Введение к работе
Актуальность темы. 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, DDS) 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 (СИМ) фазовых шумов, измеряемая при различной частоте отстройки от несущего колебания. Достигаемые в настоящее время уровни СИМ 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 СИМ фазовых шумов разрабатываемых устройств используют методы теоретического анализа с применением усредненных СИМ фазовых шумов различных звеньев синтезаторов. Например, имеются достаточно точные аппроксимации СИМ фазовых шумов для кварцевых генераторов, генераторов, управляемых напряжением, делителей частоты, фазовых детекторов, усилителей и других. С использованием их проводится теоретический анализ СИМ 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 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 моде
лей шумовых характеристик для исследования шумовых свойств фор
мирователей 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 Mathcad.
Научная новизна работы
Предложена математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов, учитывающая собственные шумы звеньев синтезатора и их зависимость от выходной и тактовой частот.
Разработана методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по экспериментальным шумовым характеристикам.
Исследованы шумовые характеристики цифровых вычислительных синтезаторов и систем ИФАПЧ при различных параметрах анализируемых устройств.
Разработаны математические модели и проведено исследование шумовых характеристик гибридных синтезаторов частот на основе цифровых вычислительных синтезаторов и фазовой автоподстройки частоты.
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:
Математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов.
Методика расчета коэффициентов математической модели спектральной плотности мощности фазовых шумов цифровых вычислительных синтезаторов по их экспериментальным шумовым характеристикам.
Результаты анализа фазовых шумов интегральных цифровых вычислительных синтезаторов.
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 Н.А. Арманда, 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 PC 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-х приложений. Общий объем диссертационной работы вместе с приложениями составляет 165 страниц. Работа содержит 92 рисунка и 10 таблиц.
