проводится для каждого каскада в отдельности. Найти оптимальное значение Q, при котором будет обеспечиваться лучшее соотношение Рс/Рш. Определить, фильтру какого каскада следует уделить наибольшее внимание при проектировании передатчиков для СВЧ радиоволн.

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

Выводы по 2 эксперименту:

1. 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-ого фильтра надо брать в диапазоне Q=10-25.

Рис.5.7. Зависимость Рс/Рш(Q)

2. Увеличение добротности 2-ого 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)

3. Увеличение добротности 3-ого 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-ого 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:

•  запускать кварцы на той гармонике, на которую он настроен;

•  уменьшить фазовый шум за счет выбора качественной схемы и элементной базы с низким уровнем шумов;

•  для достижения конечной частоты использовать кварцевый генератор с последующим умножением;

•  начальное умножение частоты должно быть сделано на маленькое число для минимизации помех;

•  для схем умножения надо выбирать такой коэффициент усиления, при котором соотношения сигнал/шум максимально;

•  добротность фильтра после первого каскада умножения надо брать такую, которая бы обеспечила оптимальное соотношение сигнал/шум.

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.