автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка и исследование математических моделей шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов

На правах рукописи

у^

Ромашова Любовь Владимировна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МА?

Владимир 2012

005014712

Работа выполнена на кафедре радиотехники и радиосистем Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых"

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Никитин Олег Рафаилович лауреат Государственной премии СССР доктор технических наук, профессор Кулешов Валентин Николаевич кандидат технических наук, доцент Тельный Андрей Викторович

ОАО "Муромский завод радиоизмерительмых приборов"

Защита состоится 4 апреля 2012 года в 1400 часов на заседании диссертационного . совета Д212.025.04 при Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ, корп. 3, ауд. 301.

Тел/факс: (4922) 479960

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ВлГУ. ФРЭМТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Автореферат разослан 2 марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета /

доктор технических наук, профессор А.Г.Самойлов

ОБЩА$ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, TÇjibi, В большинстве радиосистем источником высо-костабйльнь^, колебании .^цлщотся синтезаторы частот. В настоящее время наиболее широко' применяются синтезаторы, в которых используются метод прямого аналогового синтеза, метод фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, а ;_так.:ж^,цифр^вуе^^ьрислительные синтезаторы (ЦВС, DDS) на основе метода пр^(^9л<цйфдс|ррго.синтеза. Особенно быстро развиваются системы гибрвдцо^сщг^за,- ¡сочетающие достоинства нескольких видов

CHHTe3aTop9B^a(^o|w;rrïCl . ...I-, . . .

. Важными рсюберч^я^и.цифрового метода синтеза частот являются возможность'быстрргр.рмеиенвд параметров синтезируемого сигнала, высокое разрешение ло. чэстртс -и фазе, наличие цифрового интерфейса для управления. По.пуливщиезВ.^ослрднис годы бурное развитие цифровые вычислительные синтезаторы частот легко реализуются в интегральном исполнении, позволякц ощтездравать частоты в широком диапазоне (до сотен мегагерц) ;с.дагоидар,?ст{?ойки в сотые доли герца.

Одним из основных параметров синтезаторов частот является относительная спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых шумов, измеряемая при различной частоте отстройки от несущего колебания. Достигаемые в настоящее время уровни СПМ фазовых шумов составляют менее минус 170 дБ/Гц и определяются как собственными шумами источников опорных частот,-так-,и_щумами звеньев, входящих в данное устройство,Жак

правило, для анализа ¡шумовых характеристик синтезаторов частот исщуц>-__

зуют экспериментальные.исследования. Для анализа СПМ фазовых -щумав. разрабатываемых устройств используют методы теоретического анализа с применением усредненных СПМ фазовых шумов различных звеньев синтезаторов. Например, имеются достаточно точные аппроксимации СПМ фазовых шумов для кварцевых генераторов, генераторов, управляемых напряжением; дедител^й^аструц,, фазовых детекторов, усилителей и других. С использованием'их проводится теоретический анализ СПМ фазовых шумов синтезаторов, реализованных с помощью прямых аналоговых методов и систем ФАПЧ. ? :

Методы расчета фазовых/ шумов систем ФАПЧ изложены в работах В.В.Шахгильдяна, В.Н.Кулешова, В.Манассевича, А.В.Рыжкова, В.Н.Малиновского, С.К.Романова, В.АЛевина, V.F.Kroupa, K.V.Puglia, J.Esterline, Ulrich L. Rohde, Bar-Giora Goldberg, E.Drucker и др.

Для ЦВС подобных аппроксимирующих выражений для СПМ фазовых шумов имеется весьма ограниченное количество, причем точность их невелика. Это связано „с тем, что до недавнего времени уровень СПМ фазовых шумов ЦВС'.определялся в основном шумами квантования цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с количеством разрядов до 10, так как уровень собственных шумов ЦВС был существенно меньше шумов квантования. Для оценки же шумов квантования известна достаточно простая и

точная формула. Большое внимание уделялось и уделяется оценке уровня дискретных спектральных составляющих выходного сигнала ЦВС, имеющих существенное (-60...-80 дБ) значение. Развитию теории цифровых вычислительных синтезаторов посвящены работы V.F.Kroupa, Jouko Vankka, Bar-Giora Goldberg, Н.П.Ямпурина, H.T.Nicholas и других. Исследование шумовых характеристик ЦВС отражено в работах V.F.Kroupa, В.Н.Кулешова, Bar-Giora Goldberg.

На современном этапе количество разрядов ЦАП интегральных цифровых синтезаторов достигает 14, тактовые частоты возросли до 1 ГГц, поэтому уровень шумов квантования стал существенно меньше собственных шумов звеньев ЦВС. При проектировании формирователей сигналов радиосистем, реализованных на цифровых вычислительных синтезаторах, оценку уровня фазовых шумов выходных сигналов можно произвести на основе моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов функциональных звеньев системы. Однако вопросы построения модели СПМ фазовых шумов ЦВС и развитие методов анализа фазовых шумов формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов не нашли должного отражения в литературе. Поэтому проблема разработки моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для расчета шумовых характеристик формирователей сигналов является актуальной.

Целью работы является разработка математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для исследования шумовых характеристик формирователей сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- исследовать составляющие фазовых шумов выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов, проанализировать известные математические модели СПМ фазовых шумов функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры;

- разработать математическую модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов и методику расчета коэффициентов модели по экспериментальным шумовым характеристикам синтезаторов;

- исследовать с помощью разработанной математической модели шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и сравнить их с экспериментальными характеристиками интегральных синтезаторов;

- разработать математические модели шумовых характеристик и провести анализ фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов, имеющих встроенный умножитель тактовой частоты;

- разработать математические модели и провести анализ шумовых характеристик гибридных схем синтезаторов на основе цифровых вычисли-

тельных синтезаторов и систем ИФАПЧ и сравнить их между собой;

- рассмотреть практическое применение предложенных моделей шумовых характеристик для исследования шумовых свойств формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы спектрального анализа, автоматического управления, математического и имитационного моделирования, вычислительной математики, методы аппроксимации. Моделирование и расчет по разработанным методикам проводился с использованием программного пакета МаЛсаё.

