Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
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 профессионального 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 диссертационного совета Д212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВГУ, корп. 3, ауд. 301.
Тел/факс: (4922) 4799Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу:
600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВГУ. 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 высокостабильных колебаний являются синтезаторы частот. В настоящее время наиболее широко применяются синтезаторы, в которых используются метод 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, высокое разрешение по частоте и фазе, наличие цифрового интерфейса для управления. Получившие в последние годы бурное развитие цифровые вычислительные синтезаторы частот легко реализуются в интегральном исполнении, позволяют синтезировать частоты в широком диапазоне (до сотен мегагерц) с шагом перестройки в сотые доли герца.
Одним из основных параметров синтезаторов частот является относительная спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых шумов, измеряемая при различной частоте отстройки от несущего колебания. Достигаемые в настоящее время уровни СПМ фазовых шумов составляют менее минус 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 используют экспериментальные исследования. Для анализа СПМ фазовых шумов разрабатываемых устройств используют методы теоретического анализа с применением усредненных СПМ фазовых шумов различных звеньев синтезаторов. Например, имеются достаточно точные аппроксимации СПМ фазовых шумов для кварцевых генераторов, генераторов, управляемых напряжением, делителей частоты, фазовых детекторов, усилителей и других.
С использованием их проводится теоретический анализ СПМ фазовых шумов 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 фазовых шумов имеется весьма ограниченное количество, причем точность их невелика. Это связано с тем, что до недавнего времени уровень СПМ фазовых шумов ЦВС определялся в основном шумами квантования цифроаналогового преобразователя (ЦАП) с количеством разрядов до 10, так как уровень собственных шумов ЦВС был существенно меньше шумов квантования. Для оценки же шумов квантования известна достаточно простая и точная формула. Большое внимание уделялось и уделяется оценке уровня дискретных спектральных составляющих выходного сигнала ЦВС, имеющих существенное (-60...-80 дБ) значение. Развитию теории цифровых вычислительных 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 цифровых синтезаторов достигает 14, тактовые частоты возросли до 1 ГГц, поэтому уровень шумов квантования стал существенно меньше собственных шумов звеньев ЦВС. При проектировании формирователей сигналов радиосистем, реализованных на цифровых вычислительных синтезаторах, оценку уровня фазовых шумов выходных сигналов можно произвести на основе моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов функциональных звеньев системы. Однако вопросы построения модели СПМ фазовых шумов ЦВС и развитие методов анализа фазовых шумов формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов не нашли должного отражения в литературе. Поэтому проблема разработки моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для расчета шумовых характеристик формирователей сигналов является актуальной.
Целью работы является разработка математической модели спектральной 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 математические модели СПМ фазовых шумов функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры;
- разработать математическую модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов и методику расчета коэффициентов модели по экспериментальным шумовым характеристикам синтезаторов;
- исследовать с помощью разработанной математической модели шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и сравнить их с экспериментальными характеристиками интегральных синтезаторов;
- разработать математические модели шумовых характеристик и провести 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 моделей шумовых характеристик для исследования шумовых свойств формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.
Методы исследования Для решения поставленных задач использовались методы спектрального анализа, автоматического управления, математического и имитационного моделирования, вычислительной математики, методы аппроксимации.
Моделирование и расчет по разработанным методикам проводился с использованием программного пакета Mathcad.
Научная новизна работы 1. Предложена математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, учитывающая собственные шумы звеньев синтезатора и их зависимость от выходной и тактовой частот.
2. Разработана методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по экспериментальным шумовым характеристикам.
3. Исследованы шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ при различных параметрах анализируемых устройств.
4. Разработаны математические модели и проведено исследование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на основе цифровых вычислительных синтезаторов и фазовой автоподстройки частоты.
5. Показана возможность теоретического анализа шумовых характеристик разрабатываемых формирователей сигналов с использованием предложенной математической модели спектральной плотности мощности фазовых 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 проектирования провести оценку спектральной плотности мощности фазовых шумов разрабатываемых устройств с погрешностью (1 Е 3) дБ/Гц;
- разработанная модель шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов позволяет выбрать синтезатор и определить его параметры для получения требуемого уровня фазовых шумов выходного сигнала;
- созданы программы расчета спектральной плотности мощности фазовых шумов различных вариантов построения синтезаторов на основе цифровых 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 фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.
2. Методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по их экспериментальным шумовым характеристикам.
3. Результаты анализа фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов.
4. Математические модели и результаты анализа шумовых характеристик гибридных синтезаторов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.
Апробация результатов работы и публикации Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 9-ой Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2011, Красноярск; 9-ой международной научно-технической конференции Перспективные технологии в средствах передачи информации, 2011, Владимир; I-III Всероссийских научных Зворыкинских чтениях, 2009, 2010, 2011, Муром; Всероссийской научнопрактической конференции Прикладные вопросы формирования и обработки 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 Муромский завод радиоизмерительных приборов, в учебном процессе кафедры РТ и РС Владимирского государственного университета. Кроме того, использовались при выполнении хоздоговорной НИР Исследование технических характеристик РЛС 35Н6 и 39Н6, разработка предложений по построению 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, списка литературы, включающего 85 наименований, 3-х приложений. Общий объем диссертационной работы вместе с приложениями составляет 1страниц. 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 результаты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведен краткий обзор методов синтеза частот и сравнение основных характеристик и параметров синтезаторов частот. Важнейшим параметром синтезатора частот является уровень фазовых шумов выходного колебания, который оценивается относительной величиной - спектральной плотностью мощности фазовых шумов. Показано, что в настоящее время наилучшими синтезаторами с точки зрения достижения минимальных фазовых шумов и быстродействия являются цифровые вычислительные 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 требования к параметрам синтезируемых сигналов.
Кратко даны основные понятия спектрального анализа шумов радиоустройств. 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 Sвых (с ) L( jс j) * Sвх (с ) Sшсоб (с ), (1) Pс где Pш - мощность шума, обусловленная шумовой фазовой модуляцией, в полосе 1 Гц на частоте с+; Sвых(с+), Sвх(с+) - СПМ фазовых шумов на выходе и входе каскада, соответственно; L(jс+j) - коэффициент передачи входного шума каскадом; Sшсоб(с+) - СПМ собственных фазовых шумов каскада; - частота отстройки от несущей.
Отмечается, что известные модели СПМ фазовых шумов функциональных звеньев наиболее часто аппроксимируются степенными функциями. Проведена классификация моделей СПМ фазовых шумов для основных функциональных звеньев синтезаторов (генераторов, усилителей, детекторов, умножителей 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 SвыхЦВСF ST FKЦВС SквF SсобЦВС F, (2) где KЦВС fout 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 фазовых шумов цифрового вычислительного синтезатора. Проведенный анализ известных моделей СПМ фазовых шумов ЦВС показал, что они имеют существенную погрешность (8 Е 20 дБ/Гц) по сравнению с экспериментальными шумовыми характеристиками современных интегральных ЦВС.
Поэтому разработка математических моделей СПМ фазовых шумов цифровых 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, определяемых в основном ЦАП. С учетом эффекта передискретизации и частотной характеристики ЦАП получено уточненное выражение для СПМ фазовых шумов квантования fout fout fout Sкв 22N 0,59sin . (3) fТ fТ fТ 2 где N - количество разрядов ЦАП.
Показано, что при синтезируемых частотах, существенно меньших тактовой, и значениях N 14 СПМ шумов квантования значительно меньше собственных шумов ЦВС (- 170 дБ/Гц). При десятиразрядном ЦАП шумы 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 необходим учет шумов, вносимых тактовым генератором.
На основании результатов теоретических исследований и анализа экспериментальных шумовых характеристик синтезаторов предложена математическая модель СПМ фазовых шумов ЦВС в виде суммы СПМ составляющих белого частотного шума, фликкер-шума, 2-х естественных составляющих и шумов квантования, учитывающая зависимость от выходной и тактовой частот fout 10k 2 10k SF 10k 4 10k3 Sкв, (4) fT F F где коэффициенты k2, k1, k4, k3 определяют уровень СПМ 1/F2 шума, 1/F шума, естественной шумовой составляющей входных цепей и естественной шумовой составляющей сопротивления нагрузки, соответственно.
Разработана методика определения коэффициентов ki по экспериментальным СПМ фазовых шумов интегральных ЦВС (рисунок 1).
