автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Структурно-параметрический синтез широкополосных СВЧ синтезаторов частот с ИФАПЧ

На правах рукописи

ВИШНЯКОВ Денис Юрьевич

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СВЧ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ С ИФАПЧ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

6 ФЕВ 2014

Москва-2014

005544837

005544837

Работа выполнена на кафедре радиотехнических систем ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор КАЗАКОВ Леонид Николаевич

Официальные оппоненты:

ШАХТ АРИН Борис Ильич

д.т.н., профессор, профессор кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана

СИЗЫХ Вадим Витальевич д.т.н., доцент, профессор Московского государственного университета приббростроения и информатики

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж)

Защита состоится 06 марта 2014 г. в 14.00 на заседании

диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А - 402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ». Автореферат разослан « 13 » января 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В условиях постоянного роста требований к синтезаторам частот особенно актуальной становится задача минимизации уровня фазовых флуктуаций выходных сигналов. Подтверждением могут служить многочисленные примеры из радиосвязи, где фазовые шумы оказывают значительное влияние на энергетическую эффективность систем передачи, радиолокации - на вероятность обнаружения, точность слежения, радионавигации - на точность позиционирования. Расчеты показывают, при когерентном приёме сигналов высокой кратности для эквивалентных потерь отношения сигнал/шум не более 0.5 дБ среднеквадратическое отклонение (СКО) фазовой ошибки между входным и опорным сигналами, обусловленной нестабильностью фазы входного сигнала (суммарным фазовым шумом сигналов синтезаторов частот передающего и приемного устройств), не должно превышать 2-3% углового расстояния между точками сигнального созвездия. Увеличение СКО фазовой ошибки, связанной с нестабильностью фазы сигналов синтезаторов частот, до 5-6% от углового расстояния вызывает эквивалентное уменьшение сигнал/шум до 2 дБ.

Наиболее остро проблема фазового шума наблюдается в широкополосных СВЧ синтезаторах, получивших последнее время большое распространение в различных радиотехнических системах. Схемное построение таких СЧ предполагает большое число источников шума и чувствительных к возмущениям функционально необходимых элементов. К числу их относятся высокочувствительные к помехам перестраиваемые в широкой полосе частот генераторы, обладающие высокой крутизной преобразования. Реализация в таких синтезаторах низкого уровня фазовых флуктуаций сомнительна без применения специальных методов структурного построения, в том числе оптимальных.

Значительный вклад в исследование СЧ косвенного типа с учётом шумов элементов кольца ИФАПЧ внесли: Л.А. Белов, JI.H. Казаков, В.Н. Кочемасов, В.Н. Кулешов, В.А. Левин, В.Н. Малиновский, В. Манассевич, A.B. Пестряков,

C.K. Романов, A.B. Рыжков, H.M. Тихомиров, H.H. Удалов, В.В. Шахгильдян Б.И. Шахтарин, V.F Kroupa, М. Perrott и другие.

Учет большого числа источников случайных возмущений при проектировании синтезаторов с ИФАПЧ приводит к существенному усложнению задачи структурного синтеза. Существующие подходы не позволяют ответить на вопрос выбора структуры и параметров синтезаторов частот, которые, бы обеспечили предельный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала с учётом многих воздействий. Наличие в СЧ нескольких нелокализованных источников шума не позволяет применить известные процедуры синтеза, в частности, на основе оптимальной линейной фильтрации. Требуется разработка новых подходов структурно-параметрического синтеза СЧ-ИФАПЧ. Кроме того, интерес представляют подходы синтеза, учитывающие такие параметры обработки информации в радиотехнических системах, как анализируемая полоса частот. Например, нижняя граница полосы анализируемых частот во многом определяется временной структурой информационного сигнала. Эта граница для систем с когерентным накоплением или с обработкой пакетной информации может оказаться достаточно низкой. Для систем с символьной обработкой, наоборот, достаточно высокой. Влияние фазового шума несущего колебания в этом случае будет различным.

Реализация СВЧ синтезаторов со структурой, обеспечивающей минимальный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала, приводит к существенному возрастанию времени переходного процесса. Поэтому крайне важной проблемой при проектировании СЧ является нахождение разумного компромисса по преодолению противоречий между полосой синтезируемых частот, скоростью перестройки и чистотой спектра формируемых сигналов. В связи с этим интерес представляет применение оптимального управления переходными процессами в медленных кольцах синтезатора. Существующая комплектующая база позволяет реализовать подобные алгоритмы без дополнительных элементов в канале управления, соответственно, без дополнительных возмущений. Данное обстоятельство крайне важно для прецизионных синтезаторов. В свою очередь, требования по широкополосности СЧ могут в значительной степени усложнить вопрос применения оптимального управления и внести коррективы в известные подходы.

4

В связи с вышеизложенным, тема диссертации, посвященная разработке алгоритма структурно-параметрического синтеза СЧ-ИФАПЧ с оптимальным управлением, является актуальной.

Нель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является достижение предельных спектральных и динамических характеристик широкополосных синтезаторов частот СВЧ диапазона за счёт применения оптимальных методов фильтрации и управления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка алгоритма структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот с низким уровнем фазовых флуктуаций в заданной полосе частот с учётом нелокализованных возмущений со спектральной плотностью мощности различного порядка.

2. Исследование реализуемости оптимальных структур при проектировании синтезаторов частот.

3. Разработка и исследование алгоритма компенсации частотной расстройки на основе оптимального управления перестраиваемым генератором с нелинейной модуляционной характеристикой с учётом структуры петлевого фильтра и ограниченности координат кольца.

4. Анализ переходных характеристик ИФАПЧ синтезатора частот с оптимальным управлением с учетом характеристик синтезированного петлевого фильтра.

5. Оценка эффективности предложенных алгоритмов структурно-параметрического синтеза и алгоритма компенсации начальной частотной расстройки на основе оптимального управления.

6. Разработка и экспериментальное исследование СЧ-ИФАПЧ с коммутируемой структурой, подтверждение результатов теоретических исследований и определение рекомендаций по практической реализации результатов диссертации.