Научная новизна работы

1. Предложена математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, учитывающая собственные шумы звеньев синтезатора и их зависимость от выходной и тактовой частот.

2. Разработана методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по экспериментальным шумовым характеристикам.

3. Исследованы шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ при различных параметрах анализируемых устройств.

4. Разработаны математические модели и проведено исследование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на основе цифровых вычислительных синтезаторов и фазовой автоподстройки частоты.

5. Показана возможность теоретического анализа шумовых характеристик разрабатываемых формирователей сигналов с использованием предложенной математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

- предложенная математическая модель шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов позволяет на стадии проектирования провести оценку спектральной плотности мощности фазовых шумов разрабатываемых устройств с погрешностью (1 ... 3) дБ/Гц;

- разработанная модель шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов позволяет выбрать синтезатор и определить его параметры для получения требуемого уровня фазовых шумов выходного сигнала;

- созданы программы расчета спектральной плотности мощности фазовых шумов различных вариантов построения синтезаторов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и ИФАПЧ, позволяющие рассчитывать и сравнивать шумовые характеристики разрабатываемых устройств при изменении их параметров.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.

2. Методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по их экспериментальным шумовым характеристикам.

3. Результаты анализа фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов.

4. Математические модели и результаты анализа шумовых характеристик гибридных синтезаторов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 9-ой Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2011, Красноярск; 9-ой международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», 2011, Владимир; I-III Всероссийских научных «Зворыкинских чтениях, 2009, 2010, 2011, Муром; Всероссийской научно-практической конференции «Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике» в рамках Всероссийских радиофизических научных чтениях-конференцииях памяти H.A. Арманда, 2010, Муром; Второй Всероссийской научно-практической кронференции «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы. PJIC-2010», 2010, Муром.

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ. Из них 4 статьи в журналах из списка ВАК, 4 статьи в журналах из списка РИНЦ.

Внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены в исследования по ОКР на ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов», в учебном процессе кафедры РТ и PC Владимирского государственного университета. Кроме того, использовались при выполнении хоздоговорной НИР «Исследование технических характеристик PJ1C 35Н6 и 39Н6, разработка предложений по построению на их базе новых радиолокационных станций и систем», 2010 г. и при выполнении исследований по фанту РФФИ № 11-07-00650-а.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 85 наименований, 3-х приложений. Общий объем диссертационной работы вместе с приложениями составляет 165 страниц. Работа содержит 92 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы. Указаны цель и задачи исследования. Обоснована научная новизна и практические результаты. С формулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен краткий обзор методов синтеза частот и сравнение основных характеристик и параметров синтезаторов частот. Важнейшим параметром синтезатора частот является уровень фазовых шумов выходного колебания, который оценивается относительной величиной -спектральной плотностью мощности фазовых шумов. Показано, что в настоящее время наилучшими синтезаторами с точки зрения достижения минимальных фазовых шумов и быстродействия являются цифровые вычислительные синтезаторы, которые пока имеют ограничения по максимальной рабочей частоте.

Основным направлением в теории синтеза частот в настоящее время является развитие цифровых методов синтеза и применение гибридных синтезаторов частот, позволяющим реализовать все возрастающие требования к параметрам синтезируемых сигналов.

Кратко даны основные понятия спектрального анализа шумов радиоустройств. Рассмотрена методика анализа шумовых свойств синтезаторов сигналов с использованием моделей СПМ фазовых шумов функциональных звеньев, которые позволяют сравнивать уровни шума на выходе устройств с различной мощностью сигнала Рс

~ = S6blx(.coc+Çï)=\L{jcoc+j^f *Sex{ac + Q) + Swco6(<ис + Q), ( 1 )

"с

где Рш - мощность шума, обусловленная шумовой фазовой модуляцией, в полосе 1 Гц на частоте <dc+Q; 5eMC(ft»c+i2), Sœ(<yc+£2) - СПМ фазовых шумов на выходе и входе каскада, соответственно; L(ja)c+jQ) - коэффициент передачи входного шума каскадом; 5шс0б(олс+0.) - СПМ собственных фазовых шумов каскада; Q - частота отстройки от несущей.

Отмечается, что известные модели СПМ фазовых шумов функциональных звеньев наиболее часто аппроксимируются степенными функциями. Проведена классификация моделей СПМ фазовых шумов для основных функциональных звеньев синтезаторов (генераторов, усилителей, детекторов, умножителей и делителей частоты и др.) и приведены выражения для них.

Проведенный анализ показал, что СПМ фазовых шумов ЦВС можно представить суммой трех составляющих: СПМ фазовых шумов генератора тактового сигнала, шумов квантования и собственных шумов элементов синтезатора

ЯвыхЦВсИ= М^ЦВС +5кв(^)+5собЦВсИ. (2)

где КщС ={fout/fTf - коэффициент передачи ЦВС по шумам, fT и /оШ-тактовая и выходная частоты, F - частота отстройки от несущей.

Без первого слагаемого выражение (1) представляет модель СПМ фазовых шумов цифрового вычислительного синтезатора. Проведенный анализ известных моделей СПМ фазовых шумов ЦВС показал, что они имеют существенную погрешность (8 ... 20 дБ/Гц) по сравнению с экспериментальными шумовыми характеристиками современных интегральных ЦВС. Поэтому разработка математических моделей СПМ фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для теоретического анализа шумовых характеристик радиоустройств является актуальной задачей. В связи с этим поставлены цель исследования и задачи, которые необходимо решить.

