Лекция по синтезаторам частот

Синтезаторы частотПлан лекции1. Фазовые шумы.2. Коэффициент шума и фактор шума.3. Характеристики синтезаторов частот.4. Основные типы синтезаторов частот.5. Производители синтезаторов частот. Обзор основных моделей СЧ.6. Пример микросхемы ФАПЧ Analog Device ADF4107.7. Программа моделирования систем ФАПЧ Analog Device ADIsimPLL.8. Пример реального синтезатора частот.9. Влияние питающих напряжений на характеристики синтезаторовчастот.10.Пример микросхемы ФАПЧ Analog Device ADF4351 со встроеннымГУНом.11.Цифровые синтезаторы частот.ВведениеТрудно представить современную цифровую технику без синтезаторовчастот. Любое устройство передачи данных использует перенос полезногосигнала на другие частоты, и для этого требуются синтезаторы частот.

Отсинтезаторов частот зависят ключевые параметры любого устройствапередачи данных.Прежде, чем начать лекцию напомним несколько терминов. Децибелы –это безразмерная величина, применяющаяся в радиотехнике. В связи с тем,чтолинейныединамическоговеличиныдиапазонабываюточеньприменяемыхнеудобны из-за огромногосигналов,используетсяпредставление величин в логарифмическом виде. Для «энергетических»величин второго порядка, таких как мощность1Величина в децибелах = 10 ( ) [дБ] [англ. ].01Для величин первого порядка (~ 2 ), например, для напряженияВеличина в децибелах = 20 (1) [дБ].0Так как децибел – величина относительная, то для выраженияабсолютных величин, например, мощности, введено понятие децибелотносительно милливатта.Величина в децибелах относительно мВт == 10 (1) [дБм][англ. ].1 мВтНулю децибел относительно милливатта соответствует мощность 1 мВт.Кроме того, важная величина – децибел относительно несущей,поскольку часто удобно измерять величины сигнала или шума относительноуровня на несущей частоте.Величина в децибелах относительно несущей =1= 10 ( ) [дБн][англ.

].нФазовые шумыПрежде, чем говорить о синтезаторах обратимся к понятию фазовыхшумов. Величина фазовых шумов позволяет понять качество синтезатора иоценить его вклад в стабильность всей системы в целом. Фазовые шумыможно разделить на два класса – детерминированные и стохастические.Детерминированные фазовые шумы обусловлены внешними причинами,например, линией источников питания, всевозможными гармоническимикомпонентами,возникающимивсмесителях,умножителях,иприформировании частот. Стохастические шумы по своей природе случайны.

Онисостоят из тепловых шумов, дробовых шумов, фликкер-шумов и т.д.Синусоидальные сигнал есть произведение амплитуды на синусфазовогоугла.Математическиидеальныйописывается как() = 0 (20 ),2синусоидальныйсигналгде 0 — номинальная амплитуда сигнала; 20 — величина, описывающаялинейное приращение фазы; 0 — номинальная частота сигнала.Однако реальный сигнал правильнее моделировать как:() = [0 + ()] sin[20 + ∆()],где () — амплитудные флуктуации; ∆()— флуктуации фазы.Реальный сигнал отличается от идеального наличием флюктуаций, какамплитуды, так и фазы.Фундаментальным определением фазового шума является спектральнаяплотность мощности (СПМ) фазовых флуктуаций в заданной полосечастот, данная величина имеет размерность рад2 /Гц:[∆ 2 СКЗ ( )] ( ) =,где — частота отстройки от несущей; ∆СКЗ — среднеквадратическоезначение флуктуации фазы; BW— полоса, используемая при измерении ∆СКЗСпектральная плотность мощности зависит от частоты отстройки отнесущей, среднеквадратического значения флюктуаций фазы и полосы,используемой при измерении.

Чем шире полоса, тем больше шумы. Чембольше флюктуации фазы, тем больше шумы.Еще один важный термин для оценки кратковременной стабильностиисточника сигнала — это спектральная плотность мощности частотныхфлуктуаций ∆ ( ):[∆ 2 СКЗ ( )]∆ ( ) =.Поскольку частота — это скорость изменения фазы, то нетрудновыявить связь этих величин ( ) =∆ ( ) 2.В цифровых системах связи для оценки стабильности источниковтактовой частоты чаще используется понятие джиттера ∆. Джиттер — этоотклонение по времени некоторого события (например, фронта) от его3идеального положения на временной оси. Между джиттером во временнойобласти и СПМ флуктуаций фазы существует следующая взаимосвязь(измеряется в секундах):1√ ∫ ( )∆ =200Cпектральную плотность мощности можно считать в любой полосе.

Наанализаторе спектра спектральная плотность мощности измеряется в полосе1 Гц. Собственные шума современных анализаторов спектра составляютпорядка минус 155 дБн. Лучшими характеристиками обладают толькоспециализированные анализаторы фазовых шумов.Почему важен фазовый шум? Прогресс в современной цифровойтехнике связан в том числе и с получением низких фазовых шумов.Желательноиметьминимальнуюполосудляпередачиданныхимаксимальную частоту передачи информации. В старой технике на передачубита информацию приходилось много герц. Сейчас полосе 1 Гц содержитсягораздо больше 1 бита информации.