Методы исследования

Решение указанных выше задач осуществлялось с использованием методов теории непрерывных, дискретных линейных и нелинейных систем автоматического управления; методов оптимальной фильтрации и управления; методов численного решения уравнений на ЭВМ; методов статистической радиотехники.

Научная новизна

1. Разработан алгоритм структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот на основе теории оптимальной фильтрации Винера. Отличием предложенного алгоритма является учёт нелокализованных возмущений с полиномиальной спектральной плотностью мощности в заданной полосе частот.

2. На основе предложенного алгоритма синтеза получены структуры синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуации в заданной полосе частот. Определены астатические свойства колец ИФАПЧ и тип частотно-фазовых детекторов, используемых при построении синтезаторов частот в зависимости от полосы анализируемых частот.

3. Разработан алгоритм компенсации частотной расстройки в кольце ИФАПЧ на основе оптимального управления перестраиваемым генератором с нелинейной модуляционной характеристикой для интегро-дифференцирующего петлевого фильтра.

4. Разработан алгоритм коммутации структуры и параметров синтезаторов частот, обеспечивающий предельный уровень фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальное управление переходным режимом в условиях ограниченных координат.

Практическая ценность работы

1.В диссертации разработан способ построения синтезаторов частот, обладающих низким уровнем фазовых флуктуаций синтезируемого сигнала. Полученные с его помощью структуры могут составить основу прецизионных синтезаторов частот, используемых при построении перспективных радиопередающих и радиоприемных устройств, систем радиомониторинга, радиоизмерительных систем.

2. Разработанные математические модели и способы оптимизации спектральных и динамических параметров синтезаторов частот легли в основу создания программ, которые можно использовать в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах для анализа и синтеза систем частотного синтеза различного назначения. Представленные модели позволяют снизить затраты на разработку систем связи на этапе проектирования.

3. Полученные в диссертации технические решения позволили сформулировать предложения по реализации оптимального управления переходным режимом в однокольцевых и двухкольцевых синтезаторах частот, имеющих интегро-дифференцирующий петлевой фильтр при условии ограниченных координат.

4. Разработан аппаратно-программный комплекс, в состав которого входят однокольцевой и двухкольцевой синтезаторы частот с оптимальным управлением и коммутацией структуры и параметров на основе цифровых модулей компании Hittite. Указанный комплекс является экспериментальной базой при построении синтезаторов частот с высоким быстродействием.

5. Полученные результаты позволяют сформулировать предложения по повышению эффективности существующих и перспективных систем частотного синтеза.

Апробация результатов работы

Результаты работы обсуждались на 12-14-й международных научно-технических конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение»; всероссийской научно-практической конференции-выставке "Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения", г. Ярославль, 2009-2013 гг.; 9-й международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир-Суздаль; 19-й международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж; международном научно-техническом семинаре «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в инфокоммуникациях 2009-2013 гг.

Публикации по теме работы

Основные результаты диссертации опубликованы автором в 5 статьях (2 из них - в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 1 патенте, 12 докладах на международных и всероссийских конференциях и семинарах.

Внедрение результатов диссертации

Результаты диссертационной работы вошли в 4 отчета по НИР, выполняемых кафедрой РТС ЯрГУ им. П.Г. Демидова, учебный процесс кафедры РТС ЯрГУ им. П.Г. Демидова, учебный процесс кафедры «Автономных информационных и управляющих систем» МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИОКР ОАО «Луч» (г. Рыбинск), ОАО «НПО «ТРАНСКОМСОФТ» (г. Москва).

Объём и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 101 наименования и одного приложения, содержит 148 страниц, включая приложение (5 стр.), 79 иллюстраций, 1 таблицу.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритм структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот с ИФАПЧ на основе оптимальной фильтрации Винера для нелокализованных возмущений со спектральной плотностью мощности полиномиального типа в заданной полосе частот.

2. Алгоритм компенсации частотной расстройки на основе оптимального управления перестраиваемым генератором с нелинейной модуляционной характеристикой для интегро-дифференцирующего петлевого фильтра.

3. Способ коммутации структуры и параметров синтезаторов частот с целью оптимальной компенсации частотной расстройки для интегро-дифференцирующего петлевого фильтра при условии ограниченности координат кольца ИФАПЧ.

4. Экспериментальные образцы однокольцевого и двухкольцевого широкополосных синтезаторов частот СВЧ диапазона, выполненные на основе полученных алгоритмов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены положения, выносимые на защиту, и краткое содержание работы. Далее сформулированы сведения о публикациях, апробации и реализации основных научных результатов.

В первой главе рассмотрено современное состояние развития техники синтеза частот с ИФАПЧ. Показана необходимость применения оптимальных методов фильтрации и управления для достижения предельных характеристик синтезатора частот и его выходных сигналов. В свою очередь, учет большого числа источников случайных возмущений приводит к существенному усложнению задачи структурного синтеза. Наличие нескольких групп нелокализованных источников (минимум 2-х) не позволяет применить стандартную процедуру синтеза структуры на основе оптимальной линейной фильтрации. Необходим новый подход структурного синтеза. Отмечено, что разрешение известного противоречия между спектральными и динамическими характеристиками, которое при проектировании широкополосных синтезаторов частот усиливается, возможно с помощью применения оптимального управления с учётом нелинейных свойств элементов кольца ИФАПЧ.

Во второй главе представлен алгоритм двухэтапного структурно-параметрического синтеза однокольцевых и многокольцевых синтезаторов частот с преобразованием частоты внутри кольца с учётом нелокализованных возмущений. На первом этапе синтеза на основе оптимальной фильтрации Винера осуществляется синтез петлевых фильтров отдельно для каждой группы возмущений с учетом заданной полосы анализа, на втором - поиск оптимальных параметров структуры, сочетающей свойства полученных фильтров.