Во второй главе проведен подробный анализ шумов квантования и собственных шумов цифровых вычислительных синтезаторов, определяемых в основном ЦАП. С учетом эффекта передискретизации и частотной характеристики ЦАП получено уточненное выражение для СПМ фазовых шумов квантования

-2/

-2//-0.59

БШ

, /о«1 ' /Г

, /т

/т )

1т

(3)

где N— количество разрядов ЦАП.

Показано, что при синтезируемых частотах, существенно меньших тактовой, и значениях Л' = 14 СПМ шумов квантования значительно меньше собственных шумов ЦВС (- 170 дБ/Гц). При десятиразрядном ЦАП шумы квантования превышают собственные шумы ЦВС. Снижение тактовой частоты также приводит к возрастанию шумов квантования, поэтому даже при количестве разрядов ЦАП ДГ=14 требуется их учет. Также при этом необходим учет шумов, вносимых тактовым генератором.

На основании результатов теоретических исследований и анализа экспериментальных шумовых характеристик синтезаторов предложена математическая модель СПМ фазовых шумов ЦВС в виде суммы СПМ составляющих белого частотного шума, фликкер-шума, 2-х естественных составляющих и шумов квантования, учитывающая зависимость от выходной и тактовой частот \2/

■/зн! ч /Т )

10" 10"

—=-+—

+ 10*

+ 10"+5"„

(4)

где коэффициенты к2, к\, к4, к3 определяют уровень СПМ 1/Т шума, 1/Р шума, естественной шумовой составляющей входных цепей и естественной шумовой составляющей сопротивления нагрузки, соответственно.

Разработана методика определения коэффициентов к\ по экспериментальным СПМ фазовых шумов интегральных ЦВС (рисунок 1).

Коэффициент к\ определяет уровень 1/Р шума и рассчитывается при частоте отстройки /•= 1000 Гц

*l=lg

10

" S дБ y fout mi n V Ю

F!

fout r

h

(5)

'при ^=1000 Гц

Здесь Здв(Е,/оШтіп) - значение СПМ шума в децибелах, определяемое для наименьшей выходной частоты ЦВС /ои1та, для которой имеются экспериментальные характеристики.

Рисунок 1. К методике определения коэффициентов к, по экспериментальным СПМ фазового шума интегрального ЦВС (на примере А09911 для низшей (15 МГц) и высшей (100 МГц) синтезируемых частот)

Величина ¿2 определяет уровень белого частотного шума ИР1 и рассчитывается для минимальной частоты отстройки /<"=10 Гц

\2

*2=lg

10

rSàE(F-foutmin )П0р2 \

foi

h

-10і' F

(6)

' при ^=10 Гц

Естественные составляющие определяются для частот отстройки Р > 1 МГц, когда фликкер-шумы практически равны нулю. Коэффициент

Аз рассчитывается для наименьшей выходной частоты ЦВС

\

10-^й(/г./о«га1п)/10 _ 2~2ЛМ),59 /огатт

*3=lg

//

(7)

при F=10 Гц

Коэффициент к4 определяется для максимальной выходной частоты синтезатора, для которой имеются экспериментальные зависимости СПМ ' ' <1

/оцгшах! _2~2ЛМ),59_ . /Т ) /о

1

.(8)

■'при

Для ЦВС Л09911 коэффициенты аппроксимации к^=-9, к2=-8,3, к3=-17,8, ^=-14,8 и после подстановки в (4) выражение для математической модели СПМ фазовых шумов этого синтезатора

S(F) =

ь

/т)

1° +Н_ + ю-14

+ 10~17'8 + 2-2w-0'59

fou

fr2)

(9)

Рассчитанные коэффициенты математических моделей СПМ фазовых шумов для некоторых интегральных ЦВС фирмы Analog Devices приведены в таблице.___________

Микросхемы интегральных ЦВС фирмы Analog Device N - кол. разрядов ЦАП к, к2 кз к)

AD9858 10 -9,8 -8,8 -15,6 -13,4

AD9913 10 -9,1 -8,7 -17,5 -14,3

AD9854 12 -9,3 -8,8 -16,2 -14,0

AD9910 14 -9,2 -8,4 -16,8 -14,5

AD9912 14 -9,2 -7,2 -17,2 -15,3

AD9956 14 -8,3 -8,9 -16,5 -13,5

С использованием предложенной модели СПМ фазовых шумов и рассчитанных коэффициентов модели проведено исследование шумовых характеристик интегральных цифровых вычислительных синтезаторов и сравнение их с экспериментальными характеристиками (рисунки 2,3). Проведен анализ шумов для произвольных выходной и тактовой частот синтезатора (рисунок 4), исследованы зависимости СПМ шумов от выходной частоты для различных частот отстройки (рисунок 5).

Проведенный аналогичный анализ для всех ЦВС Analog Devices, имеющих экспериментальные шумовые характеристики, показал, что разработанная математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов позволяет с погрешностью 1-3 дБ/Гц проводить анализ шумовых характеристик таких синтезаторов при произвольных параметрах.

Рисунок 2. Экспериментальные (с кру- Рисунок 3. Экспериментальные (с кружочками) и теоретические СПМ фазовых жочками) и теоретические СПМ фазовых шумов ЦВС АП9911 для выходных час- шумов ЦВС А09910 для выходных частот 100 МГц, 40 МГц, 15 МГц при такто- тот 397 МГц, 201 МГц, 98 МГц, 20 МГц вой частоте 500 МГц при тактовой частоте 1 ГГц

Третья глава посвящена исследованию фазовых шумов гибридных синтезаторов частот на основе ЦВС и систем ИФАПЧ с применением разработанных моделей СПМ фазовых шумов ЦВС.

