К.А. Якименко1, В.В. Ромашов2, К.К. Храмов3, А.Н. Докторов4, Н.А. Сочнева5

1-4 Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (г. Муром, Россия)

5 ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича
и Николая Григорьевича Столетовых» (г. Владимир, Россия)

1 yakimenko.kirill@yandex.ru; 2 romashovmurom@mail.ru; 3 hramovkk@gmail.com; 4 doctorov_a_n@mail.ru; 5 sochnewa.natalya@yandex.ru

Постановка проблемы. Основные параметры современных телекоммуникационных систем во многом зависят от шумовых характеристик используемого синтезатора несущей частоты. В настоящее время созданы быстродействующие цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), способные работать в специальных режимах, в которых имеется возможность перераспределить амплитуды спектральных составляющих, находящихся в различных зонах Найквиста. В результате этого выходной сигнал ЦАП формируется уже непосредственно на несущей частоте. Таким образом, исследование шумовых характеристик синтезаторов частот на основе быстродействующих ЦАП является актуальной задачей.

Цель. Провести исследование шумовых характеристик синтезаторов частот на основе быстродействующих ЦАП.

Результаты. Дан обзор структурных схем синтезаторов частот на основе быстродействующих ЦАП. Разработана математическая модель шумовых характеристик быстродействующего ЦАП, позволяющая рассчитать уровень спектральной плотности мощности (СПМ) для любых тактовых и выходных частот. Показано, что специальные режимы работы быстродействующих ЦАП уменьшают неравномерность амплитуды в полосе формируемых частот. Выполнена оценка шумовых характеристик быстродействующих ЦАП на примере 12-разрядного сегментированного ЦАП, реализующего режим работы RF. Предложены схемы синтезаторов на основе быстродействующих ЦАП, которые имеют выигрыш по уровню фазовых шумов перед другими синтезаторами частот. Установлено, что прямые цифровые синтезаторы на основе быстродействующих ЦАП имеют выигрыш по уровню фазовых шумов перед прямыми цифровыми синтезаторами с умножителем частоты.

Практическая значимость. Применение быстродействующих ЦАП в составе гибридных синтезаторов частот позволяет упростить их архитектуру и уменьшить энергопотребление за счет уменьшения числа умножителей частоты, а также уменьшить коэффициент деления в цепи обратной связи, что существенно снижает уровень фазовых шумов.

Якименко К.А., Ромашов В.В., Храмов К.К., Докторов А.Н., Сочнева Н.А. Исследование шумовых характеристик синтезаторов частот на основе быстродействующих цифро-аналоговых преобразователей // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 11. С. 180−191. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202311-23

1. Al-Dulaimi A., Wang X., Chih-Lin I. 5G Networks: Fundamental Requirements, Enabling Technologies, and Operations Management. 2018. Wiley-IEEE Press. 784 р.
2. Launay F. NG-RAN and 5G-NR: 5G Radio Access Network and Radio Interface. 2021. Wiley-ISTE. 288 р.
3. Kroupa V.F. Direct Digital Frequency Synthesizers. 1998. John Wiley & Sons, Ltd. 396 р.
4. Vankka J. Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Applications. 2000. Helsinki University of Technology. 193 р.
5. Григорьев И.А. Методы минимизации фазовых шумов в гибридном синтезаторе частот Ku-диапазона с режимом быстрой перестройки частоты // Радиотехника. 2012. № 4. С. 105–116.
6. Королёв А.В., Коршиков Я.В., Рыков С.Г. Гибридный синтезатор с двумя кольцами фазовой автоподстройки частоты и цифровым вычислительным синтезатором в цепи смещения частоты. Ч. 1. Цепь смещения частоты // Радиотехника. 2023. № 2. С. 178-192. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202302-21.
7. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Докторов А.Н., Якименко К.А. Моделирование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2014. № 1. С. 5–20.
8. Ajay K., Geir O. High-Speed DACs ease transmitter designs // Microwave & RF. 2010. № 49(8). P. 66–71.
9. 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.
10. Kroupa V. F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. New York: John Wiley&Sons, Ltd. 2003. 320 p.
11. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь. 1991. 264 с.
12. Патент № RU 214526 (РФ). Гибридный синтезатор частот на основе быстродействующего цифро-аналогового преобразователя в специальных режимах работы / Ромашов В.В., Якименко К.А., Докторов А.Н., Сочнева Н.А. Заявл. 25.05.2022; опубл. 02.11.2022.
13. Sadeghifar M.R., Bengtsson H., Wikner J.J. A voltage-mode RF DAC for massive MIMO system-on-chip digital transmitters // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2019. № 100. Р. 683–692. DOI:10.1007/s10470-019-01497-9.
14. Жабин А.С., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование фазовых шумов в автогенераторах на КМОП-инверторах // Электросвязь. 2010. № 3. С. 34–37. 
15. Rogers J., Plett C., Dai F. Integrated circuit design for high-speed frequency synthesis. Norwood. MA: Artech House. 2006. 496 с.
16. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Храмов К.К., Докторов А.Н. Моделирование шумовых характеристик новых интегральных цифровых вычислительных синтезаторов компании Analog Devices // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2013. № 2. С. 26–32.
17. El-Halwagy W., Nag A., Hisayasu P., Aryanfar F., Mousavi P., Hossain M. A 28-GHz Quadrature Fractional-N Frequency Synthesizer for 5G Transceivers with Less Than 100-fs Jitter Based on Cascaded PLL Architecture // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2017. № 65(2). Р. 396–413.