Решение первого этапа синтеза структуры однокольцевого СЧ представлено в таблице 1. Синтез осуществляется для двух групп возмущений: возмущения присутствующие в опорном канале (фазовый шум сигнала опорного генератора, эквивалентный шум цифрового модуля) и возмущения в канале управления (фазовый шум сигнала перестраиваемого генератора, пересчитанный шум активного фильтра).

9

Таблица 1

Воздействие Модель наблюдения Передаточная функция оптимального петлевого фильтра

Полезный сигнал Помеха

1. Опорный канал 4 и°* Йг /-1 Г і ич>* /-0 Г 1 и ' ]<о.т.Г

2. Опорный канал г и01 Ы Г 1 ич* /=0 Г к? (/*) = !

3. Канал управления 1 ипг 1=0 Г 4 ипг 2 иаф' /=2 г /=0 г Г

4. Канал управления 1 1,пг 1=0 Р к?и*)=1

4 к°г Примечание: - СПМ фазовых флуктуаций сигнала опорного генератора, /=0 Р' 4 ^пг " ■' 5'к, (-р) = У^ —- СПМ фазовых флуктуаций сигнала перестраиваемого генератора, 1=0 Р" 4 К?* Зцм\Р)= — СПМ шума цифрового модуля (включает частотно-фазовый детектор и 1=0 Р' 4 ^аф делители частоты), Баф (.Р) = ^ —^у - СПМ шума активного фильтра (операционного /=о Р" усилителя).

Согласно результатам синтеза объединенной структуры при проектировании СЧ для радиотехнических систем с низкой границей частоты анализа целесообразно использовать кольца ИФАПЧ, имеющие 2-ой порядок астатизма, для радиотехнических систем с высокой границей частоты анализа целесообразно использовать кольца ИФАПЧ, имеющие 1-ый порядок астатизма. При реализации в однокольцевом СЧ оптимального петлевого фильтра по опорному каналу и каналу управления возникает эффект умножения. С целью сокращения эффекта умножения фазовых флуктуаций по опорному каналу проведён анализ фильтрующих свойств колец ИФАПЧ высокого порядка с сохранением их астатических свойств, полосы единичного усиления и коэффициента колебательности. Результаты исследования показали, что при больших коэффициентах деления использование колец ИФАПЧ

10

высокого порядка практически нецелесообразно. Т.к. при преобладании фазового шума от опорного канала значение ПОФ синтезируемого сигнала для кольца 3-го порядка меньше значения ПОФ синтезируемого сигнала для кольца 2-го в 1,5-2,0 раза. Значение ПОФ практически совпадает для колец 3-го, 4-го и более высокого порядка. В главе приведены также оценки ПОФ и ПОЧ сигналов синтезаторов частот с ДЦПКД и дельта-сигма модулятором. Применение ДЦПКД позволяет до 2-х раз сократить фазовую и частотную нестабильности, при этом минимальный уровень достигается при полосе единичного усиления практически совпадающей с полосой единичного усиления кольца, используемого при построении синтезатора частот с ДПКД. Наличие паразитных спектральных составляющих в спектре сигнала и необходимость сокращения полосы единичного усиления ограничивает применение подобных систем в прецизионных синтезаторах.

Структурно-параметрический синтез многокольцевых синтезаторов частот с преобразованием частоты внутри кольца может быть реализован двумя способами. Первый основывается на последовательном синтезе структур отдельных колец с учётом возмущений, входящих в состав колец и возмущений от других колец. Второй заключается в реализации тех оптимальных фильтров, которые были получены для однокольцевого синтезатора частот в многокольцевом. Учёт фильтрующих свойств отдельных колец позволяет утверждать, что основной вклад в формирование СПМ как по опорному каналу, так и по каналу управления вносит выходное кольцо, формирующее шаг частотной сетки. Можно отметить, что оба способа структурно-параметрического синтеза приводят к одному результату. Для реализации многокольцевого СЧ с минимальным уровнем фазового шума используются кольца 3-го порядка с астатизмом 1 и 2-го порядков.

В качестве примера применения предложенной процедуры синтеза на рис. 1 приведены значения теоретических СПМ фазовых флуктуаций сигналов на частоте несущего колебания 10 ГГц однокольцевого и двухкольцевого СЧ. При расчетах использовались данные на цифровые модули, операционные усилители и ПГ компаний Analog Devices, Hittite. Диапазон синтезируемых частот однокольцевого СЧ 6-12 ГТц, двухкольцевого 8-14 ГГц, шаг сетки

синтезаторов 1 МГц. Штриховыми линиями показаны пересчитанные значения СПМ фазовых возмущений канала управления и опорного канала.

І ІІІПІІІ | ІНШІ! \мі""' ' МІННІ І ІИІІІІІ • |-м[|

................ |\|ІПГ:НМС5В4ШВі І мім!.

і і ниш і і ііііш і і>іпі;і і і мшн і миші і піці:

_ -І 414 Ш !і_ -І -і и Ш ц. -і -4 І.П4і а- - и X І4Ж ~ и и Ш Ш _ и и Ц ііі

І І ІІМ'І І І {ИМ І І ІНШІ І » ? І '¡('І ! . "Пі1

І } ) ІІІіІЧ І ( ПІНІ! І І І І ІІІ!» і І 1 !М|І

1 І ІII!!)! V і НІНІ! І 1 Ї !]">•■ : і мщ: _Ы і. Ііі Ііі __\і - 1-й и.ііі;„ и ц.і;

І І ПШ! '.\)И!:і! і 1 І!;;;;: , і ,

1 І ІНШІ І І МІНИ і І і І Іііі) і і і ї і -і'

ог+ЦШ'і

І ІІІПІІ І І ІІІІІЇЇ^ТПТіЯІ-

- -і -Ш ШЦ__1-і Д.» Ції _ихшш. ашіі «

І І ПІЦИ І і ПШіІ І і ПІШІ І ІІІПІІ! і І ІІІІШ 1 і НІШІ і ІІІІШІ І І ІНШІ ІІІІІІІ']

..лл ииш__ииіиіі__и идіи. _и.