Коэффициент k1 определяет уровень 1/F шума и рассчитывается при частоте отстройки F=1000 Гц fout F, / k1 lg10SдБ fout min F / min . (5) fT при F 1000 Гц Здесь SдБ F, fout min - значение СПМ шума в децибелах, определяемое для наименьшей выходной частоты ЦВС foutmin, для которой имеются экспериментальные характеристики.
11Рисунок 1. К методике определения ко1эффициентов ki по экспериментальным kСПМ фазового шума интегрального 1ЦВС (на примере AD9911 для низшей S100_9911 (15 МГц) и высшей (100 МГц) синтези1руемых частот) S15_99kk1k1 113 4 5 6 10 100 110 110 110 110 110 F 1Величина k2 определяет уровень белого частотного шума 1/F2 и рассчитывается для минимальной частоты отстройки F=10 Гц fout F /10 2 k2 lg10SдБ, fout min F / min 10k1 F. (6) fT 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 fout F, /k3 lg10SдБ fout min 22N 0,59 min . (7) fT2 при F 106Гц Коэффициент k4 определяется для максимальной выходной частоты синтезатора, для которой имеются экспериментальные зависимости СПМ foutmax F, k4 lg10SдБ foutmax/10 10k3 / 22N0,59. (8) fT foutmax при F106Гц Для ЦВС AD9911 коэффициенты аппроксимации k1=-9, k2=-8,3, k3=17,8, k4=-14,8 и после подстановки в (4) выражение для математической модели СПМ фазовых шумов этого синтезатора fout 108,3 109 fout SF 1014,8 1017,8 22N 0,59 . (9) fT 2 F F fТ Рассчитанные коэффициенты математических моделей СПМ фазовых шумов для некоторых интегральных ЦВС фирмы Analog Devices приведены в таблице.
Микросхемы инте- N - кол. k1 k2 k3 kгральных 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 рассчитанных коэффициентов модели проведено исследование шумовых характеристик интегральных цифровых вычислительных синтезаторов и сравнение их с экспериментальными характеристиками (рисунки 2, 3). Проведен анализ шумов для произвольных выходной и тактовой частот синтезатора (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 разработанная математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов позволяет с погрешностью 1-3 дБ/Гц проводить анализ шумовых характеристик таких синтезаторов при произвольных параметрах.
110 1 110 1S397_99 1S100_9911 S201_99 1 1S98_99S40_99S20_99S100_( F) 1 1S397_ (F) S40_(F) S201_ (F) S15_99 1S98_ (F) S15_(F) 1S20_ (F) 1 1 1 1 13 4 5 6 10 100 110 110 110 110 110 100 1103 1104 1105 1106 1107 1110 F 10 F 10 1 Рисунок 2. Экспериментальные (с кру- Рисунок 3. Экспериментальные (с кружочками) и теоретические СПМ фазовых жочками) и теоретические СПМ фазовых шумов ЦВС AD9911 для выходных час- шумов ЦВС AD9910 для выходных частот 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 разработанных моделей СПМ фазовых шумов ЦВС.
100 1 100 1 1S ( 10 fout ft) 1S200_ ( F) 120 S ( 100 fout ft) S120_ ( F) 10 S fout ft 130 1S50_ (F) 10 S fout ft S25_ (F) 110 S fout ft 1 1 160 1 160 13 4 5 6 7 4 5 6 7 8 10 100 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 F 7 10000 fout 10 5ft 2 1Рисунок 4. Теоретические СПМ фа- Рисунок 5. СПМ фазовых шумов ЦВС 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, товой частоте 250 МГц 1000, 104, 106 Гц) и тактовой частоте 1 ГГц 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 SФД F S F ГОЧ H SФАПЧ F S F S F F 2 N ДФКД ДПКД 31, (10) N12 ЕЧФД 2 S F H F ГУН системы ИФАПЧ со смесителем SФД F SГОЧ F SСМ F SУЧ F SФАПЧ F S F S F ДФКД ДПКД N12 ЕЧФД 2 N2 2 N22, (11) N3 S F ГОЧ S F N2 H F 2 S F H32 F ГУН N2 N12 ДФКД где символом S обозначены СПМ шумов соответствующих звеньев, H (F) и - передаточные функции замкнутого H31(F) H32(F) 1 H (F) 1 H (F) кольца ИФАПЧ по внешним и внутренним шумам, K (F)SГУНEФД ФНЧ - передаточная функция разомкнутого кольца H(F) pNИФАПЧ, KФНЧ(F) - передаточная функция ФНЧ, SГУН - крутизна характеристики ГУН, ЕФД - максимальное выходное напряжение ФД, p - оператор, Nи N2 - коэффициенты деления входного делителя и делителя частоты в цепи обратной связи, N3 - коэффициент умножения умножителя частоты генератора опорной частоты.
