Лекция по синтезаторам частот, страница 2

Спектральная плотность тепловых шумов , генерируемаярезистором на согласованную нагрузку в каждом Герце электромагнитногоспектра при данной температуре, равна 4 ∗ 10−21 Вт или -174 дБм.Неотъемлемой частью определения коэффициента шума являетсяпонятие «соотношение сигнал-шум».Фундаментальное определение коэффициента шума следующее:8=где ⁄ ⁄,Sin/Nin– соотношение сигнал/шум на входе устройства;Sout/Nout– соотношение сигнал/шум на выходе устройства.Любой активный элемент вносит свой шумовой вклад, для того чтобыхарактеризовать этот вклад введено понятие «коэффициент шума».Хотя величина F исторически называлась «коэффициентом шума»,современныйтермин«коэффициентшума»обычноподразумеваетлогарифмический масштаб величины NF, численно равную 10 lg F [дБ].

Взарубежнойспециальнойлитературе,публикуемойведущимипроизводителями измерителей коэффициента шума (Keysight Technologies,Anritsu, Rohde & Schwarz) последовательно разграничиваются два термина:«фактор шума» или F и, собственно, «коэффициент шума» NF.Итак, NF[дБ] = 10 lg F.Рисунок 5 – Сигнально-шумовая смесь на входе и выходе усилителяКак видно из рисунка 5, устройство усиливает не только полезныйсигнал, но и шум, при этом ухудшается соотношение сигнал/шум.Если мы подключим к входу усилителя согласованную нагрузку притемпературе 290 К, то она будет генерировать на входе усилителя шум kT0B.На выходе этот шум усилится и превратится в kT0BG (G – коэффициентусиления усилителя) плюс к нему добавится некое количество шума,9генерируемого в самом усилителе NA.

Тогда выражение фактора шума можнопереписать следующим образом= ⁄ 1 0 + == ∙ ⁄ 0 Отсюда=0 + 0 или0 + = 10 (0 )Выражение является определением коэффициента шума, котороеофициально принято международным Институтом Радиоинженеров (сейчасInstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)).В измерительной технике четко отделяются понятия фактор шума откоэффициента шума.

NF – фактор шума, F – коэффициент шума (линейная, нелогарифмическая характеристика).Характеристики синтезаторов частотПриведём ключевые характеристики синтезаторов частот. Прежде всего,это частотный диапазон, в котором синтезатор выдаёт свои выходныесигналы.Естьсинтезаторынамоночастоту,естьперестраиваемыесинтезаторы, которые могут выдавать набор частот. Также есть синтезаторы,которые позволяют сканировать спектр, то есть плавно перестраивать частоту.Другая, связанная с частотным диапазоном, характеристика – частотноеразрешение, то есть минимальный дискрет, на который выходная частотасинтезатора может быть перестроена.Также важная характеристика – выходная мощность синтезатора.Кроме того, в техническом задании на синтезатор обязательноописываются негармонические искажения.

В англоязычной литературеиспользуется термин – spur (англ. шпура, паразитная составляющая). Это10нежелательные частотные продукты, которые возникают в синтезаторе, впроцессе воздействия источников питания, в процессе умножения частот и впроцессе формирования сигнала, то есть все спектральные составляющие,расположенные в рабочей частотной области, но не являющие полезнымсигналом.Фазовый шум и стабильность частоты ещё две характеристикисинтезатора частот. Фазовый шум задаётся либо в нескольких точках, либографиком.Фазовыйшум–меракратковременнойнестабильности.Долговременная нестабильность частоты определяется значением на сколькогерц «уходит» частота синтезатора за определённый временной промежуток(часы, сутки, месяцы, годы). Долговременная нестабильность важна придолгих сроках службы прибора, её при необходимости можно каким-тообразом скомпенсировать.

Кратковременная нестабильность влияет наколичество ошибок при передаче информации.Скорость перестройки из одной частоты в другую. Иногда к этойхарактеристике не предъявляют никаких требований, но в системах, гдетребуется быстрая перестройка с частоты на частоту, данный параметрстановится ключевым. Разные типы синтезаторов обеспечивают разныескорости перестройки.Немаловажными факторами является энергопотребление и габаритысинтезатора.

Синтезатор, объём которого составляет многие литры икубические метры, а масса многие килограммы или тонны может применятьсятолько в системах, где требуются исключительные характеристики (фазовыйшум и стабильность частоты), но в подавляющем большинстве систем,особенно мобильных (например, систем сотовой связи) предъявляются оченьжесткие требования к массогабаритным характеристикам.Основные типы синтезаторов частотПринципыпостроениясинтезаторовмогутбытьразными.Ваналоговых синтезаторах (DAS – direct analog synthesizer) выходная11частота формируется из набора опорных частот путём суммирования этихчастот на смесителях с использованием полосовых фильтров. На рисунке 6приведён пример структурной схемыпрямого аналогового синтезаторачастот.