\ ЦМ1: НМС70ИР5Е ¡'¡' і ЦМ2: АТ>¥4Ш іііі

ю

10'

Частота (Гц)

Частота (Гц)

а) б)

Рис .1. Теоретические значения СПМ фазовых флуктуаций сигнала однокольцевого (а) и двухкольцевого (б) синтезаторов частот

В третьей главе предложен способ компенсации частотной расстройки во время переходного процесса за счёт оптимального управления частотой перестраиваемого генератора (ПГ). Реализация оптимального управления осуществляется за счёт дополнительных режимов и возможностей импульсного частотно-фазового детектора, без привлечения дополнительных элементов. Отсутствие дополнительных элементов (возмущений) при реализации оптимального управления является необходимым условием реализации прецизионных синтезаторов частот. Получена система уравнений (1) для определения моментов времени переключения и выключения экстремального воздействия, например, тока / детектора с тремя состояниями в случае нелинейной модуляционной характеристики ПГ в кольце ИФАПЧ с петлевым фильтром, имеющим передаточную функцию

'=1

где С, 7], Тф1 - постоянные петлевого фильтра.

У-1

„ ! Г Ч^Л

1-е7*1 +2-Х(-1 )"•

и=1

1-е ^

л-1

к

У=1

-('„-О4

1-е

= 0,

= 0,

где /{чф) - нелинейная модуляционная характеристика ПГ; п - порядок ФНЧ; од - частота дискретизации в кольце ИФАПЧ; Мн, Ык - значения коэффициентов деления для начальной и конечной частоты соответственно, , t„ - моменты времени переключений и выключения экстремального воздействия.

При реализации оптимального управления с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром возникает особенность, вызванная значительными выбросами управляющего напряжения (рис. 2а). Выбросы обусловлены дифференцирующими свойствами петлевого фильтра и релейным характером экстремального воздействия. Для решения проблемы в главе предложен вариант оптимального управления с коммутацией параметров дифференцирующего звена. За счет режима коммутации удалось существенно уменьшить максимальное значение управляющего напряжения и соответственно внеполосное радиоизлучение на выходе синтезатора (рис. 26).

Предложенный алгоритм компенсации частотной расстройки на основе коммутируемого интегро-дифференцирующего петлевого фильтра обладает слабой чувствительностью к неточности моментов времени переключения и выключения экстремального воздействия. На рис. За приведены области относительных отклонений моментов времени переключения и выключения для кольца 3-го порядка для различных значений конечной нормированной на начальную расстройку ошибки д по частоте. На рис. За принято - момент

времени переключения, ¿2 - момент времени выключения экстремального воздействия, а)ср - полоса единичного усиления кольца ИФАПЧ.

а) б)

Рис. 2. Переходные процессы в однокольцевом СЧ с оптимальным управлением ПГ без коммутации параметров дифференцирующего звена (а) и с коммутацией параметров дифференцирующего звена (б)

а) б)

Рис. 3. а) области относительных отклонений моментов времени переключения и выключения экстремального воздействия для некоторых значений ошибки компенсации частотной расстройки; б) оценки эффективности алгоритма компенсации частотной расстройки за счёт оптимального управления ПГ

В качестве примера на рис. 36 представлены зависимости отношения времени переходного процесса однокольцевого СЧ без управления к времени переходного процесса с управлением от коэффициента колебательности (м) для различных значений полосы единичного усиления при начальной расстройке 6 ГГц.

В четвертой главе представлены результаты разработки однокольцевого и двухкольцевого широкополосных СВЧ СЧ-ИФАПЧ на основе предложенных алгоритмов структурно-параметрического синтеза и оптимальной компенсации частотной расстройки. Синтезаторы были реализованы в рамках НИОКР, выполняемых на кафедре радиотехнических систем Ярославского государственного университета им П.Г. Демидова. Экспериментальные исследования образцов показали хорошее совпадение полученных характеристик с теоретическими. Расхождение результатов в анализируемом диапазоне частотных отстроек не превышает 3-5 дБн/Гц. В качестве примера на рис 4 приведены значения СПМ фазовых флуктуаций сигнала на частотах 9 ГГц и 14 ГГц двухкольцевого широкополосного синтезатора частот (диапазон синтезируемых частот 8-14 ГГц, шаг сетки 1 МГц), полученные с помощью анализатора сигналов Е5052В фирмы Agilent Technologies.

а) б)

Рис. 4. Экспериментальные значения СПМ фазовых флуктуаций сигнала с частотой 9 ГГц (а) и 14 ГГц (б) для двухкольцевого СЧ

При проектировании двухкольцевого синтезатора частот использовались кольца ИФАПЧ с астатизмом 2-го порядка, ЦМ компании Hittite HMC699LPE и HMC701LP6CE, перекрытие частотного диапазона осуществлялось за счёт коммутации двух ПГ: HMC588LC4B и HMC584LP5 компании Hittite.

По результатам разработки алгоритма структурно-параметрического синтеза ИФАПЧ синтезаторов получен Патент России № 128046.2013. Бюл. № 13.

В Заключении приведены основные научные результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующим положениям:

1. Предложен алгоритм двухэтапного структурно-параметрического синтеза однокольцевых и многокольцевых синтезаторов частот, обладающих низкой нестабильностью фазы и частоты формируемого сигнала с учётом нелокализованных возмущений со спектральной плотностью мощности различного порядка.

