А.В. Королев1, Я.В. Коршиков2, С.Г. Рыков3

1-3 АО «Всероссийский НИИ радиотехники» (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Современный синтезатор частот (СЧ) представляет собой сложное устройство, предназначенное для формирования колебаний и сигналов, уровень фазовых шумов которых в предельном случае должен быть равен уровню фазовых шумов опорного генератора (ОГ), приведенных к частотам формируемых колебаний, или превышать его не более чем на заданную величину. Гибридные СЧ, содержащие как аналоговые, так и цифровые узлы (в том числе и цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС)) позволяют получить хорошие результаты по уровню шумов в сочетании с широкими возможностями по реализации сложных требований к переключению частот выходных колебаний (широкая полоса перестройки, малый шаг сетки, высокая скорость переключения). На сегодняшний день актуальным является изучение существующих структур таких СЧ с одновременной оценкой предельно достижимого уровня их фазовых шумов.

Цель. Исследовать гибридный СЧ с переносом (смещением) частоты с использованием ЦВС и получить выражения для расчета спектральной плотности мощности фазовых шумов (СПМФШ) цепи смещения частоты (ЦСЧ).

Результаты. Предложена обобщенная схема гибридного СЧ. Проведено сравнение ЦСЧ на основе преобразования частоты с использованием ЦВС и схемы с использованием образов основной частоты ЦВС. Выполнена оценка влияния шумов ЦВС на выходные шумы ЦСЧ. Установлено, что преимущество ЦСЧ на основе преобразования частоты перед схемой с использованием образов основной частоты ЦВС (высших зон Найквиста) может достигать 10-15 дБ на отстройках от несущей частоты десятки килогерц, и это преимущество будет тем выше, чем ниже фазовые шумы ОГ. Представлены выражения для расчета частоты выходного колебания ЦВС в составе ЦСЧ, при которой ухудшение СПМФШ не превышает заданного значения. Для проверки правильности расчетов измерены СПМФШ ЦСЧ для двух типов ОГ и ЦВС. Показано, что расхождение расчетных и измеренных СПМФШ не превышает 1-3 дБ.

Практическая значимость. Приведенные выражения для расчета характеристик ЦСЧ с ЦВС для вычисления заданного значения ухудшения СПМФШ могут быть использованы при определении характеристик источников колебаний и формирователей сигналов на этапе проектирования.

Королев А.В., Коршиков Я.В., Рыков С.Г. Гибридный синтезатор с двумя кольцами фазовой автоподстро́йки частоты и цифровым вычислительным синтезатором в цепи смещения частоты. Часть 1. Цепь смещения частоты // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 2. С. 178−192. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202302-21

1. Chenakin A. Frequency Synthesizers Concept to Product. Artech House. 2011.
2. Ченакин А.В., Кочемасов В.Н., Пестряков А.В. Состояние и перспективы развития синтезаторов частот СВЧ-диапазона // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2018. № 4. С. 132-139.
3. Казаков Л.Н., Шахтарин Б.И., Вишняков Д.Ю. Минимизация фазового шума сигнала косвенного синтезатора частот в заданной полосе частотных отстроек // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59. № 11. С. 1111.
4. Ромашов В.В., Мергурьев А.В. Сравнительный анализ методов синтеза частот при формировании сигналов в РЛС // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2008. Вып. 10. С. 68-73.
5. Banerjee D. PLL performance, simulation, and design SNAA106C. May 2017
6. Горевой А.В. Получение субгерцового разрешения в синтезаторах частот при высокой степени спектральной чистоты и малом энергопотреблении // 24th Int. Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’2014). 7-13 September. Sevastopol, Crimea. Russia. С. 97-98.
7. Ченакин А.В., Кочемасов В.Н. Архитектурные решения в проектировании синтезаторов частот СВЧ с фазовой автоподстройкой частоты // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. № 10. С. 17-25.
8. Кузменков А.С., Гребенко Ю.А. Малошумящий синтезатор частот с ФАПЧ и смещением частоты в тракте обратной связи // Системы синронизации, формирования и обработки сигналов. 2015. Т. 6. № 3. С. 109-112.
9. Друкер Э. Системы ФАПЧ в синтезаторах частоты. Методы снижения шумов и паразитных сигналов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2012. № 6. С. 126-130.
10. Бельчиков С. Фазовый шум: как спуститься ниже –120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или Борьба за децибелы // Компоненты и технологии. 2009. № 5. С. 139-146.
11. Kroupa V.F. Direct Digital Frequency Synthesizers. 1999. John Wiley & Sons, Inc. 2002.
12. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Якименко К.А. Исследование шумовых характеристик гибридного синтезатора частот на основе однокольцевой ИФАПЧ со смесителем и цифрового вычислительного синтезатора // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2013. № 4. С. 23-29.
13. Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ./ Под ред. А.С. Галкина. М.: Связь. 1979. 384 с.
14. Авторское свидетельство SU1695488, H 03 B 21/02. Синтезатор частот. / Николаев В.В., Останин О.В.  Опубл. Бюл. № 44. 1991.
15. Патент 2450418 РФ, H03B 21/02, H03B 19/00. Широкополосный синтезатор частот. / Баринов Д.А. и др. Опубл. Бюл. № 13. 2012.
16. Belov L. A., Smolskiy S. M., Kochemasov V. N. Handbook of RF, microwave, and millimeter-wave components. – Artech house, 2012.
17. Дингес С., Кочемасов В. Делители частоты. Часть 1. Основные сведения о делителях частоты //Компоненты и технологии. – 2019. №. 2. С. 6-16.
18. Groulx R., Mason S. Minimization of DDS Spurious Content in Multi-Channel Systems. High Frequency Electronics. October 2006. Р. 18-28.
19. Jouko Vankka. Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Applications: diss. Doctor of Science in Technology. Helsinki: University of Technology. 2000. 208 р.
20. 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. 19-24.
21. 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.
22. Rubiola E. Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators (The Cambridge RF and Microwave Engineering Series). Cambridge: Cambridge University Press. 2008ю
23. Григорьев И.А. Методы минимизации фазовых шумов в гибридном синтезаторе частот Ku-диапазона с режимом быстрой перестройки частоты // Радиотехника. 2012. № 4. С. 105−116.