А.В. Королев, С.Г. Рыков

АО «Всероссийский НИИ радиотехники» (Москва, Россия) 

Постановка проблемы. Сведения, приводимые в описаниях микросхем цифровых вычислительных синтезаторов (ЦВС), в большинстве случаев характеризуют их поведение при максимально возможной тактовой частоте и не дают информации о динамике изменения уровней шумов при произвольных соотношениях формируемой и тактовой частот. Известные формулы для расчета спектральной плотности мощности фазовых шумов ЦВС как для основных частот выходных колебаний ЦВС, расположенных в первой зоне Найквиста, так и для образов основных частот содержат коэффициенты, зависящие от частоты тактового колебания. Возникает необходимость теоретического исследования зависимости фазовых шумов ЦВС от частоты тактового и выходного колебаний ЦВС. 

Цель. Провести анализ источников фазовых шумов ЦВС, а также получить расчетные формулы, позволяющие оценить вклад в выходные фазовые шумы ЦВС параметров тактового колебания, флуктуаций в тракте приема и распределения тактового колебания и в ЦАП.

Результаты. Получены выражения для спектральной плотности мощности фазовых шумов с учетом флуктуаций напряжения порога срабатывания приемника тактового колебания на входе ЦВС, флуктуаций времени задержки схемы распределения тактового колебания и времени переключения разрядов цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Проведены расчеты с учетом шумов источника тактовых колебаний и естественной (тепловой) шумовой составляющей шумов ЦАП. Приведены результаты измерений фазовых шумов ряда современных ЦВС. Показано, что при высокой частоте тактового колебания фазовый шум ЦВС определяется в основном флуктуациями задержки в тракте распределения тактового колебания и времени переключения разрядов ЦАП. Показано, что при снижении частоты тактового колебания наибольшее влияние на фазовые шумы оказывают флуктуации приемника тактового колебания. Продемонстрировано хорошее соответствие расчетных и измеренных фазовых шумов. Предложена модель собственных шумов идеального ЦВС, определяющая предельно достижимые собственные шумы ЦВС при произвольно выбранных значениях тактовой и выходной частот.

Практическая значимость. Предложенные расчетные формулы могут быть использованы в инженерной практике при разработке источников колебаний и формирователей сигналов, содержащих ЦВС.

Королев А.В., Рыков С.Г. Фазовые шумы цифровых вычислительных синтезаторов при изменении частот тактового и выходного колебания // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 5. С. 100−116. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202105-10

1. Kuleshov V.N., Liu H.Y., Leshukov B.E. 1/f Fluctuations Sources in Direct Digital Frequency Synthesizers and Their Contribution to the Output Oscillations Power Spectral Density // Proc. 1995 IEEE int. Freq. Control Symposium. 1995. Р. 282−287.
2. Kuleshov V.N., Liu H.Y. Fundamental noise in direct digital frequency synthesizers // Proc. 1995 IEEE int. Freq. Control Symposium. 1995. Р. 288−293.
3. Comberiate Th.M., Van’t Hof J.P., Ruppalt L.B., Lauritzen K.C., Talisa S.H. Phase Noise Model for an Array of Combined Sources Using Direct Digital Synthesis (DDS) // 40th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. Р. 301−314.
4. Ромашова Л.В., Ромашов А.В. Анализ собственных фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов частот // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011. № 3. С. 25−29.
5. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Якименко К.А. Применение образов основной частоты ЦВС в гибридных синтезаторах частот // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2013. № 3. С. 19−23.
6. Ромашов В.В., Докторов А.Н. Анализ результатов измерения шумовых характеристик цифрового вычислительного синтезатора AD9910 // Сб. тез. докл. «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России». IX Всероссийские научные Зворыкинские чтения (г. Муром, 17 февраля 2017 г.). Муром: ИПЦМИВлГУ. 2017. С. 77−79.
7. Calosso C.E., Rubiola E. Phase noise and jitter in digital electronics // http://rubiola.org/pdf-articles/archives/2016-arXiv1701.00094-Digital-electronics.pdf
8. Calosso C.E., Cárdenas Olaya A.C., Rubiola E. Phase-Noise and Amplitude-Noise Measurement of DACs and DDSs // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Feb. 2020. V. 67. № 2. Р. 431−439.
9. Bergeron J. Analyzing and Managing the Impact of Supply Noise and Clock Jitter on High Speed DAC Phase Noise // Analog Dialogue. 2017. V. 51.
10. A     Technical                Tutorial   on            Digital     Signal     Synthesis                //             https://www.analog.com/media/cn/training-seminars/tutorials/450968421DDS_Tutorial_rev12-2-99.pdf
11. Кочемасов В., Скок Д., Черкашин А. Цифровые вычислительные синтезаторы – современные решения // Электроника, наука, технология, бизнес. 2014. № 2. С. 150−160.
12. Jouko Vankka. Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Applications: diss. Doctor of Science in Technology. Helsinki: University of Technology. 2000.
13. Calosso C.E., Gruson Y., Rubiola E. Phase noise and amplitude noise in DDS // 2012 IEEE International Frequency Control Symposium Proceedings. Baltimore, MD. 2012. Р. 777−782.
14. Wilamowski B.M., Irwin J.D. Fundamentals of Industrial Electronics. CRC Press. 2011.
15. Heydari P. Design and Analysis of Low-Voltage Current-Mode Logic Buffers // Fourth International Symposium on Quality Electronic Design. 2003. Proceedings. San Jose, CA, USA. 2003. Р. 293−298.