Проведено моделирование и рассчитаны СПМ фазовых шумов для различных параметров системы для случаев ФНЧ первого и второго порядков, 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 коэффициентом умножения. Обобщенная функциональная схема такого гибридного синтезатора приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Обобщенная структурная схема цифрового вычислительного синтезатора со встроенным умножителем тактовой частоты на ИФАПЧ Для оценки шумовых свойств в диапазоне отстроек разработана математическая модель шумовых характеристик такого ЦВС Sвых(F) KЦВСSФАПЧ (F) SЦВС (F), (12) где SФАПЧ(F) - определяется по формуле (10) при N1=1, SЦВС(F) - определяется по формуле (4).
Проведены анализ шумовых характеристик ЦВС со встроенным умножителем тактовой частоты и сравнение с экспериментальными зависимостями (рисунки 7, 8). Показана возможность применения полученных моделей для анализа шумовых характеристик таких ЦВС при произвольных выходных частотах, коэффициентах умножения тактовой частоты, частоте отстройки от несущей (рисунки 9, 10). Достоинством полученных моделей является возможность оценить фазовые шумы интегральной микросхемы ЦВС при параметрах, для которых отсутствуют экспериментальные шумовые характеристики.
1 1 110 1S201_9910(i20) S100_9911(i5) S201_9910x20 1S100_9911x5i 120 i S20_9910(i20) S40_9911(i5) 1 1S20_9910xS40_9911x5i i 1 1 1 1 1 1 1 13 4 5 6 3 4 5 6 10 100 110 110 110 110 110 100 110 110 110 110 110 Fi 10 Fi 107 Рисунок 7. СПМ фазовых шумов выходного Рисунок 8. СПМ фазовых шумов выходного сигнала интегрального ЦВС AD9911 со встро- сигнала интегрального ЦВС AD9910 со встроенным 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 12, 25, 50, 120 отстройки 10,103,105, 106, 107 Гц Рассмотрены примеры реализации гибридных синтезаторов на основе ЦВС и ФАПЧ на интегральной микросхеме AD9858 (рисунок 11 и рисунок 12).
fФАПЧ SЦВС SФАПЧ fЦВС Рисунок 11. Гибридный синтезатор AD9858: использование ЦВС в качестве опорного генератора системы ФАПЧ Разработана математическая модель шумовых характеристик такого гибридного синтезатора с использованием формулы (11) при N3=0, SУЧF SДПКДF 0 и учетом математической модели (4):
SЦВС F SФД F SФАПЧ1F S F SСМ F * Д N1 ЕФЧД 2 . (13) * H31F2 SГУН F H32FВ 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) SФЧД F S F Д SФАПЧ2 F S F SЦВС F ГОЧ, (3.18) ЕФЧД 2 N2 N H31F2 S F H32FЦВС _ Д ГУН где NЦВС Д fT fЦВС 2 - коэффициент деления ДПКД, состоя_ щего из ЦВС и делителя частоты Д в цепи обратной связи.
fФАПЧ 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 теоретических и экспериментальных зависимостей (погрешность 1-2 дБ/Гц).
Рисунок 13. Рассчитанные SФАПЧ1 и экс- Рисунок 14. Рассчитанные SФАПЧ2 и экспепериментальные Sэкс1 шумовые характе- риментальные Sэкс2 шумовые характеристиристики гибридного синтезатора ки гибридного синтезатора AD9858 с исAD9858 с использованием ЦВС в каче- пользованием ЦВС в цепи обратной связи стве опорного генератора в цепи ФАПЧ ФАПЧ В четвертой главе показано применение разработанных математических моделей для анализа шумовых свойств формирователей сигналов радиосистем с заданными параметрами. Приведены структурные схемы и расчет частотного плана исследуемых гибридных формирователей сигналов радиосистем на основе цифровых вычислительных синтезаторов.