2. При реализации предложенного алгоритма синтеза в системах частотного синтеза с ИФАПЧ были получены следующие результаты:

1) для радиотехнических систем с низкой границей частоты анализа целесообразно использовать СЧ-ИФАПЧ на основе колец 3-го порядка с астатизмом 2-го порядка, при реализации СЧ-ИФАПЧ в радиотехнических системах с высокой границей частоты анализа целесообразно использовать кольца с астатизмом 1-го порядка. Использование колец ИФАПЧ более высокого порядка практически нецелесообразно, т.к. в случае преобладания шума опорного канала значение ПОФ сигнала СЧ с кольцом 3-го порядка практически совпадает со значением ПОФ кольца 4-го и более высокого порядков;

2) применение многокольцевых СЧ с ИФАПЧ позволяет сократить уровень фазового шума сигнала до 10... 15 дБн/Гц в области частотных отстроек с преобладанием белых компонент эквивалентного фазового шума цифровых модулей. В области частотных отстроек с преобладанием фликкерных компонент эквивалентного фазового шума цифровых модулей

уровень фазового шума сигнала многокольцевого СЧ совпадает с уровнем фазового шума сигнала однокольцевого СЧ. По этой причине в области малых частотных отстроек однокольцевой СЧ не уступает многокольцевым;

3. Представлены результаты реализации оптимального управления в широкополосных синтезаторах частот с ИФАПЧ с интегро-дифференцирующим звеном в составе петлевого фильтра:

1) с целью определения времени переключения и выключения экстремального воздействия получена система уравнений при условии нелинейности статической модуляционной характеристики перестраиваемого генератора. Аналитическое решение полученной системы уравнений возможно для синтезатора частот с кольцом ИФАПЧ 3-го порядка;

2) с учётом малой чувствительности ошибки компенсации начальной частотной расстройки от неточности времени переключения и выключения экстремального воздействия при реализации оптимального управления в СЧ с кольцами, порядок которых выше третьего, предлагается использовать экстремальное воздействие, рассчитанное для кольца ИФАПЧ 3-го порядка, и петлевой фильтр с коммутируемыми параметрами;

3) при компенсации частотной расстройки за счёт оптимального управления перестраиваемым генератором предлагается коммутировать постоянную форсирующего звена интегро-диффернцирующего петлевого фильтра. Данное решение позволяет до 1.5...2 раз снизить значение необходимого управляющего напряжения;

4) эффективность алгоритма оптимального управления в СЧ уменьшается с ростом частотной расстройки. При малых частотных расстройках выигрыш от применения оптимального управления достигает 10 и более раз. При больших частотных расстройках выигрыш составляет не более 5-10 раз.

4. В результате применения предложенных алгоритмов структурно-параметрического синтеза и оптимального управления при разработке однокольцевых и двухкольцевых широкополосных синтезаторов частот СВЧ диапазона экспериментально подтверждены основные теоретические результаты. За счет применения разработанных алгоритмов удалось уменьшить уровень фазовых флуктуаций от 5 до 10 дБн/Гц, сократить время переходного процесса до 5 раз.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Казаков Л.Н., Вишняков Д.Ю. Проектирование прецизионных синтезаторов частот на основе ИФАПЧ // Электросвязь. 2013. № 5. С. 34-39.

2. Казаков Л.Н., Вишняков Д.Ю. Структурно-параметрический синтез синтезаторов частот косвенного типа // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал. 2012. № 6. Режим доступа http://technomag.edu.ru/doc/423339.html (дата обращения 13.07.2012).

Патент на полезную модель:

3. Вишняков Д.Ю., Ходунин A.B., Казаков Л.Н. Синтезатор частот с коммутацией структуры и параметров // Патент России № 128046.2013.Бюл.№ 13.

Публикации в прочих изданиях:

4. Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н. Структурно-параметрический синтез прецизионных широкополосных синтезаторов частот сантиметрового диапазона // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: сборник докладов научно-технического семинара. - Ярославль, 2013. - С.125-127.

5. Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н. Разработка широкополосных синтезаторов частот сантиметрового диапазона // Радиолокация, навигация, связь: сборник материалов 19-ой международной научно-технической конференции. - Воронеж, 2013.-т. 2-С. 1185-1195.

6. Вишняков Д.Ю. Проектирование синтезаторов частот сантиметрового диапазона с применением оптимального управления // Вестник ЯрГУ им. П.Г. Демидова, Серия Естественные и технические науки,- 2012. - № 4. - С. 46-52.

7. Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н., Силивакин A.B., Кротков Д.В. Прецизионные широкополосные синтезаторы сантиметрового диапазона на основе коммутируемых структур // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: сборник докладов XIII Всероссийской научно-практической конференции. - Ярославль, 2012. - С. 101-106.

8. Вишняков Д.Ю. Структурный синтез высокостабильных синтезаторов частот косвенного типа // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: сборник докладов научно-технического семинара. - Йошкар-Ола, 2012.-С. 43-45.

9. Вишняков Д. Ю„ Чернов С. А. Проектирование многокольцевых синтезаторов частот с коммутируемой структурой // Цифровая обработка сигналов и ее применение: сборник докладов 14-й международной конференции. - Москва, 2012. -Т. 1,-С. 38-40.

Ю.Вишняков Д.Ю., Капямин А.Н. Формирование спектральной плотности мощности фазовых флукгуаций сигнала синтезаторов частот косвенного типа // Вестник ЯрГУ им. П. Г. Демидова, Сер. Естественные и технические науки. - 2011. -№ 2. - С. 73-80.

П.Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н., Силивакин A.B., Кротков Д.В., Соловьев Д.М., Калямин А.Н. Разработка комбинированных прецизионных синтезаторов частот и сигналов // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: сборник докладов XII Всероссийской научно-практической конференции. - Ярославль, 2011. - С. 68-78.

12.Вишняков Д.Ю., Калямин А.Н. Структурный синтез СЧ-ИФАПЧ на основе оптимального фильтра Винера // Цифровая обработка сигналов и ее применение: сборник докладов 13-й международной конференции. - М., 2011. - Т. 1. - С. 19-22.

13.Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н., Калямин А.Н., Силивакин A.B., Кротков Д.В. Прецизионные синтезаторы частот для высокоскоростных систем передачи информации // Перспективные технологии в средствах передачи информации: сборник докладов 9-й Международной научно-технической конференции. - Владимир-Суздаль, 2011.-Т. 2. - С. 120-122.

14. Вишняков Д.Ю. Структурный синтез многокольцевых прецизионных синтезаторов частот косвенного типа // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: сборник докладов научно-технического семинара. - Одесса, 2011. - С. 49-51.