Рисунок 4. Теоретические СПМ фа- Рисунок 5. СПМ фазовых шумов ЦВС зовых шумов AD9911 для выходных AD9910 в зависимости от выходной частоты частот 25, 50, 120, 200 МГц при так- при различных частотах отстройки (10, 100, товой частоте 250 МГц 1000,104,10б Гц) и тактовой частоте 1 ГТц

Рассмотрены наиболее часто применяемые в гибридных синтезаторах системы ИФАПЧ с делителями частоты и смесителем в цепи обратной связи. Составлены эквивалентные схемы и получены модели СПМ фазовых шумов: системы ИФАПЧ с делителями частоты

>гоч

О),

N

>ДФКД

-ЧФД

•I H3l(FfNi

+ SIVH(F)-\H32(Ff

системы ИФАПЧ со смесителем

аФАПЧ

(F) =

3гоч

И

N,'

+ S

ДФКД

ЛфД

И

"ЧФД

+ S

ДПКД

f (F),Sy

N

,(10)

(И)

І ay

+s

ДФКД

(F)

лГУН 32 (Ff

tf31(F) =

где символом S обозначены СПМ шумов соответствующих звеньев, H{F) „ „ 1

1 + H(F) ИФАПЧ

и H31(F) = -

- передаточные функции замкнутого

1+ #(/=■)

кольца ИФАПЧ по внешним и внутренним шумам,

//(79 = ^"ф^'/^^ГУН ^'фд _ передаточная функция разомкнутого кольца РК 2

ИФАПЧ, Кфнч(Ю ~ передаточная функция ФНЧ, Бгун - крутизна характеристики ГУН, Ефд- максимальное выходное напряжение ФД,р — оператор, Л'і и Ыг - коэффициенты деления входного делителя и делителя частоты в цепи обратной связи, Лз - коэффициент умножения умножителя частоты генератора опорной частоты.

Проведено моделирование и рассчитаны СПМ фазовых шумов для различных параметров системы для случаев ФНЧ первого и второго порядков, определен вклад собственных шумов составляющих звеньев систем ИФАПЧ в общий уровень шума выходного сигнала.

Рассмотрено применение полученных моделей СПМ фазовых шумов ИФАПЧ для расчета шумовых характеристик интегральных ЦВС, имеющих встроенный умножитель в виде петли ИФАПЧ с изменяемым коэффициентом умножения. Обобщенная функциональная схема такого гибридного синтезатора приведена на рисунке 6.

/гоч

ІОЧ

ИФД

ДПКДІ N2 Г

&11МІЧ •VII і

ФПЧ

Умножители наФЛПЧ

ЦВС

Цифроиоіі гшчиелнтслымпй сиптсэатор

Рисунок 6. Обобщенная структурная схема цифрового вычислительного синтезатора со встроенным умножителем тактовой частоты на ИФАПЧ

Для оценки шумовых свойств в диапазоне отстроек разработана математическая модель шумовых характеристик такого ЦВС

- КцвсЗфлпч (Р) + 5цве >

(12)

где ІЇфллчІР) - определяется ПО формуле (10) при ^1=1, БцвсіР) - определяется по формуле (4).

Проведены анализ шумовых характеристик ЦВС со встроенным умножителем тактовой частоты и сравнение с экспериментальными зависимостями (рисунки 7, 8). Показана возможность применения полученных моделей для анализа шумовых характеристик таких ЦВС при произвольных выходных частотах, коэффициентах умножения тактовой частоты, частоте отстройки от несущей (рисунки 9, 10). Достоинством полученных моделей является возможность оценить фазовые шумы интегральной микросхемы ЦВС при параметрах, для которых отсутствуют экспериментальные шумовые характеристики.

Я40_99| Ці,5)

ЫО ЫО

Рисунок 7. СПМ фазовых шумов выходного сигнала интегрального ЦВС АЮ911 со встроенным умножителем тактовой частоты на 5 для частот выходного сигнала 100 и 40 МГц (без символов - теоретические, с

Рисунок 8. СПМ фазовых шумов выходного сигнала интегрального ЦВС АЕ)9910 со встроенным умножителем тактовой частоты на 20 для частот выходного сигнала 201 и 20 МГц символами - экспериментальные)

10 100 МО3 1.104 ыо1 1-ю6 мот

Т 107 4 N2 127

Рисунок 9. Теоретические СПМ фазовых Рисунок 10. Теоретические СПМ фазовых шумов выходного сигнала ЦВС АБ9910 шумов выходного сигнала ЦВС ЛВ9910 от для выходной частоты 150 МГц и коэф- коэффициента умножения тактовой частоты фициентах умножения тактовой частоты при выходной частоте 100 МГц и частотах 12,25, 50,120 отстройки 10Д03Д05, 10е, 107 Гц

Рассмотрены примеры реализации гибридных синтезаторов на основе ЦВС и ФАПЧ на интегральной микросхеме АБ9858 (рисунок 11 и рисунок 12).

ЦВС

'ЦВС

50 М№

/цвс

750 МНг

Делитель на 2

Делители Д ФД ГУН

ма 2

/фАПЧ 1550 МНг

."ФАПЧ

Рисунок 11. Гибридный синтезатор А09858: использование ЦВС в качестве опорного генератора системы ФАПЧ

Разработана математическая модель шумовых характеристик такого гибридного синтезатора с использованием формулы (11) при N^0, 5учИ=5дпкдИ=0 и учетом математической модели (4):

3ФАПЧ1

ъцвс

N

Ґ ^дИ] „ 2 И

уЬфчд )

(13)

И-М^Т

В качестве модели СПМ фазовых шумов синтезатора на рисунке 12 использовано выражение (10) при Аг1=1, в котором вместо СПМ фазовых шумов ДПКД подставлено выражение для ¿цв^/О

^ФАпчг

5ГОч(Р) + Зцвс{Р)

їфчд(і'). М^)

-ФЧД

N4

(3.18)

X Квс _д\Нъх(Р\2 + 5 ГУН 1Я32 (/г)2

где №цвс д ={/т//цвс ' 2) - коэффициент деления ДПКД, состоящего из ЦВС и делителя частоты Д в цепи обратной связи.

