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

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

Постановка проблемы. Использование цифрового вычислительного синтезатора (ЦВС) с преобразователем частоты в цепи смещения частоты гибридного синтезатора высокочастотных колебаний позволяют существенно снизить его фазовые шумы. Поскольку ранее данный вариант синтезатора частот (СЧ) не рассматривался, возникает необходимость расчета фазовых шумов СЧ для такого включения ЦВС, при работе всех каскадов СЧ от одного опорного генератора.

Цель. Выполнить анализ существующих схем гибридных СЧ с ФАПЧ, определить элементы, вносящие наибольший вклад в фазовые шумы выходного колебания гибридного СЧ, а также разработать и экспериментально проверить СЧ с низким уровнем спектральной плотности мощности фазовых шумов (СПМФШ).

Результаты. Предложена структурная схема гибридного СЧ с ЦВС и двумя кольцами ФАПЧ. Проведен детальный анализ фазовых шумов гибридного СЧ, в котором источником колебаний как для колец ФАПЧ, так и цепей смещения частоты является один и тот же опорный генератор, и содержащего схемы ФАПЧ в каскадном включении и ЦВС в цепи смещения частоты. Выполнены расчеты и эксперименты, которые показали, что использование в гибридном СЧ цепи смещения частоты с использованием работающего в первой зоне Найквиста ЦВС в качестве преобразователя частоты позволяет свести к минимуму влияние фазовых шумов ЦВС на фазовые шумы СЧ. Установлено, что в этом случае на частотах отстройки от несущей, где преобладают фликкерные шумы ИЧФД схем ФАПЧ в каскадном включении, вклад фликкерных шумов микросхем ФАПЧ в шумы выходного колебания СЧ будет равноценным. Показано, что оценку СПМФШ СЧ удобно производить на эквивалентной частоте, определяемой частотой фазового детектора и коэффициентом деления в цепи обратной связи второго (основного) кольца ФАПЧ. С учетом результатов первой части работы [1] получены расчетные соотношения, на основе которых можно проектировать гибридные СЧ ЦВС и ФАПЧ с низким уровнем фазовых шумов.

Практическая значимость. Представленные выражения для СПМФШ гибридного СЧ и его составных частей позволяют производить оценку потенциально достижимых уровней фазовых шумов СЧ и могут быть использованы при расчетах характеристик источников колебаний и формирователей сигналов.

Королев А.В., Коршиков Я.В., Рыков С.Г. Гибридный синтезатор с двумя кольцами ФАПЧ и ЦВС. Часть 2. Цепь точной настройки и основное кольцо ФАПЧ // Радиотехника. 2023. Т. 87. №7. С. 145−161. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202307-15

1. Королев А.В., Коршиков Я.В., Рыков С.Г. Гибридный синтезатор с двумя кольцами ФАПЧ и ЦВС. Ч. 1. Цепь смещения частоты // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 2. С. 178−192. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202302-21.
2. Banerjee D. PLL performance, simulation, and design SNAA106C May 2017
3. 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.
4. Поляков А.Е., Кузменков А.С., Стрыгин Л.В. Синтезаторы частот с ЦВС в тракте обратной связи // Труды МФТИ. 2015. Т. 7. № 1. С. 119-131.
5. Суханов А.А., Григорьев И.А. Моделирование фазовых шумов гибридного синтезатора частот на основе петли ФАПЧ без деления частоты ГУН // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 4. С. 22−31. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202204-03.
6. 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.
7. Суханов А.А., Макарычев Е.М., Григорьев И.А. Разработка и исследование характеристик гибридного DDS-PLL-синтезатора с алгоритмом подавления побочных дискретных составляющих // Радиотехника. 2017. № 4. С. 28-32.
8. Патент 172814 РФ, H03L 7/18. Гибридный синтезатор частот с улучшенными спектральными характеристиками / Ромашов В.В. и др. Опубл. Бюл. №21. 25.07.2017
9. Wolaver D.H. Phase-Locked Loop Circuits Design, Prentice-Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey. 1991. 265 p.
10. Заявка на изобретение №2021133130 от 15.11.2021. Гибридный многокольцевой синтезатор частот / Королев А.В., Коршиков Я.В., Костючик Д.А., Рыков С.Г.
11. Chenakin A. Frequency Synthesizers Concept to Product. Artech House. 2011.
12. Вишняков Д.Ю., Чернов С.А. Проектирование многоканальных синтезаторов частот с коммутируемой структурой // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2012. Т. 2. № 1. С. 38-40.
13. 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.
14. Друкер Э. Системы ФАПЧ в синтезаторах частоты. Методы снижения шумов и паразитных сигналов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2012. № 6. С. 126-130.
15. Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ. / Под ред. А.С. Галкина. М.: Связь. 1979. 384 с.
16. 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.
17. James A. Crawford, Frequency Synthesizer Design Handbook. Artech House. 1994.
18. Ромашов В.В., Ромашова Л.В., Якименко К.А. Исследование шумовых характеристик гибридного синтезатора частот на основе цифрового вычислительного синтезатора и двухкольцевой ИФАПЧ // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2014. № 16. С. 18-24.
19. Kroupa V.F. Phase Lock Loops and Frequency Synthesis. John Wiley & Sons, Ltd. 2003. 320 с.
20. Ромашова Л.В., Ромашов А.В., Фомичев А.Н. Исследование шумовых свойств системы ФАПЧ со смесителем в цепи обратной связи // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2011. № 2. С. 20-24.
21. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и Связь. 1991. 264 с.
22. Rohde U.L. Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. John Wiley & Sons, Inc. 1997. 638 с.
23. Kroupa V.F. Low-noise microwave-frequency synthesizers: design principles // IEEE Proceedings-H (Microwaves, Optics and Antennas). 1983. V. 130. № 7. Р. 483–488.
24. Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки. М.: Радио и связь. 1989. 232 с.
25. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах / Под общ. ред. А.К. Нарышкина. М.: Советское радио. 1977. 416 с.
26. Жабин А.С., Кулешов В.Н., Голубков А.В. Собственные шумы импульсных частотно-фазовых детекторов и их влияние на работу синтезатора частот // Вестник МЭИ. 2011. № 1. С. 60-68.