Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы совершенствования синтезаторов частот с частотно-фазовым регулированием
1.1. Принципы построения, классификация и технические характеристики синтезаторов частот на основе технологии ИФАПЧ 13
1.2. Особенности применения частотно-фазовых детекторов с тремя устойчивыми состояниями в астатических системах ИФАПЧ 27
2. Улучшение спектральных характеристик синтезаторов с чфд с тремя устойчивыми состояниями
2.1. Обобщенная структурная схема и компьютерная мо, ;ль синтезаторов с частотно-фазовым регулированием 44
2.2. Анализ шумовых характеристик функциональных элементов астати ческой системы ИФАПЧ синтезаторов 58
2.3. Влияние токов утечки в канале управления СЧ-ИФАПЧ на спек тральные характеристики выходного сигнала 67
2.4. Выводы 70
3. Использование специальных методов для повышения быстродействия сч-ифапч с частотно-фазовым регулированием
3.1. Анализ механизмов повышения быстродействия СЧ-ИФАПЧ в режиме перестройки частоты 71
3.2. Сравнительная оценка эффективности специальных методов уменьшения времени перестройки по частоте СЧ-ИФАПЧ 74
3.3. Параметрический синтез астатических систем ИФАПЧ для оптимизации режима ускорения динамических процессов 92
4. Проектирование и экспериментальное исследование синтезаторов частот .
1. Основные задачи разработки прототипов и образцов синтезаторов частот 104
2. Практическая реализация синтезаторов частот и результаты экспериментальных исследований 109
3. Выводы 120
Заключение 121
Литература 123
Приложение 1
- Особенности применения частотно-фазовых детекторов с тремя устойчивыми состояниями в астатических системах ИФАПЧ
- Анализ шумовых характеристик функциональных элементов астати ческой системы ИФАПЧ синтезаторов
- Сравнительная оценка эффективности специальных методов уменьшения времени перестройки по частоте СЧ-ИФАПЧ
- Практическая реализация синтезаторов частот и результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время жесткие требования предъявляются к таким характеристикам радиоэлектронных устройств как стабильность частоты и фазы колебаний в широком диапазоне рабочих частот, быстрая перестройка и высокая чистота спектра выходного спектра. В технике средств радиосвязи это связано с проблемой электромагнитной совместимости радиоэлектронных устройств и систем, а также рационального использования радиочастотного спектра. Современные устройства связи требуют постоянного совершенствования для решения перспективных телекоммуникационных задач, При этом влияние радиоканала на работу систем связи в целом весьма значительно. Потенциальные возможности использования и перспективы развития различных систем во многом определяются техническими характеристиками радиооборудования, входящего в их состав.
Следует выделить следующие основные технические характеристики, существенно влияющие на работу систем связи в целом: нестабильность радиочастоты, уровни побочных дискретных и шумовых составляющих в выходном спектре сигнала, а также скорость изменения выходных рабочих частот.
Применение частотных синтезаторов позволяет улучшить оперативно-технические характеристики средств радиосвязи, а так как они позволяют выбирать рабочий канал в широком диапазоне частот. Однако время переключения с одной частоты на другую и чистота спектра выходного колебания не всегда удовлетворяют современным требованиям из-за известного противоречия между динамическими и фильтрующими характеристиками синтезаторов частот (СЧ), построенных на основе технологии импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) или сокращенно СЧ-ИФАПЧ.
Дальнейшее совершенствование систем радиосвязи ведет к значительному ужесточению требований к качественным показателям устройств СЧ-ИФАПЧ. Однако выполнение поставленных требований часто оказьшается не под силу системам ИФАПЧ, синтезированшлм широко известными методами.
5 Ситуация осложняется также тем фактом, что требования к современным системам ИФАПЧ являются противоречивыми, взаимно исключающими друг друга. Поэтому в конкретных разработках все чаще находят применение нестандартные методы построения СЧ-ИФАПЧ, например, используются управляющие устройства, реализующие форсированный пропорционально-интегральный закон управления [1]. Во многих случаях это приводит к улучшению технических характеристик систем ИФАПЧ более простым, а иногда и единственно возможным способом. Кроме того, желательно, чтобы функциональные элементы контура автоподстройки, такие как частотно-фазовый детектор (ЧФД), делители частоты и фильтр нижних частот (ФНЧ) могли активно изменять свои характеристики и поддерживать параметры системы в динамическом и статическом режимах на требуемом качественном уровне, который должен быть максимально приближен к теоретически оптимальному предельному уровню.