/фАПЧ

775 MHz

Рисунок 12. Гибридный синтезатор AD9858: использование ЦВС как делителя частоты с переменным коэффициентом деления системы ФАПЧ Проведенное моделирование шумовых характеристик (рисунки 13, 14) указанных вариантов гибридных синтезаторов по разработанной модели шумовых характеристик ЦВС (4) показало хорошее совпадение теоретических и экспериментальных зависимостей (погрешность 1-2 дБ/Гц).

Рисунок 13. Рассчитанные Бфапчі и экс- Рисунок 14. Рассчитанные 8фапч2 и экспе-периментальные З-,^ шумовые характе- риментапьные 8ЭКС2 шумовые харакгеристи-ристики гибридного синтезатора ки гибридного синтезатора АГ)9858 с ис-А09858 с использованием ЦВС в каче- пользованием ЦВС в цепи обратной связи стве опорного генератора в цепи ФАПЧ ФАПЧ

В четвертой главе показано применение разработанных математических моделей для анализа шумовых свойств формирователей сигналов радиосистем с заданными параметрами. Приведены структурные схемы и расчет частотного плана исследуемых гибридных формирователей сигналов радиосистем на основе цифровых вычислительных синтезаторов.

Рассмотрены 2 варианта построения формирователей сигналов (рисунок 15): в первом умножитель частоты УЧ1 для повышения тактовой частоты ЦВС реализован в виде транзисторного умножителя частоты, во втором с помощью встроенной ИФАПЧ. Умножитель частоты УЧ2 выполнен на транзисторном умножителе.

Рисунок 15. Обобщенная схема формирователя сигналов радиосистемы На основании составленных эквивалентных схем формирователей сигналов получены математические модели шумовых характеристик первого

Зф_у (Г) = (Згот {17У "Ї + -V/, И ■ Кцвс + (15)

и второго варианта построения формирователя сигналов = {КЦВСЗифапч(Р) +

3ИФАПЧ

(F) =

■>гоч

(F)+

С (Т7\ : + S<t>m (^)l

ДПЩ v J +---2-

с-ИФД

(16)

Здесь Syiji 2(F) ' СПМ фазовых шумов умножителей частоты УЧ1 и

УЧ2. В качестве генератора опорной частоты применен кварцевый генератор ГК85-ТС.

Для различных соотношений щ и п2 рассчитаны СПМ фазовых шумов формирователей (рисунок 16) на интегральных микросхемах Analog Devices с различными тактовыми частотами. Для синтезаторов с большей тактовой частотой СПМ фазовых шумов выходного сигнала формирователя меньше, причем для любого типа ЦВС шумы меньше при щ )«2» когда основной вклад вносит генератор опорной частоты. При щ </?2 основной вклад в СПМ фазовых шумов вносит цифровой вычислительный синтезатор.

$точ;т)

SwlpC (F, 43.9) S$.Y(F.40,r>

STOtCn

StMOISC(F.i.M) ,|0(j 5«лДЗС_У{р , <, <C). І fO

...

а) 6)

Рисунок 16. СПМ фазовых шумов формирователей сигналов на ЦВС АІ39910 при а) №=/ц=6, «2=60 и б) Л'2=«і=40, п2=9

Формирователь сигналов с использованием интегральных ЦВС со встроенным умножителем тактовой частоты на основе ИФАПЧ имеет на 8

дБ больший уровень СПМ фазовых шумов при щ (п2 и на 12 дБ — при из-за недостаточно хороших шумовых характеристик встроенного им-пульсно-фазового детектора.

В заключении приведены основные научные и практические результаты работы.

1. Проведен анализ известных математических моделей шумовых характеристик функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Исследованы составляющие фазовых шумов выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов.

2. Разработана математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, в которой собственные шумы предлагается аппроксимировать суммой 4-х составляющих: естественного шума входных цепей цифро-аналогового преобразователя, естественного шума сопротивления нагрузки, фазового фликкер-шума и белого частотного шума. Предложена методика расчета коэффициентов математической модели по экспериментальным шумовым характеристикам синтезаторов.

3. С использованием разработанной модели спектральной плотности мощности фазового шума цифровых вычислительных синтезаторов проведен анализ шумовых характеристик интегральных цифровых синтезаторов. Сравнение рассчитанных и экспериментальных шумовых характеристик синтезаторов показало их хорошее совпадение (погрешность 1 ... 3 дБ/Гц).

4. Разработаны модели шумовых характеристик систем ИФАЛЧ с делителями частоты и со смесителем, наиболее часто используемые в гибридных синтезаторах с ЦВС, и проведен анализ их шумовых характеристик.

5. Разработаны математические модели и проведен анализ шумовых характеристик интегральных ЦВС фирмы Analog Devices, имеющих встроенный умножитель тактовой частоты на основе ИФАПЧ. Сравнение с экспериментальными шумовыми характеристиками ЦВС подтвердили верность разработанных моделей (погрешность 1 ... 3 дБ/Гц).

6. Разработаны модели и проведен анализ шумовых характеристик гибридных синтезаторов на основе ЦВС и систем ИФАПЧ, сравнение с экспериментальными характеристиками подтвердили их применимость для теоретических оценок.

7. Рассмотрены варианты построения формирователей сигналов радиосистем на основе цифровых вычислительных синтезаторов, приведен пример расчета их шумовых характеристик и сравнение результатов между собой.