Для этого используются сложные видымодуляций QAM, OFDM.QAM модуляция, которая позволяет на один символ передать несколькобит информации. Под символом понимается переход в фазовой плоскости отодного положения в другое.На рисунке 1 представлена фазовая плоскость I-Q, слева-условноеизображение переходов между фазовыми состояниями. При I-Q модуляциимощность передающего сигнала всегда постоянна. Она представляет собойдлину вектора, который вращается в фазовой плоскости и может заниматьбольшое число положений.

QAM начиналась с 2, 4, 8; сейчас 64 положений,128, 256. На рисунке 1 восемь положений фазовой плоскости. Вектор можетперейти из любой точки в любую другую (рисунок 1 слева). Из какого места икуда перешёл вектор представляет собой непосредственно информацию. Вслучае, представленном на рисунке 1, можно сразу передать 64 бита.4Рисунок 1 – Понятия фазовой плоскости, состояний и переходовДругой вид модуляции – OFDM (Рисунок 2).Рисунок 2 – OFDM-модуляцияОна, в отличии от QAM-модуляции, работает не в фазовой, а в частотнойплоскости. Здесь формируются очень узкие полосы частот, которые являютсяинформационными. Все эти спектры модулируются функциями типа sin(x)/x.Ортогональность полос достигается тем, что каждая полоса располагается впервых нулях модулирующей функции.

Поэтому остаточные помехи отсоседних полос близки к нулю.Фазовые шумы в приемном тракте приводят к тому что в случае QAMмодуляции происходит «размазывание» точек фазовой плоскости до тех пор,пока они не начнут «слипаться». В этом случае возникают битовые ошибки,которые при сильном «размытии» могут быть неприемлемыми. Определенноеколичество ошибок можно убрать помехозащищенным кодом, но с5определенного момента это сделать не удастся. Аналогично в OFDMсигналах, где происходит расширение спектра и размывание нуля, в первыхнулях наблюдается увеличение шумов и происходит как бы перетаскивание изодной полосы в другую: после того как сигнал перешёл в соседнюю полосуполучаются битовые ошибки. Естественно для того что бы иметь либовысокую скорость передачи, либо длинные каналы связи, либо и то и другоеодновременно, необходимо вносить как можно меньше ошибок, вызванныхфазовыми шумами, при генерации сигнала.Далее рассмотрим ключевой элемент в синтезаторе – гетеродин.Сердцем любого синтезированного гетеродина является генератор,перестраивающийся в широкой полосе частот, ядро которого приведено вконцептуальном виде на рисунке 3.Рисунок 3 – Условное представление ядра гетеродинаЯдро можно представить в виде некоего активного элемента, в цепьобратной связи которого включён резонатор.СПМ фазовых шумов в одиночной боковой полосе СВЧ-генератораможет быть определена следующей формулой: = 10 {где22[(20 )2 1+ ( 0)322++ 1]}— коэффициент усиления активного элемента (в разах); — фактор шума активного элемента; — постоянная Больцмана 1,38 ∗ 10−23 Дж/К;t — температура;6Р — мощность, рассеиваемая на резонаторе;Q — нагруженная добротность резонатора;0 — номинальная выходная частота; — частота отстройки, где начинается фликкер-ЧМ активногоэлемента;— частота отстройки.При прочих равных, если пиковые выбросы не превышают один радианшумов, то в одиночной боковой полосе СПМ равна половине СПМ фазовыхшумов на данной частоте.

Здесь выделены четыре составляющих: постояннаясоставляющая, составляющие пропорциональные минус первой, минусвторой, минус третьей и минус четвёртой степени частоты. Графическоеизображение зависимости представлено на рисунке 4:Рисунок 4 – График СПМ шумовСамый удаленный от несущей – белый шум – случайный шум,производимый генератором, природа которого многообразна, т.е. происходитот различных источников разной природы, характерной особенностью7которых является независимость мощности от частоты. При приближении кнесущей над белым шумом можно наблюдать фликкер-шум, который растетпри приближении к нулю отстройки со скоростью примерно на 10 дБ наоктаву. Дальше идут шумы, показанные на рисунке с ростом 20 дБ на октаву,30 дБ на октаву и 40 дБ на октаву. Последнее имеет место очень близко кнесущей, при отстройках в единицы и доли Гц.Коэффициент шума и фактор шумаСтохастические шумы, случайные шумы состоят из несколькихсоставляющих.

Основные из них это – тепловой шум и дробовый шум.Несмотря на многообразие источников шума, у всех механизмов генерациишума есть одно свойство, общее с тепловым шумом: они имеют однородныйспектр, равномерно распределенный в полосе частот до 5000 ГГц.Мощность теплового шума определяется как: = где – доступная мощность (Дж/сек или Вт); – постоянная Больцмана (1,38 х 10-23 Дж/К); – абсолютная температура (К); – полоса частот (Гц).Абсолютную температуру в 290 К (обычно обозначается как 0 ) принятосчитать опорной величиной источников шума при измерениях коэффициенташума. Эта величина соответствует 16,80 по Цельсию и 62,30 по Фаренгейту.В качестве генераторов тепловых шумов чаще всего используетсярезистор.