15. Вишняков Д.Ю., Калямин А.Н. Статистический анализ фазовой нестабильности СЧ-ИФАПЧ с ДЦПКД // Вестник ЯрГУ им. П. Г. Демидова. Сер. Естественные и технические науки. - 2010. - № 2. - С. 67-72.

16. Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н., Калямин А.Н. Разработка и практическая реализация синтезаторов частот и сигналов сантиметрового диапазона с пониженным уровнем фазовых флуктуаций // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: сборник докладов XI Всероссийской научно-практической конференции. - Ярославль, 2010. - С. 181-188.

и \ ^

П.Вишняков Д.Ю., Чернов С.А. Параметрическая оптимизация СЧ-ИФАПЧ с ДДПКД // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: сборник докладов научно-технического семинара . - Н.Новгород, 2010. - С. 49-51.

18. Вишняков Д.Ю., Казаков Л.Н. Возбудитель ЧМ колебаний на основе ИФАПЧ синтезатора // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: сборник докладов XI Всероссийской научно-практической конференции. - Ярославль, 2009. - С. 49-52.

Подписано в печать и оьт Зак. Тир. Ш П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный _университет им. П.Г. Демидова»_ _

На правах рукописи

04201455994 ВИШНЯКОВ ДЕНИС ЮРЬЕВИЧ

СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СВЧ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ С ИФАПЧ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Казаков Л.Н.

Ярославль 2014

АННОТАЦИЯ

Диссертация посвящена разработке алгоритмов структурно-параметрического синтеза синтезаторов частот с ИФАПЧ с низким уровнем фазовых флуктуаций и принудительной компенсации частотной расстройки во время переходного процесса. Особенностью предлагаемого алгоритма структурно-параметрического синтеза является оценка внутренних (эквивалентный фазовый шум цифрового модуля, перестраиваемый генератор, активный фильтр) и внешних (опорный генератор) возмущений при постановке оптимизационной задачи для получения сглаживающих фильтров на основе винеровской фильтрации. Принудительная компенсация частотной расстройки осуществляется за счёт оптимального управления состоянием петлевого интегро-дифференцирующего фильтра во время переходного процесса. Предлагаемый вариант коммутации структуры и параметров позволяет реализовать предложенный алгоритм оптимального управления с учётом квазиоптимальной структуры и ограниченности координат кольца ИФАПЧ. Полученные в диссертации результаты позволили сформировать предложения по повышению спектральных и динамических характеристик систем частотного синтеза с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты.

Результаты диссертации внедрены в НИР, выполняемые кафедрой Радиотехнических систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова, в учебный процесс на кафедре Радиотехнических систем ЯрГУ им. П.Г. Демидова, НИОКР ОАО «КБ «Луч», ОАО «НПО «ТРАНСКОМСОФТ», в учебный процесс на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Оглавление стр.

Введение......................................................................................................... 8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЧАСТОТНОГО СИНТЕЗА НА ОСНОВЕ ИФАПЧ............................................................... 22

1.1. Способы построения синтезаторов частот СВЧ диапазона......... 22

1.1.1. Однокольцевые синтезаторы частот........................................... 23

1.1.2. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца............................................................................................................. 25

1.2. Шумовые характеристики функциональных узлов синтезаторов частот.............................................................................................................. 26

1.3. Шумовые характеристики сигнала СЧ.......................................... 30

1.4. Способы построения быстродействующих синтезаторов частот 35

1.4.1. Синтезаторы частот с переменной частотой дискретизации колец............................................................................................................... 36

1.4.2. Синтезаторы частот с постоянной частотой дискретизации колец............................................................................................................... 38

1.5. Выводы.............................................................................................. 44

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ МНОГОКОЛЬЦЕВЫХ СЧ-ИФАПЧ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ФАЗОВЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ФОРМИРУЕМОГО СИГНАЛА..................................... 45

2.1. Постановка оптимизационной задачи............................................ 45

2.2. Структурно-параметрический синтез синтезаторов частот на основе оптимальной фильтрации Винера................................................... 48

2.3. Реализация синтезаторов частот с оптимальной структурой и параметрами................................................................................................. 49

2.3.1. Однокольцевые синтезаторы частот....................................... 49

2.3.2. Синтезаторы частот с ДДПКД и алгоритмической компенсацией помех дробности.................................................................. 65

2.3.3. Многокольцевые синтезаторы с преобразованием частоты внутри кольца................................................................................................ 79

стр.

2.4. Выводы.............................................................................................. 84

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ПРЕЦИЗИОННЫХ СИНТЕЗАТОРАХ ЧАСТОТ...................................... 87

3.1. Решение задачи оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот с учётом нелинейности статической модуляционной характеристики генератора, управляемого напряжением........................ 88

3.1.1. Особенности переходного процесса при оптимальном управлении в синтезаторе частот с интегро-дифференцирующим петлевым фильтром........................................................................................................ 93

3.1.2. Реализация оптимального управления в однокольцевом синтезаторе частот при условии ограниченности координат кольца ИФАПЧ и погрешностей переключений управляющего воздействия.... 96

3.2. Эффективность оптимального управления в прецизионных СЧ-ИФАПЧ........................................................................................................... 103

3.3. Выводы.............................................................................................. 107

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ СВЧ ДИАПАЗОНА..................................... 109

4.1. Методика проектирования синтезаторов частот с минимальным уровнем фазовых флуктуаций выходного сигнала и оптимальным управлением................................................................................................... 110

4.2. Метрологическое обеспечение измерений динамических и спектральных характеристик синтезаторов частот................................... 111

4.3. Практическая реализация и экспериментальные исследования однокольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона................................ 113

4.3.1. Проектирование однокольцевого широкополосного синтезатора частот........................................................................................ 113

4.3.2. Экспериментальное исследование однокольцевого синтезатора частот.............................................................................................................. 117

стр.