Из анализа отечественных и зар> оежных публикаций известно несколько различных типов СЧ на основе астатических систем ИФАПЧ [1, 2, 3]. На практике наиболее часто используются СЧ-ИФАПЧ с ЧФД с тремя устойчивыми состояниями и зарядовой накачкой (ЗН). Такие синтезаторы с частотно-фазовым регулированием позволяют в определенной степени ослабить противоречие между фильтрующими и динамическими свойствами системы стабилизации частот. Наибольший вклад в исследование систем ИФАПЧ с ЧФД с тремя устойчивыми состояниями и зарядовой накачкой в разные годы внесли: В. А. Левин, С.К. Романов, В.Н. Малиновский, Л.Н. Казаков, Ю.И. Алёхин, В.И. Горюнов, Н.М. Тихомиров и другие.
При исследовании подобных систем стабилизации, как правило, используются приближенные методы, основанные на сведении дискретной модели астатической системы ИФАПЧ к её непрерывному аналогу [2]. Однако подобный подход не позволяет выявить специфику работы астатических систем ИФАПЧ и получить удовлетворительные по точности результаты в широкой области возможных параметров СЧ-ИФАПЧ. В существующей литературе практически отсутствуют исследования по вопросам функционирования систем ИФАПЧ в
предельных режимах, оптимизации динамических процессов и обеспечения высокой надежности в условиях резкого изменения параметров системы. Все это требует знаний поведения системы в сугубо нелинейных режимах, характеризующихся сложной динамикой.
Основным во всех системах автоматического регулирования (САР), к которым следует отнести СЧ, построенные на кольцах ИФАПЧ, является поведение системы в неустановившихся режимах. Это вынуждает уделять большое внимание вопросам изучения протекания и анализа качества переходных процессов данных систем, так как время установления синхронизма в петле ИФАПЧ - один из основных показателей эксплуатационно-технических характеристик, реализованных на их основе СЧ. Основной задачей построения современных синтезаторов частот является нахождение разумного компромисса по преодолению трёх антагонистических требований: скорость перестройки, чистота спектра выходного сигнала и широкий диапазон перестройки по частоте. При этом актуальными становятся вопросы функционирования СЧ в предельных режимах, вопросы оптимизации динамических процессов и обеспечения высокой надежности в жестких эксплуатационных условиях.
Анализ астатических систем с частотно-фазовым регулированием - достаточно сложная задача далее при использовании в петле простейших фильтров нижних частот, так как требует применения сложного математического аппарата и вычислений. Поэтому постоянное повышение технических требований к радиоаппаратуре вынуждает менять подходы к построению СЧ, выполненных на основе астатических систем ИФАПЧ.
Основными вопросами, стоящими перед разработчиками перспективных синтезаторов частот, является: теоретическое обоснование и исследование новых методов построения и особенностей функционирования астатических колец ИФАПЧ; анализ и синтез технических характеристик СЧ-ИФАПЧ; разработка новых технических решений, использующих современную технологию. Поэтому, весьма актуальной является задача исследования астатических СЧ-ИФАПЧ на основании их дискретных нелинейных моделей и разработки точ-
7 ной научно обоснованной методики для расчета основных показателей качества
и совершенствования технических характеристик синтезаторов дискретного множества частот.
Цели и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является улучшение спектральных характеристик и повышение быстродействия синтезаторов частот с частотно-фазовым регулированием. Для достижения поставленной цели в работе необходимо рассмотреть следующие задачи по теоретическому исследованию и практической разработке СЧ-ИФАПЧ:
Обосновать применение в составе системы ИФАПЧ ЧФД с тремя состояниями и зарядовой накачкой как наиболее перспективный путь улучшения спектральных и динамических характеристик синтезаторов частот.
Разработать расчетную структурную схему СЧ-ИФАПЧ с ЧФД с тремя состояниями и ЗН для исследования спектральных и динамических характеристик.
Провести сравнительную оценку специальных методов уменьшения времени перестройки синтезаторов частот с частотно-фазовым регулированием.
Разработать методику расчета параметров системы ИФАПЧ для режима ускорения динамических процессов в СЧ.