Несомненным достоинством аналоговых синтезаторов являетсявысокая скорость переключения. Для других видом синтезаторов скоростиперестройки аналоговых синтезаторов являются недостижимыми. Кроме того,уэтихустройствестьследующаяхарактернаяособенность.Еслиперестроиться с одной частоты на другую, а потом вернуться к первой, то фазабудет совпадать со значением, которое было бы, если бы перестройка навторую частоту не производилась, то есть эти синтезаторы обладают фазовойпамятью.Рисунок 6 – Аналоговый синтезатор частотК недостаткам аналоговых синтезаторов стоит отнести сложностьпостроения. Если требуется получить малый дискрет перестройки, то, начинаяс некоторых величин, построение становиться нереализуемым из-заневозможности фильтрации побочных составляющих.Следующим рассматриваемым типом синтезаторов является синтезаторпрямого цифрового синтеза (DDS – direct digital synthesizer).

На рисунке 7приведена схема идеального синтезатора прямого цифрового синтеза. Данноеустройство в прямом виде не реализовано ни на одной микросхеме. Однакоприборы, основанные не этим принципе существуют. Они носят название –12генераторы произвольного сигнала. Алгоритм работы устройства состоит вследующем. В ОЗУ с внешнего компьютера заносится произвольный сигнал.Требованием к ОЗУ является возможность работы на частоте ЦАП. Далеесигналы будут прокручиваться с помощью счётчика, и дальше выдаваться наЦАП.

ЦАП оцифровывает эти сигналы, и в результате на выходе ФНЧполучается произвольный (рассчитанный заранее) непрерывный сигналгладкой формы. При расчёте сигналов требуется учитывать множествофакторов, в том числе и характеристику ФНЧ. Также следует помнить онеобходимости выполнения теоремы Котельникова-Найквиста-Шеннона.(Аналоговый сигнал с максимальной частотой может быть восстановленбез потерь по своим дискретным отчётам, взятым с частотой дискретизациид = 2 ).Рисунок 7 – Универсальное устройство прямого цифрового синтезаНедостатком данного устройства является невозможность полученияОЗУ с малыми габаритами и большой ёмкостью. Необходимый объём памятизависит от периода формируемого сигнала.

Например, если требуетсясформировать синусоидальный сигнал с частотой в десять раз меньшейчастоты ЦАП, то достаточно иметь 10 отсчётов, которые будут занесены вОЗУ и далее будут периодически прокручиваться с помощью счётчика. Если13частоты не кратны частотам ЦАП, то это приводить к возникновению большихпаразитных составляющих.Далее рассмотрим синтезаторы, основанные на системах фазовойавтоподстройки частоты ФАПЧ. Схема синтезатора на основе ФАПЧ сцелочисленными коэффициентами деления приведена на рисунке 8.Идея работы таких синтезаторов состоит в следующем. Имеется оченьстабильный генератор опорной частоты (G). Требуется перенести его фазовыехарактеристик на генератор, работающий на более высокой частоте (VCO –voltage controlled oscillator, ГУН – генератор, управляемый напряжением).

Нафазовый детектор подаются две частоты: частота опорного генератора,делёная на N, и частоты ГУНа, деленая на M. В случае равенства частотфазовый детектор будет выдавать постоянный сигнал фазовой ошибки на свойвыход, которая затем фильтруется петлевым фильтром, и будет управлятьГУНом. Если ГУН находится в синхронизме, то есть частоты на выходахделителей постоянны, то на выходе ФД постоянное значение сигнала ошибки.Если ГУН выходит из синхронизма, например, его частота уходит вверх, точастота после делителя на M тоже уйдёт вверх, и фазовый детектор начнётвыдавать ошибку рассогласования таким образом, чтобы противодействоватьуходу генератора, то есть «увести» его частоту вниз.Рисунок 8 – Синтезатор на основе ФАПЧПоскольку делители частоты имеют целочисленные коэффициентыделения, шаг сетки такого синтезатора определяет частота сравнения.Выходная частота определяется по формуле14 = ∙ = () ∙ = ∙ ( ),где – выходная частота, – частота сравнения, – опорная частота, – коэффициент деления опорной частоты, – коэффициент деления выходнойчастоты.Рассматриваемая петля ФАПЧ имеет коэффициент перестройки,зависящий от коэффициентов и .

Эти коэффициенты имеют не достаточномалые значения, что приводит к большому дискрету. Для минимизациидискрета перестройки был придуман синтезатор частот на основе ФАПЧ сдробным коэффициентом деления.Производители синтезаторов частот. Обзор основных моделей СЧВ этой области работает довольно много разным производителей, нобольшинство из них являются нишевыми. Существует только два глобальныхпроизводителя компонентов для синтезаторов частот: Analog Device, TexasInstruments. В 2011 году Texas Instruments купил фирму NationalSemiconductor, которая ранее являлась одним из ведущих мировыхпроизводителей. В 2014 году Analog Device купил фирму Hittite. На тотмомент фирма Hittite являлась лидером по производство техники СВЧ в целом,и синтезаторов частот в частности.