4.4. Практическая реализация и экспериментальные исследования

двухкольцевого синтезатора частот СВЧ диапазона................................. 123

4.4.1. Проектирование двухкольцевого широкополосного синтезатора частот........................................................................................ 123

4.4.2. Экспериментальное исследование двухкольцевого синтезатора частот.............................................................................................................. 124

4.5. Выводы.............................................................................................. 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 129

Список литературы....................................................................................... 132

Приложение................................................................................................... 144

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

OFDM

SSA

(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ортогональное частотное мультиплексирование

- (Signal Source Analyzer) анализатор источников сигналов

АФ - активный фильтр

БЗ - способ ускорения ПП - «быстрый захват»

ГТ - генератор тока

ГУН - генератор, управляемый напряжением

ДДПКД - делитель с дробно-переменным коэффициентом деления

ДЗН - способ ускорения переходных процессов с двумя

зарядовыми накачками

ДПКД - делитель частоты с переменным коэффициентом деления

ДСМ - дельта-сигма модулятор

ДФКД - делитель с фиксированным коэффициентом деления

ИФАПЧ - импульсно-фазовая автоподстройка частоты

ИФД - импульсно-фазовый детектор

KAM - квадратурная амплитудная модуляция

KJI - ключ

КМОП - комплементарный металлооксидный полупроводник

МК - микроконтроллер

ОГ - опорный генератор

ОУ - операционный усилитель

ПГ - перестраиваемый генератор

ПИФ - пропорционально-интегрирующий фильтр

ПОФ - паразитное отклонение фазы

ПОЧ - паразитное отклонение частоты

ПСС - паразитные спектральные составляющие

РПдУ - радиопередающее устройство

РПрУ - радиоприемное устройство

СВЧ - сверхвысокие частоты

СМ - смеситель

СМХ - статическая модуляционная характеристика

СПМ - спектральная плотность мощности

СЧ - синтезатор частот

СЧС - система частотного синтеза СЧ-ИФАПЧ - синтезатор частот на основе ИФАПЧ

С/Ш - отношение сигнал-шум

УРС - способ ускорения за счет устранения режима скольжения

ФАГТЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФД - фазовый детектор

ФНЧ - фильтр низких частот

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ЦВС - цифровой вычислительный синтезатор

ЧФД - частотно-фазовый детектор

Э/М - электромагнитный

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Существенный прогресс в области радиотехники по формированию и обработке полезной информации предъявляет всё более жёсткие требования к источнику несущего сигнала информационных сообщений. На современном уровне развития систем связи при проектировании систем частотного синтеза предпочтение отдаётся синтезаторам частот на базе импульсных систем фазовой автоподстройки частоты (СЧ-ИФАПЧ). Известно, что СЧ-ИФАПЧ широко используются в системах радиосвязи, телевидения и радиолокации, телеметрии и радиоастрономии и в других радиотехнических системах. Проектируемые СЧ должны обеспечить компактное размещение каналов радиосвязи с предельно мелкой сеткой и минимальными допусками на долговременную нестабильность и точность установки частоты, широкий диапазон перестройки, высокую чистоту спектра выходного сигнала и минимально возможное время перехода с одной частоты на другую [1-7].

В последние годы интенсивно проводятся исследования в области систем частотного синтеза с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты, позволяющих формировать сигналы в СВЧ диапазоне. Современные технологии существенно расширили возможности СЧС с ИФАГГЧ. С выбором структуры синтезаторов частот и входящих в них узлов появилась возможность реализовать варианты систем, обладающих требуемыми характеристиками по чистоте спектра формируемого сигнала. За счет усложнения режимов работы колец стало реальностью создание близких к оптимальным условий перестройки рабочей частоты СЧС [8-18].

Значительный вклад в исследование СЧ косвенного типа с учётом шумов элементов кольца ИФАГГЧ внесли: В.А. Левин Л.А. Белов, Л.Н. Казаков, В.Н. Кочемасов, В.Н. Кулешов, В.Н. Малиновский, В. Манассевич, A.B. Пестряков, С.К. Романов, A.B. Рыжков, Н.М. Тихомиров,

H.H. Удалов, B.B. Шахгильдян Б.И. Шахтарин, V.F Kroupa, М. Perrott и другие.

В современных условиях постоянного роста требований к СЧС становится актуальной задача минимизации уровня фазовых флуктуаций формируемого сигнала СЧ-ИФАПЧ [3, 9, 13, 19-29]. Для достижения высоких скоростей передачи данных (десятки, сотни Мб/с), при условии ограниченного частотного ресурса, в современных системах передачи информации используются сигналы высокой кратности (KAM-16, ... КАМ-256). Для когерентного приёма указанных сигналов предъявляются жёсткие требования к уровню фазовых (частотных) шумов сигнала на входе демодулятора, приводящих к снижению достоверности приёма [21]. В [21] представлены результаты исследований, касающиеся эквивалентных потерь необходимого отношения С/Ш при различных значениях среднеквадратического отклонения (СКО) фазовой ошибки между входным и опорным сигналами. Для эквивалентных потерь отношения С/Ш не более 0.5 дБ СКО фазовой ошибки, обусловленной нестабильностью фазы входного сигнала (суммарным фазовым шумом сигналов синтезаторов частот передающего и приемного устройств), не должно превышать 2-3% углового расстояния между точками сигнального созвездия. Увеличение СКО фазовой ошибки, связанной с нестабильностью фазы сигналов синтезаторов частот, до 5-6% от углового расстояния вызывает эквивалентное уменьшение С/Ш порядка 2 дБ. Соответственно, значение паразитного отклонения фазы сигналов синтезаторов частот, используемых при передаче и приёме сигналов высокой кратности: KAM-16, КАМ-64, КАМ-256, KAM-1024, с учётом эквивалентной потери в отношении С/Ш до 2 дБ имеет значения порядка 0.3, 0.15, 0.07 и 0.04 град. [30].