Провести инженерное проектирование и экспериментальное исследование спектральных и динамических характеристик СЧ-ИФАПЧ.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертации задач использованы методы теории дискретных систем автоматического регулирования, математический аппарат линейных разностных уравнений, дискретное и модифицированное преобразование Лапласа, а так же теория фильтрации в импульсных системах управления. Методы машинного моделирования с использованием математического пакета программ для инженерных и научных расчетов MatLab, MatCad и системы проектирования ADS2002.
Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:
1. Обоснована перспективность применения ЧФД с тремя состояниями и
ЗН в системе ИФАПЧ для улучшения спектральных и динамических характеристик синтезаторов частот.
Разработана расчетная структурная схема СЧ-ИФАПЧ с ЧФД с тремя состояниями и ЗН, позволяющая исследовать спектральные и динамические характеристики.
Проведена сравнительная оценка специальных методов ускорения переходных процессов в синтезаторах частот с частотно-фазовым регулированием.
Разработана методика расчета параметров системы ИФАПЧ для режима ускорения переходных процессов с использованием раздельного пропорционального и интегрального регулирования в канале управления.
Проведена экспериментальная проверка качества спектральных характеристик и быстродействия образцов СЧ-ИФАПЧ.
Практическая ценность, диссертационной работы состоит в том, что результаты теоретических исследований позволяют разработчикам, во-первых, производить оценку качества спектральных характеристик проектируемых СЧ-ИФАПЧ по полученным конкретным выражениям, во-вторых, рассчитьшать параметры системы ИФАПЧ для режима ускорения переходных процессов с использованием двух зарядовых накачек, в-третьих, использовать на практике теоретические результаты для реализации образцов СЧ.
Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, ОАО «Концерн «Созвездие», внедрены в проекты, выполняемые в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Созвездие». Использование результатов работы в НИОКР и научных проектах подтверждено актами о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научно-технических семинарах и конференциях:
56-я Научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 16-17 мая 2001 г.)
Всероссийская научно-практическая конференция "Охрана и безопасность ' - 2001" (Воронеж, 25-26 октября 2001 г.)
Всероссийская научно-практическая конференция "Современные проблемы борьбы с преступностью" (Воронеж, 15-16 мая 2002 г.)
9-я международная научно-техническая конференция "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 22-24 апреля 2003 г.)
58-я Научная сессия, посвященная Дню радио (Москва, 14-15 мая 2003 г.)
Научно-технический семинар "Синхронизация, формирование и обработка сигналов" (Ярославль, 3-5 июля 2003 г.)
Международная научная конференция "Современная радиоэлектроника в ретроспективе идей В.А. Котельникова" (Москва, 29-30 октября 2003 г.)
10-я международная научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 13-15 апреля 2004 г.)
Научно-технический семинар "Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания" (Самара, 27-28 июня 2005)
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, включающая 2 раздела и 2 приложения монографии, 5 статей, из них 1 статья в издании, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией, 11 материалов, опубликованных в сборниках Международных и Всероссийских конференций и 1 патент . РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, иллюстрированного 44 рисунками и содержащего 10 таблиц. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований, и трех приложений на 13 страницах, в которые вьшесены описания программ и документы о внедрении результатов работы.
10 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определена научно-техническая проблема, решению которой посвящена работа, обосновывается ее актуальность с учетом ширины фронта исследований, проводимых отечественными и зарубежными учеными в области синтеза частот по методу ИФАПЧ. Отмечается, что значительный вклад в развитие и исследование СЧ с частотно-фазовым регулированием внесли: В.А. Левин, С.К. Романов, В.Н. Малиновский, Л.Н. Казаков, Ю.И. Алёхин, В.И. Горюнов, Н.М. Тихомиров и другие.
Показано в чем заключается научная новизна работы. Кратко излагается содержание диссертационной работы и перечисляются основные новые научные результаты, выносимые на защиту.
В первой главе проведён анализ состояния и перспектив совершенствования СЧ с частотно-фазовым регулированием. На основе критического анализа принципов построения существующих схем СЧ-ИФАЛЧ предложена классификация методов активного косвенного синтеза частот с дискретным частотно-фазовым регулированием с различными вариантами использования устройства преобразования, сравнения и деления частоты задающих и контролируемых сигналов.
Проведён обзор отечественных и зарубежных литературных данных, характеризующих современное состояние проблем проектирования и разработки синтезаторов частот на основе использования метода ИФАПЧ. Отмечены основные этапы в развитии научной мысли методов анализа и исследования систем синтеза дискретного множества частот с использованием колец ИФАПЧ. Анализ различных вариантов построения схем СЧ-ИФАПЧ позволил вьщелить использование частотно-фазового детектора в астатической системе ИФАПЧ, как наиболее перспективный, универсальный и простой способ повышения качественных характеристик синтезаторов частот, построенных на основе частотно-фазового регулирования по пропорционально-интегральному закону.
