В.В. Ромашов1, К.К. Храмов2, А.Н. Докторов3, К.А. Якименко4, Н.А. Сочнева5

1-5 Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (г. Муром, Россия)

Постановка проблемы. Широко применяемые в современных телекоммуникационных и радиолокационных системах цифровые вычислительные синтезаторы сигналов позволяют сформировать требуемые сигналы со сложными типами модуляции и реализуют программное управление для амплитуды, частоты и мгновенной фазы синтезируемого сигнала. В основе работы этих устройств лежит прямой цифровой синтез, одним из направлений развития которого является использование высокочастотных образов основной частоты, возникающих при восстановлении сигнала из цифровой формы в аналоговую в быстродействующих радиочастотных цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП). Для повышения эффективности использования образов основной частоты необходимы ЦАП, обладающие специальной архитектурой выходных каскадов для реализации специальных режимов работы, в которых происходит изменение огибающей спектра выходного сигнала быстродействующего ЦАП так, чтобы увеличить амплитуды требуемых образов относительно исходной огибающей спектра в обычном режиме работы. Существующие на сегодняшний день специальные режимы работы быстродействующих ЦАП (RZ, RF, RFZ, RFZ2) преобразуют огибающую спектра выходного сигнала и увеличивают амплитуды гармоник высокочастотных копий спектра сигнала – образов основной частоты во второй, третьей и четвертой зонах Найквиста. Разработка новых режимов работы, увеличивающих амплитуды образов основной частоты быстродействующих ЦАП в высших зонах Найквиста (от восьмой и выше) является актуальной задачей.

Цель. Предложить и исследовать новые режимы работы быстродействующих ЦАП, позволяющие увеличить амплитуды образов основной частоты быстродействующих ЦАП в высших зонах Найквиста (от восьмой и выше), с целью увеличения частоты формируемых колебаний с сохранением значения соотношения сигнал/шум.

Результаты. Показана значимость быстродействующих ЦАП для повышения эффективности прямого цифрового синтеза высокочастотных сигналов в высших зонах Найквиста. Предложены режимы восстановления RFZ3, RFZ4, с удвоением биполярных импульсов на выходе быстродействующего ЦАП. Рассчитаны огибающие спектров исследуемых режимов быстродействующих ЦАП и проведено сравнение с огибающими существующих режимов работы NRZ, RZ, RF, RFZ и RFZ2. Рассчитаны значения безразмерных величин, показывающих изменение амплитуды от частоты для рассматриваемых режимов относительно основного режима работы NRZ. Разработана и исследована модель быстродействующего ЦАП с предлагаемыми режимами работы в программе Simulink математического пакета MATLAB. Средствами математического моделирования получены реализации выходного сигнала быстродействующих цифро-аналоговых преобразователей с исследуемыми специальными режимами работы во временной и частотной областях. Для демонстрации огибающей спектра введена линейная частотная модуляция. Выявлено, что режимы восстановления RFZ3, RFZ4 быстродействующих ЦАП позволяют увеличить амплитуду гармоник образов основной частоты в восьмой и девятой зонах Найквиста до 20 и 15 дБ, соответственно, относительно огибающей спектра основного режима работы NRZ. Показана эффективность режима RFZ4 при синтезе сигналов на частотах образов с номером n = –5,5 в десятой и одиннадцатой зонах Найквиста с увеличением амплитуды гармоник до 20 дБ и более в зависимости от значения синтезируемой основной частоты.

Практическая значимость. Применение высших зон Найквиста для прямого цифрового синтеза позволяет значительно (в десять и более раз) увеличить выходную частоту цифрового вычислительного синтезатора, а использование специальных режимов работы быстродействующих ЦАП дает возможность увеличить амплитуду гармоник образов основной частоты.

Ромашов В.В., Храмов К.К., Докторов А.Н., Якименко К.А., Сочнева Н.А. Повышение эффективности использования высших зон Найквиста при прямом цифровом синтезе высокочастотных сигналов // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 5. С. 135-144. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202205-16

1. Kroupa V.F. Direct Digital Frequency Synthesizers. 1998. John Wiley & Sons, Ltd. 396 с.
2. Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis [Электронный ресурс] // Analog Devices. Inc. [сайт]. [1999]. URL: https://www.analog.com/ru/education/education-library/technical-tutorial-dds.html (дата обращения 12.12.2021).
3. Kuckreja Ajay, Ostrem Geir. High-Speed DACs ease transmitter designs. August 2010. Ajay K. Geir O. High-Speed DACs ease transmitter designs // Microwave & RF. 2010. № 49(8). P. 66–71.
4. Overhoff S. Direct-Sampling DACs in Theory and Application [Электронный ресурс] // Maxim Integrated company [сайт]. [2013]. URL: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5446 (дата обращения 12.12.2021).
5. High Speed DACs [Электронный ресурс] // Analog Devices. Inc. [сайт]. [2021]. URL: http://www.analog.com/en/products/digital-to-analog-converters/high-speed-da-converters.html (дата обращения 12.12.2021).
6. High-Speed DACs [Электронный ресурс] // Maxim Integrated company [сайт]. [2021]. URL: https://para.maximintegrated.com/en/results.mvp?fam=hsdacs&tree=master (дата обращения 12.12.2021).
7. Ромашов В.В., Храмов К.К. Формирование сигналов в ОВЧ- и УВЧ-диапазонах при использовании метода прямого цифрового синтеза частот // Радиотехника. 2007. № 6. С. 39–41.
8. Храмов К.К., Ромашов В.В. Сравнительный анализ режимов работы быстродействующих ЦАП // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2018. № 4. С. 44–54.
9. Romashov V.V., Doktorov A.N., Yakimenko K.A., Khramov K.K. Development of technology of high-speed digital-to-analogue converters to improve the efficiency of direct digital synthesis of radio-frequency signals // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 2094 (2021). DOI: 10.1088/1742-6596/2094/2/022067.
10. Bugeja A.R., Song B.-S., Rakers P.L., Gillig S.F. A 14-b, 100-MS/s CMOS DAC designed for spectral performance // IEEE J. Solid-State Circuits. 1999. Vol. 34(12), Pp. 1719–1732. DOI: 10.1109/4.808897.
11. Chen S.Y.-S., Kim N.S., Rabaey J.M. Multi-mode sub-nyquist rate digital-to-analog conversion for direct waveform synthesis // 2008 IEEE Workshop on Signal Processing Systems, SiPS: Design and Implementation. Article number 4671747. P. 112–117.
    DOI: 10.1109/SIPS.2008.4671747.
12. Tseng W.-H., Fan C.-W., Wu J.-T. A 12-Bit 1.25-GS/s DAC in 90 nm CMOS with >70 dB SFDR up to 500 MHz // IEEE Journal of solid-state circuits. 2011. V. 46. № 12.
13. Khramov K.K., Romashov V.V. Operational modes of high-speed DACs: analysis and mathematical modeling // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1096. Is. 1. P. 012158. DOI: 10.1088/1742-6596/1096/1/012158.