Особенности исследования малошумящих синтезаторов частоты на основе ФАПЧ

Харченко Д.А, группа ТКС-07м

Руководитель проф. Воронцов А. Г.

Статья опубликована в сборнике научных работ ДонНТУ 2007 года.

В настоящее время существует тенденция к ужесточению требований к качеству передачи радиосигналов. В таких условиях всё более широкое применение находят устройства, позволяющие обеспечить как можно более низкий уровень шумов, не теряя при этом остальных 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 других системах спутниковой, радиорелейной и проводной связи, требующих быстрой и точной перестройки в широком диапазоне частот. [2, с.191]

Основной проблемой разработки и проектирования синтезаторов частот является неизбежное увеличение выходного уровня фазовых шумов при расширении диапазона перестройки. Существующие решения этой проблемы включают в себя повышение качества (добротности) ГУН, опорного генератора, уточнённый расчёт фильтра петли ФАПЧ [3], использование параллельного включения нескольких ГУН [4]. При этом, в современных условиях, необходимым этапом разработки является построение цифровой модели устройства и оценка его характеристик с помощью этой модели.

Существует множество программных средств моделирования, среди которых можно выделить пакеты Mathsoft Simulink и Eagleware/Elanix SystemView. Оба пакета предоставляют возможность наглядного построения модели на основе базовых блоков (генераторы, фильтры и т.п.). Однако, в общем случае, эти элементы являются идеальными, что не позволяет точно отразить особенности того или иного устройства. Кроме того, использование численных методов расчёта, а также ограниченность временной реализации моделируемых процессов приводит к появлению неточностей.

Целью данной работы является исследование возможностей и особенностей компьютерного моделирования синтезаторов частоты на основе ФАПЧ для получения результатов, максимально приближённых к потенциально достижимым.
Для достижения этой цели необходимо решить задачу поиска оптимальных методов оценки характеристик модели.
В статье рассматривается этап компьютерного моделирования синтезаторов частот на основе ФАПЧ. Приведён пример модели синтезатора с N-делителем, работающего в диапазоне 2…2,5 ГГц с шагом перестройки 500 кГц. Рассмотрен метод оценки характеристик синтезатора, минимизирующий искажения, вносимые численными методами расчёта, в частности ДПФ. Приведены результаты, позволяющие оценить эффективность данного подхода.
Данная модель построена с помощью пакета Elanix SystemView (см. рис.1)

Рисунок 1 –  Структурная схема модели.

Блоки 2 и 3 представляют собой RC-фильтры низких частот, параметры которых рассчитаны согласно рекомендациям [5] и уточнены экспериментальным путём по критерию снижения уровня выходных шумов.

Основной проблемой при анализе выходного сигнала синтезатора является так называемая утечка спектра [6], возникающая из-за того, что при ДПФ предполагается, что последовательность отсчётов анализируемого сигнала является периодически продолженной вперёд и назад во времени. Кроме того, резкие изменения частоты сигнала вследствие переходного процесса при переключении ГУН (рис.2.), имеющие место в начале временного отрезка, оказывают существенное влияние на спектр сигнала на выходе.

Рисунок 2 – Напряжение на входе ГУН.

Стандартным методом борьбы с явлением утечки является использование весовых функций, также называемых взвешивающими окнами. Смысл их использования состоит в том, что перед расчётом ДПФ сигнал умножается на весовую функцию, которая имеет спад по краям сегмента. На рис. 3 и 4 соответственно представлены фрагменты спектров исходного сигнала и сигнала, умноженного на весовую функцию.

Рисунок 3 – Фрагмент спектра исходного сигнала.

Рисунок 4 – Фрагмент спектра сигнала, умноженного на весовую функцию Elanix(3,76) [7, p.107].

На втором графике можно отметить общее снижение относительного уровня шумов, в частности, на расстоянии в 500 кГц от центральной линии спектра этот уровень падает с -31 до -50 дБм.

Для дальнейшего сглаживания полученного спектра можно использовать функцию скользящего усреднения [8, p.74], которая уменьшает влияние апериодических компонент:

Рисунок 5 – График спектра сигнала со скользящим усреднением.

Также на данном графике можно отметить уменьшение среднего уровня шумов до -55 дБм.

Другим способом избежать попадания в спектр сигнала нежелательных компонент является использование для исследования не всей реализации полученного сигнала, а лишь той его части во временной области, которая будет поступать (коммутироваться) на выход предполагаемого реального устройства. Таким образом, снижается влияние переходного процесса. Следующий спектр был получен при использовании временного отрезка 407,3…497,9 мкс с момента включения ГУН (см. рис.6).

Рисунок 6 – Спектр сигнала в ограниченном временном интервале.

При этом, использование взвешивающего окна позволит получить лучший результат (рис.7).

Рисунок 7 – Спектр ограниченного по времени сигнала, умноженного на весовую функцию.

На последнем графике видно, что уровень шумового пьедестала на расстоянии в 500 кГц от центральной линии спектра составляет порядка -120 дБм, что является достаточно хорошим результатом для таких систем.

Заключение:

Таким образом, для получения корректных результатов при компьютерном моделировании синтезатора, необходимо выполнить ряд условий, в числе которых: исключение влияния апериодических составляющих на спектр выходного сигнала путём применения взвешивающих окон, использование оптимального отрезка временной реализации сигнала, а также усреднение полученных результатов. Однако, при использовании описанных методов исследования следует также принимать во внимание особенности конкретной модели, такие как длительность переходного процесса и полоса пропускания фильтра ФАПЧ.

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. National Semiconductor Application Note AN-1001. Электронный ресурс. Способ доступа: URL: http://www.national.com/an/AN/AN-1001.pdf
6. А. Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. – СПб, Питер, 2003.
7. В.Д. Разевиг, Г.В. Лаврентьев, И. Л. Златин. System View – средство системного проектирования радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Д. Разевига. – М., Горячая линия – Телеком, 2002.
8. Р.Ш. Загидуллин, С.Н. Карутин, В.Б. Стешенко. SystemView. Системотехническое моделирование устройств обработки сигналов. – М. Горячая линия-Телеком, 2005.