В целом ряде современных систем передачи (DVB-T; DVB-T2; IEEE 802.16, DRM и др.) активно применяют сигналы с ортогональным частотным и пространственным разделением OFDM, MIMO-OFDM [319

36]. Проводятся интенсивные исследования по применению данных сигналов в высокоскоростных авиационных системах передачи, включая каналы связи с БПЛА. Подобные сигналы обладают высокой помехоустойчивостью приёма в условиях частотно-селективных замираний и позволяют эффективно использовать частотный ресурс. В то же время системы передачи, использующие модуляцию OFDM, MIMO-OFDM, обладают повышенной чувствительностью к фазовым флуктуациям [31-36]. В ряде работ [35, 36] проведены исследования, касающиеся эквивалентных энергетических потерь при заданном СКО фазовой и частотной нестабильностей сигналов возбудителей передатчика и гетеродинов приемника. На рис. 1 представлены некоторые результаты, заимствованные из работы [35, 36].

10

ю

10

10

-2

-± - +

и: i

-т

I

--L.

Eí; - +

ii: i

-т

ч. j_ i

1-I

-J-

;ЗЕ ч -

. _i_ i

-II

:ЗЕ ч —

+ т

±d=

i--I -

Z3Z 1J_ I I T--1-i i -L-J-

E3E

4-4-

EDZ

u;

i J

I

4>4 i

zbd±irz=t-?rd

■HH +----

zcaizzzzizzz

_LU1_

I I I I

-rnr

I I *

-1-4 *

-'L - ■

í E

/ I /

—'—r

KAM-10241

-LUJf___'I__-]f- 4

EEi3iEEe=EE*3E3

LUJJ?___* L -J-A

I i,ri * I t \ I — |-*M 1——i-*—1 —\

Ли!/ KAM-64 ,

1_)_I jt___/_[___l__I

EEEfi Ез=ЕЕЕЗЕЗ *rn---------

_|Д±

I I i

5

/0

A

i /1 i /1 It I_U l I

frf

'-rr/rr I i I I I -L-L J-L

¿1=Eí EE

-1-4-4-Ы-

Z EII EC .LULL

I I I i I -I-1-1-Mi

I I I I _LI1LL

EEEEEE

-I-4-4-4-I-"ГТТГГ

/IT

-i-M 1- ■

I I I I I I I

l I I I I I

I I I

---1---l~4

I I I _I_I_L

I I I I I htthH I I I I I I_I_I_I_i

10

10

AfT

Рис. 1. Эквивалентные потери в отношении сигнал/шум в результате частотных флуктуаций сигнала синтезаторов частот

На рис. 1 обозначены D - эквивалентные потери в отношении С/Ш,

А/ - СКО частоты сигналов гетеродинов, ^ - частотное расстояние

между поднесущими в OFDM символе. Из приведенных зависимостей можно сделать вывод: для эквивалентной потери в отношении С/Ш не более 0.5 дБ суммарное СКО частотных флуктуаций сигналов не должно превышать 2-3% частотного расстояния между поднесущими для базовой модуляции КАМ-16 и 0.6-0.8% - для КАМ-1024. Значение СКО частотных флуктуаций сигналов синтезаторов частот 7-8% частотного расстояния между поднесущими вызывает эквивалентное уменьшение С/Ш порядка 1.. .2 дБ для базовой модуляции КАМ-16 и 50..55 дБ - КАМ-1024.

Наиболее остро проблема фазового шума наблюдается в широкополосных СВЧ синтезаторах, получивших в последнее время большое распространение в различных радиотехнических системах. Схемное построение таких СЧ предполагает большое число источников шума и чувствительных к шуму функционально необходимых элементов. К числу их относятся высокочувствительные к помехам перестраиваемые в широкой полосе частот генераторы, обладающие высокой крутизной преобразования. Реализация в таких синтезаторах низкого уровня фазовых флуктуаций сомнительна без применения специальных методов структурного построения, в том числе оптимальных.

Существует множество подходов проектирования синтезаторов, направленных на решение указанной проблемы. С учетом достижений в области теории частотного синтеза, а также в технологической области, связанной с современным состоянием производства комплектующих элементов, можно выделить два подхода в проектировании современных синтезаторов частот с ИФАПЧ:

1. Подход, основанный на полиномиальной аппроксимации спектральных плотностей мощности внешних и внутренних воздействий

(возмущений, действующих в разных точках системы). При этом структурный синтез СЧ может быть выполнен с применением оптимальной линейной фильтрации для ограниченного числа локализованных эквивалентных воздействий [25]. Такой подход целесообразен при расчётах и оптимизации простейших однокольцевых синтезаторов частот традиционными методами.

2. Подход, при котором структура синтезатора частот предполагается известной, включая тип петлевого фильтра. При этом происходит параметрический синтез с целью уменьшения паразитных отклонений фазы и частоты выходного сигнала и удовлетворения других требований к его качеству [26-28, 37-41].

В свою очередь, вопрос минимизации фазовых флуктуаций сигнала СЧ тесно связан с необходимостью исследования собственных шумов всех элементов кольца ИФАПЧ. Если в отношении генераторных схем вопрос собственных нестабильностей достаточно изучен как в линейном, так и в нелинейном приближении, то в отношении ряда других элементов, к которым относятся цифровой частотно-фазовый модуль, активные фильтры, вопрос нестабильности решается иначе. Сравнительно недавно появились работы, посвященные анализу собственных шумов частотно-фазовых детекторов, построенных на КМОП-структурах [42-44]. Приведенные результаты указывают на сложную зависимость эквивалентных фазовых шумов детекторов от рабочей частоты (частоты дискретизации кольца ИФАПЧ) и наличие спектральных компонент различного порядка. Подобные зависимости необходимо учитывать при проектировании прецизионных синтезаторов. Аналогичная ситуация наблюдается и с активными фильтрами, которые используются при проектировании широкополосных синтезаторов. Реализация активных фильтров на операционных усилителях приводит к необходимости учета собственных флуктуаций последних.

Учет большого числа источников случайных возмущений при проектировании синтезаторов с ИФАПЧ приводит к существе