8. Разработаны программы для анализа фазовых шумов выходных сигналов формирователей сигналов в среде МАТКАД, позволяющие рассчитывать и сравнивать шумовые характеристики разрабатываемых устройств при изменении их параметров.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что цель работы достигнута - разработана математическая модель спектральных плотностей фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов,

с ее помощью разработаны модели и исследованы шумовые характеристики формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.

В приложении приведены листинги разработанных программ, акты внедрения результатов диссертационной работы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ромашова, JI.B. Исследование спектральных характеристик системы ИФАПЧ в режиме умножения частоты / Л.В.Ромашова, А.Н.Фомичев // Вопросы радиоэлектроники, сер. ОТ. - 2010. - Выпуск 1. - С. 23-28.

2. Никитин, O.P. Разработка модели относительной спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов О.Р.Никитин, Л.В.Ромашова // Вопросы радиоэлектроники, сер. РЛС. -2011.-Выпуск 1.-С. 25-33.

3. Ромашова, Л.В. Исследование фазовых шумов интегральных вычислительных синтезаторов со встроенным умножителем тактовой частоты / Л.В. Ромашова // Вопросы радиоэлектроники, сер. РЛС. - 2011. - Выпуск 1. -С. 33-38.

4. Ромашова, Л.В. Моделирование спектральных характеристик цифровых вычислительных синтезаторов частот / ЛЛЗ.Ромашова, А.В.Ромашов // Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - №1. - С. 19 — 22.

В других изданиях:

5. Никитин, O.P. Анализ шумовых свойств DDS синтезаторов частот О.Р.Никитин, Л.В. Ромашова // Методы и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. сборник научных трудов / Выпуск 11. - М.: Радиотехника, 2009. - С.98 - 103.

6. Никитин, O.P. Спектральные характеристики гибридных синтезаторов частот / Никитин O.P., Ромашова Л.В., Ромашов A.B., Фомичев А.Н. // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2011. - №1. - С. 16 - 20.

7. Ромашова, Л.В. Исследование шумовых свойств однокольцевой ФАПЧ со смесителем в цепи обратной связи / Л.В.Ромашова, А.В.Ромашов, А.Н.Фомичев // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. -2011,-№2.-С. 20-24.

8. Ромашова, Л.В. Анализ собственных фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов частот / Л.В.Ромашова, А.В.Ромашов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2011. - №3. - С. 25 - 29.

9. Ромашова, Л.В. Анализ спектральных характеристик цифровых синтезаторов частот / Л.В.Ромашова // Тез. докл. Всероссийских научных Зворыкинских чтений I. Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономиче-

ской сфер регионов России». - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009.-Т.1.-С. 40.

Ю.Ромашова, JI.B. Модель относительной спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Радиолокационная техника: устройства, станции, системы PJIC-2010. Тезисы докладов Второй Всероссийской научно-практической кронференции. - Муром, 2010. - С. 22 - 23.

Н.Ромашова, JI.B. Аппроксимация аддитивной составляющей спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Радиолокационная техника: устройства, станции, системы РЛС-2010. Тезисы докладов Второй Всероссийской научно-практической кронференции. - Муром, 2010. - С. 21-22.

12.Ромашова, Л.В. Разработка модели относительной спектральной плотности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике [Электронный ресурс]: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти H.A. Арманда. Сб. тез. докладов И научно-практического семинара (Муром, 28 июня - 1 июля

2010 г.). - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010. - 108 е.: ил. - № гос. регистрации 0321001173.

13.Ромашов, A.B. Модели спектральных характеристик кварцевых генераторов / А.В.Ромашов, Л.В.Ромашова // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России [Электронный ресурс]: III Всероссийские научные Зворыкинские чтения. Сб. тез. докладов III Всероссийской межвузовской научной конференции. -Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2011. - С. 565.

14.Ромашов, A.B. Модели спектральных характеристик цифровых вычислительных синтезаторов / А.В.Ромашов, Л.В.Ромашова // Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России [Электронный ресурс]: III Всероссийские научные Зворыкинские чтения. Сб. тез. докладов III Всероссийской межвузовской научной конференции. - Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2011. - С. 585.

15.Romashova, L.V. Research of Noise Characteristics of Hybrid Frequency Synthesizers on the Basis of Direct Digital Synthesizers and PLL Systems / L.V.Romashova, A.V.Romashov, A.N.Fomichyov // Proceedings of the

2011 IEEE International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON, Krasnoyarsk: Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, September 15-16,2011. - IEEE Catalog Number. CFPH794-CDR. - Pp. 113-115.

16.Ромашова, Л.В. Анализ шумов квантования цифровых вычислительных синтезаторов / Л.В.Ромашова // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Материалы 9-й ■ международной научно-технической конференции / Владим. гос. университету редкол.:А.Г. Самойлов (и др.). - Владимир: ВлГУ, т. 2. - 2011. - С.' 125 - 127.

Подписано в печать 27.02.2012. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз.

Издательство Владимирского государственного университета Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых 600000, Владимир, Горького, 87.

61 12-5/2321

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

РОМАШОВА ЛЮБОВЬ ВЛАДИМИРОВНА

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор O.P. Никитин

Владимир 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................

1. ФАЗОВЫЕ ШУМЫ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И ИХ СОСТАВНЫХ ЗВЕНЬЕВ.................................................................................

1.1. Сравнительный обзор синтезаторов частот и их основных характеристик.......................................................................................... Ю

1.2. Основные понятия и определения спектрального

анализа шумовых характеристик радиоустройств..............................25

1.3. Анализ шумовых характеристик синтезаторов частот с использованием математических моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов функциональных звеньев ... 28

1.4. Анализ фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов............................................................................................ 35

1.5. Выводы. Постановка цели и задач исследования..........................46

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ...............................................................................................