Рассмотрены 2 варианта построения формирователей сигналов (рисунок 15): в первом умножитель частоты УЧ1 для повышения тактовой частоты 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 F SГОЧ F n1 SУЧ1F KЦВС SЦВС F n2 SУЧ 2F (15) _У и второго варианта построения формирователя сигналов 2 SФ(F) KЦВСSИФАПЧ (F) SЦВС (F) n2 SУЧ2(F), SИФД F SФНЧ F * SИФАПЧ F SГОЧ F SДПКД F . (16) ЕИФД * N2 H31F2 SГУН F H32FЗдесь SУЧ1,2F - СПМ фазовых шумов умножителей частоты УЧ1 и УЧ2. В качестве генератора опорной частоты применен кварцевый генератор 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 n1n2, когда основной вклад вносит генератор опорной частоты. При n1n2 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 n1n2 и на 12 дБ - при n1nиз-за недостаточно хороших шумовых характеристик встроенного импульсно-фазового детектора.
В заключении приведены основные научные и практические результаты работы.
1. Проведен анализ известных математических моделей шумовых характеристик функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Исследованы составляющие фазовых шумов выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов.
2. Разработана математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, в которой собственные шумы предлагается аппроксимировать суммой 4-х составляющих: естественного шума входных цепей цифро-аналогового преобразователя, естественного шума сопротивления нагрузки, фазового фликкершума и белого частотного шума. Предложена методика расчета коэффициентов математической модели по экспериментальным шумовым характеристикам синтезаторов.
3. С использованием разработанной модели спектральной плотности мощности фазового шума цифровых вычислительных синтезаторов проведен анализ шумовых характеристик интегральных цифровых синтезаторов.
Сравнение рассчитанных и экспериментальных шумовых характеристик синтезаторов показало их хорошее совпадение (погрешность 1 Е 3 дБ/Гц).
4. Разработаны модели шумовых характеристик систем ИФАПЧ с делителями частоты и со смесителем, наиболее часто используемые в гибридных синтезаторах с ЦВС, и проведен анализ их шумовых характеристик.
5. Разработаны математические модели и проведен анализ шумовых характеристик интегральных ЦВС фирмы Analog Devices, имеющих встроенный умножитель тактовой частоты на основе ИФАПЧ. Сравнение с экспериментальными шумовыми характеристиками ЦВС подтвердили верность разработанных моделей (погрешность 1 Е 3 дБ/Гц).
6. Разработаны модели и проведен анализ шумовых характеристик гибридных синтезаторов на основе ЦВС и систем ИФАПЧ, сравнение с экспериментальными характеристиками подтвердили их применимость для теоретических оценок.
7. Рассмотрены варианты построения формирователей сигналов радиосистем 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 рассчитывать и сравнивать шумовые характеристики разрабатываемых устройств при изменении их параметров.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что цель работы достигнута - разработана математическая модель спектральных плотностей фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, с ее помощью разработаны модели и исследованы шумовые характеристики формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов 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 системы 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 вычислительных 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 цифровых 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.: Радиотехника, 2009. - С.98 - 103.
6. Никитин, О.Р. Спектральные характеристики гибридных синтезаторов 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 вычислительных синтезаторов частот / Л.В.Ромашова, А.В.Ромашов // Радиотехнические 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 ВГУ, 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 спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Радиолокационная техника: устройства, станции, системы РЛС-2010. Тезисы докладов Второй Всероссийской научнопрактической 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 ВГУ, 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 развитии 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 ВГУ, 2011. - С. 565.
14. Ромашов, А.В. Модели спектральных характеристик цифровых вычислительных синтезаторов / А.В.Ромашов, Л.В.Ромашова // Наука и образование в развитии 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 ВГУ, 2011. - С. 585.
15. Romashova, L.V. Research of Noise Characteristics of Hybrid Frequency Synthesizers on the Basis of Direct Digital Synthesizers and PLL Systems / 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, September 15-16, 2011. - IEEE Catalog Number: CFP11794-CDR. - Pp. 113 - 115.
16. Ромашова, Л.В. Анализ шумов квантования цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 9-й международной научнотехнической конференции / Владим. гос. университет; редкол.: А.Г. Самойлов (и др.). - Владимир: ВГУ, 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.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям