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. Тенденция развития современных интегральных устройств, заключающаяся в переносе аналоговых функций в цифровую область, обусловила появление и активное использование в современных системах связи быстродействующих ЦАП в специальных режимах работы. Однако оптимизация энергопотребления и экономических затрат формирователей сигналов (например, за счет применения упрощенных тактовых генераторов или за счет экономии памяти ПЛИС) приводит к росту фазовых шумов и нелинейных искажений в выходном сигнале, что оказывает существенное влияние на параметры системы связи.

Цель. Выполнить оценку фазовых шумов и нелинейных искажений формирователей сигналов на основе быстродействующих ЦАП, а также провести исследование их влияния на параметры цифровой системы связи.

Результаты. Представлены выражения для оценки спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых шумов формирователя сигналов на основе быстродействующего ЦАП. Установлено, что уровень фазовых шумов формирователя в основном определяется шумами тактового генератора (ТГ). Выполнена оценка джиттера системы связи при использовании ПАВ-генератора и синтезатора на основе ФАПЧ в качестве ТГ. Предложена математическая модель выходного сигнала формирователя с учетом нелинейных искажений, вызванных дискретизацией, усечением кода фазы и квантованием амплитуды. Разработана модель системы связи с многопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией для оценки параметров с учетом фазового шума и нелинейных искажений формирователя на основе быстродействующих ЦАП. Определено, что собственный фазовый шум формирователя сигналов приводит к увеличению вероятности битовой ошибки примерно на порядок по сравнению с идеальными формирователями. Показано, что применение в качестве ТГ ПАВ-генераторов позволяет уменьшить вероятность битовых ошибок системы связи в 3–5 раз по сравнению с синтезаторами на основе ФАПЧ. Выявлено, что на смещение точек в сигнальном созвездии в основном влияют нелинейные искажения выходного сигнала быстродействующих ЦАП, вызванные усечением кода фазы, а также неполным подавлением спектральных компонентов, находящихся в соседней зоне Найквиста.

Практическая значимость. Предложенный математический аппарат позволяет определить оптимальные частотные соотношения в структуре формирователя, при которых достигаются наименьшие значения смещения точек созвездия.

Якименко К.А., Ромашов В.В., Храмов К.К., Докторов А.Н., Сочнева Н.А. Влияние фазового шума и нелинейных искажений быстродействующих цифро-аналоговых преобразователей на параметры цифровых систем связи // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 6. С. 137−148. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202406-17

1. Winoto R. Digital Radio-Frequency Transmitters: An Introduction and Tutorial // IEEE Solid-State Circuits Magazine. Nov. 2018. V. 10. № 4. P. 70–80.
2. Kalcher M., Fulde M., Gruber D. Fully-digital transmitter architectures and circuits for the next generation of wireless communications // Elektrotechnik & Informationstechnik. 2018. № 135/1. P. 89–98.
3. Trampitsch S., Markovic J., Oßmann, P., Fritzin, J., Zaleski, J., Mayer, C., Fulde, M., Pretl, H., Springer, A., Huemer, M. A nonlinear switched state-space model for capacitive RF DACs // IEEE Trans. Circuits Syst. I. Regul. Pap. 2017. V. 64(6). P. 1342–1353.
4. Bicici C., Ozdur I., Cerezci O. Analysis of oscillator phase noise effect on high order QAM links // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2020. V. 105(1). P. 1–6. DOI:10.1007/s10470-020-01701-1.
5. Oveisi M., Heydari P. A Study of BER and EVM Degradation in Digital Modulation Schemes Due to PLL Jitter and Communication-Link Noise // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2022. V. 69(8). P. 3402–3415.
6. Ajay K., Geir O. High-Speed DACs ease transmitter designs // Microwave & RF. 2010. № 49(8). P. 66–71.
7. Ромашов В.В., Храмов К.К., Докторов А.Н., Якименко К.А., Сочнева Н.А. Повышение эффективности использования выс-ших 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.
8. Reza Sadeghifar M., 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. V. 100. P. 683–692.
9. 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.
10. Kroupa V.F. Noise properties of PLL systems // IEEE Trans. 1982. V. Com-30. № 10. Р. 2244–2252.
11. 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.
12. Ченакин А. Фазовые шумы в СВЧ-генераторах. Методы решения проблемы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2011. № 4. С. 52–61.