2.1. Исследование шумов квантования цифровых вычислительных синтезаторов.................................................................47

2.2. Анализ собственных фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.................................................................51

2.3. Математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов...............58

2.4. Разработка методики определения коэффициентов аппроксимации спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.............................................66

2.5. Теоретический анализ шумов интегральных

вычислительных синтезаторов................................................................72

2.7. Выводы.....................................................................................................

3. АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ШУМОВ ГИБРИДНЫХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ...............................................................................................................

3.1. Основные схемы синтезаторов частот на основе ИФАПЧ..........81

3.2. Шумовые характеристики ИФАПЧ с делителями частоты.......84

3.3. Анализ фазовых шумов однокольцевой ИФАПЧ со смесителем 94

3.4. Математическая модель и анализ шумовых характеристик цифрового вычислительного синтезатора со встроенным умножителем тактовой частоты на ИФАПЧ........................................99

3.5. Исследование шумовых характеристик интегрального гибридного синтезатора частот...............................................................Ц2

3.6. Выводы.................................................................................................ИЗ

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ АНАЛИЗА ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ РАДИСИСТЕМ.............................119

4.1. Структурные схемы и частотное планирование исследуемых формирователей сигналов радиосистем на основе цифровых вычис-

лительных синтезаторов..........................................................................119

4.2. Исследование шумовых характеристик формирователя сигналов на основе цифрового вычислительного синтезатора

и умножителей частоты на транзисторах.............................................124

4.3. Анализ шумовых характеристик формирователя сигналов на основе интегрального синтезатора со встроенным умножителем тактовой частоты на ИФАПЧ.......................................131

4.4. Выводы....................................................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Программа расчета шумовых характеристик

интегральных цифровых вычислительных синтезаторов..............................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Программа моделирования СПМ фазовых шумов интегрального ЦБ С со встроенным умножителем тактовой

частоты на ИФАПЧ...........................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Программа моделирования СПМ фазовых шумов гибридных синтезаторов частот на интегральной микросхеме АБ9858..... 160

ВВЕДЕНИЕ

В большинстве радиосистем источником высокостабильных колебаний являются синтезаторы частот. В настоящее время наиболее широко применяются синтезаторы, в которых используются метод прямого аналогового синтеза, метод фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, а так же цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС, 008) на основе метода прямого цифрового синтеза. Особенно быстро развиваются системы гибридного синтеза, сочетающие достоинства нескольких видов синтезаторов частот.

Важными особенностями цифрового метода синтеза частот являются возможность быстрого изменения параметров синтезируемого сигнала, высокое разрешение по частоте и фазе, наличие цифрового интерфейса для управления. Получившие в последние годы бурное развитие цифровые вычислительные синтезаторы частот легко реализуются в интегральном исполнении, позволяют синтезировать частоты в широком диапазоне (до сотен мегагерц) с шагом перестройки в сотые доли герца.

Одним из основных параметров синтезаторов частот является относительная спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых шумов, измеряемая при различной частоте отстройки от несущего колебания. Достигаемые в настоящее время уровни СПМ фазовых шумов составляют менее минус 170 дБ/Гц и определяются как собственными шумами источников опорных частот, так и шумами звеньев, входящих в данное устройство. Как правило, для анализа шумовых характеристик синтезаторов частот используют экспериментальные исследования. Для анализа СПМ фазовых шумов разрабатываемых устройств используют методы теоретического анализа с применением усредненных СПМ фазовых шумов различных звеньев синтезаторов. Например, имеются достаточно точные аппроксимации СПМ фазовых шумов для кварцевых генераторов, генераторов, управляемых напряжением, делителей частоты, фазовых детекторов, усилителей и других. С использованием их

проводится теоретический анализ СПМ фазовых шумов синтезаторов, реализованных с помощью прямых аналоговых методов и систем ФАПЧ.

Методы расчета фазовых шумов систем ФАПЧ изложены в работах В.В.Шахгильдяна, В.Н.Кулешова, В.Манассевича, А.В.Рыжкова, В .Н.Малиновского, С.К.Романова, В.А.Левина, V.F.Kroupa, K.V.Puglia, J.Esterline, Ulrich L. Rohde, Bar-Giora Goldberg, E.Drucker и др..

Для ЦВС подобных аппроксимирующих выражений для СПМ фазовых шумов имеется весьма ограниченное количество, причем точность их невелика. Это связано с тем, что до недавнего времени уровень СПМ фазовых шумов ЦВС определялся в основном шумами квантования цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) с количеством разрядов до 10, так как уровень собственных шумов ЦВС был существенно меньше шумов квантования. Для оценки же шумов квантования известна достаточно простая и точная формула. Большое внимание уделялось и уделяется оценке уровня дискретных спектральных составляющих выходного сигнала ЦВС, имеющих существенное (-60...-80 дБ) значение. Развитию теории цифровых вычислительных синтезаторов посвящены работы V.F.Kroupa, Jouko Vankka, Bar-Giora Goldberg, Н.П.Ямпурина, H.T.Nicholas и других. Исследование шумовых характеристик ЦВС отражено в работах V.F.Kroupa, В.Н.Кулешова, Bar-Giora Goldberg.

На современном этапе количество разрядов ЦАП интегральных цифровых синтезаторов достигает 14, тактовые частоты возросли до 1 ГГц, поэтому уровень шумов квантования стал существенно меньше собственных шумов звеньев ЦВС. При проектировании формирователей сигналов радиосистем, реализованных на цифровых вычислительных синтезаторах, оценку уровня фазовых шумов выходных сигналов можно произвести на основе моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов функциональных звеньев системы. Однако вопросы построения модели СПМ фазовых шумов ЦВС и развитие методов анализа фазовых шумов формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов не нашли должного отражения

5

в литературе. Поэтому проблема разработки моделей спектральных плотностей мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для расчета шумовых характеристик формирователей сигналов является актуальной.

Целью работы является разработка математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов для исследования шумовых характеристик формирователей сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- исследовать составляющие фазовых шумов выходных сигналов цифровых вычислительных синтезаторов, проанализировать известные математические модели СПМ фазовых шумов функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры;

- разработать математическую модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов и методику расчета коэффициентов модели по экспериментальным шумовым характеристикам синтезаторов;

- исследовать с помощью разработанной математической модели шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и сравнить их с экспериментальными характеристиками интегральных синтезаторов;

- разработать математические модели шумовых характеристик и провести анализ фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов, имеющих встроенный умножитель тактовой частоты;

- разработать математические модели и провести анализ шумовых характеристик гибридных схем синтезаторов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ и сравнить их между собой;

- разработать рекомендации и предложения по применению предложенных моделей шумовых характеристик для построения формирователей сигналов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем

6

ИФАПЧ с пониженным уровнем фазовых шумов.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы спектрального анализа, автоматического управления, математического и имитационного моделирования, вычислительной математики, методы аппроксимации. Моделирование и расчет по разработанным методикам проводился с использованием программного пакета Майюас!.

Научная новизна работы

1. Предложена математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, учитывающая собственные шумы звеньев синтезатора и их зависимость от выходной и тактовой частот.

2. Разработана методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по экспериментальным шумовым характеристикам.

3. Исследованы шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ при различных параметрах анализируемых устройств.

4. Разработаны математические модели и проведено исследование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на основе цифровых вычислительных синтезаторов и фазовой автоподстройки частоты.

5. Показана возможность теоретического анализа шумовых характеристик разрабатываемых формирователей сигналов с использованием предложенной математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:

- предложенная математическая модель шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов позволяет на стадии проектирования провести оценку спектральной плотности мощности фазовых шумов разра-

7

батываемых устройств с погрешностью (1 ... 3) дБ/Гц;

- разработанная модель шумовых характеристик цифровых вычислительных синтезаторов позволяет выбрать синтезатор и определить его параметры для получения требуемого уровня фазовых шумов выходного сигнала;

- созданы программы расчета спектральной плотности мощности фазовых шумов различных вариантов построения синтезаторов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и ИФАПЧ, позволяющие рассчитывать и сравнивать шумовые характеристики разрабатываемых устройств при изменении их параметров.

На защиту выносятся;

1. Математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.

2. Методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по их экспериментальным шумовым характеристикам.

3. Результаты анализа фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов.

4. Математические модели и результаты анализа шумовых характеристик гибридных синтезаторов на основе цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 9-ой Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2011, Красноярск; 9-ой международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», 2011, Владимир; I - III Всероссийских научных «Зво-рыкинских чтениях, 2009, 2010, 2011, Муром; Всероссийской научно-практической конференции «Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике» в рамках Всероссийских радиофизических научных чтениях-конференцииях памяти Н.А. Арманда,

8

2010, Муром; Второй Всероссийской научно-практической кронференции «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы. РЛС-2010», 2010, Муром.

По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ. Из них 4 статьи в журналах из списка ВАК, 4 статьи в журналах из списка РИНЦ.

Внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены в исследования по ОКР на ОАО «Муромский завод радиоизмерительных приборов», в учебном процессе кафедры РТ и РС Владимирского государственного университета. Кроме того, использовались при выполнении хоздоговорной НИР «Исследование технических характеристик РЛС 35Н6 и 39Н6, разработка предложений по построению на их базе новых радиолокационных станций и систем», 2010 г. и при выполнении исследований по гранту РФФИ № 11-07-00650-а.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 85 наименований, 3 приложений. Общий объем диссертационной работы вместе с приложениями составляет 165 страниц. Работа содержит 92 рисунка и 10 таблиц.

1. ФАЗОВЫЕ ШУМЫ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ И ИХ СОСТАВНЫХ ЗВЕНЬЕВ

1.1. Сравнительный обзор синтезаторов частот и их основных характеристик

Синтез частот - это процесс формирования одной или множества частот из одной или нескольких опорных частот путем их преобразования (операции сложения, вычитания или (и) умножения и деление их на целые числа). Комплекс устройств, осуществляющих синтез частот, называется системой синтеза частот. Если система синтеза выполнена в одном самостоятельном устройстве, то её называют синтезатором частоты (СЧ). Таким образом, синтезатор частот - это устройство, формирующее колебания с определенными значениями частот. Основные понятия синтеза частот, обзор методов построения синтезаторов приведены в [1 - 10] и др.

Простейшей системой синтеза частот является автогенератор с кварцевой стабилизацией частоты, у которого вручную переключаются кварцевые резонаторы. Параметры выходной частоты определялись в основном параметрами колебаний кварцевого резонатора, точностью его изготовления. Позднее была разработана система некогерентного синтеза частот, в которой используется комбинация нескольких автогенераторов с кварцевой стабилизацией частоты, что позволило получать значительное число выходных частот.

Для удовлетворения потребностей развивающейся техники связи было разработано целое семейство новых методов, объединенных под общим названием когерентного синтеза частот. Эти методы позволяют получать большое количество частот из одной опорной частоты, обладающей требуемой стабильностью и точностью установки. При использовании этих методов неизбежно возникают побочные составляющие в выходном спектре сигнала, которые приходится устранять и подавлять фильтрацией.

Синтезаторы частот применяются в качестве:

-гетеродинов в радиоприемных устройствах;

-источников колебаний несущей частоты в радиопередающих устройствах;

-генераторов опорных колебаний в измерительной технике при формировании сигналов с различным уровнем модуляции;

-устройств переноса свойства стабильности частоты из одного диапазона частоты в другой.

К основным парам