Показано, что наиболее распространённым способом улучшения динамических и спектральных характеристик СЧ на основе ИФАПЧ является приме-
нение в ее составе ЧФД с тремя устойчивыми состояниями при реализации совместного частотного и фазового регулирования в кольце. Отмечается, что, несмотря, на значительное количество публикаций по этой тематике, проведение всесторонних исследований по улучшению динамических и спектральных характеристик астатических систем ИФАПЧ является достаточно сложной и актуальной задачей на современном этапе развития теории и практики синтеза частот.
По результатам проведенного анализа состояния и перспектив совершенствования СЧ с частотно-фазовым регулированием сделаны выводы и сформулированы главная цель и основные задачи, решаемые в диссертационной работе.
Вторая глава посвящена анализу статических характеристик синтезаторов частот с ЧФД с тремя устойчивыми состояниями и зарядовой накачкой. Разработана расчетная структурная схема СЧ-ИФАПЧ с ЧФД с тремя состояниями и ЗН, позволяющая исследовать динамические и спектральные характеристики. Для обобщенной расчетной структурной схемы синтезатора составлена компьютерная модель в системе MatLab для исследования уровней фазовых шумов. Разрабатываются алгоритмы взаимного пересчета фазовых шумов, джиттера и вариации Аллана синтезированного сигнала. Проводится анализ шумовых характеристик функциональных элементов астатической системы ИФАПЧ синтезаторов частот. Рассматривается эффект влияния токов утечки в канале управления системы ИФАПЧ на характеристики выходного сигнала синтезатора.
В третей главе проведена сравнительная оценка специальных методов ускорения переходных процессов в синтезаторах частот с частотно-фазовым регулированием. Предложена схема СЧ-ИФАПЧ с использованием двух (пропорциональной и интегральной) зарядовых накачек в цепи управления ГУН. Разработана методика расчета параметров системы ИФАПЧ для режима ускорения переходных процессов с использованием раздельного пропорционального и интегрального регулирования в канале управления.
В четвёртой главе рассматриваются основные задачи разработки прототипов и образцов синтезаторов частот. Отмечается процесс выбора параметров элементов синтезатора для получения ускоренной перестройки в переходном режиме и низкого уровня шумов в установившемся состоянии. Проводится экспериментальная проверка быстродействия и качества спектральных характеристик образцов СЧ-ИФАПЧ. Обсуждаются вопросы практической реализации функциональных элементов синтезаторов частот. Приводится схема разработанного СЧ-ИФАПЧ и результаты экспериментальных исследований.
В заключении кратко подведены итоги работы, перечислены основные наиболее значимые результаты, а также намечены перспективы дальнейшего развития рассмотренного в диссертации научно-технического направления по совершенствованию технических характеристик синтезаторов частот с частотно-фазовым регулированием.
В приложении 1 приводится исходный код разработанной в среде Mat-Lab программы расчета динамических и спектральных характеристик СЧ-ИФАПЧ. Программа позволяет определять параметры ФНЧ нелинейной непрерывной системы ИФАПЧ, производить поиск частоты среза, определять спектр и интегральные спектральные характеристики выходного сигнала. Так же определяется время переходного процесса в нелинейной непрерывной системе ИФАПЧ, строятся диаграммы Бодэ, рассчитываются корни характеристического уравнения. Даются краткие комментарии, поясняющие структуру и объясняющие работоспособность этого программного продукта.
В приложении 2 приводится компьютерная модель системы ИФАПЧ в программе Simulink (MatLab) с коммутируемыми во времени ЗН и ФНЧ для исследования специальных методов ускорения переходных процессов.
В приложении 3 представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.
Особенности применения частотно-фазовых детекторов с тремя устойчивыми состояниями в астатических системах ИФАПЧ
Качество контура регулирования фазы системы ИФАПЧ существенно зависит от используемого в её составе сравнивающего устройства (датчика рассогласования) - ключевого ИФД типа «выборка-запоминание», цифрового ЧФД с трёхпозиционными выходными сигналами, спускового или перемножающего ИФД и других [ 1 -7].
В течение длительного времени при разработке высококачественных устройств косвенного синтеза частот различных диапазонов длин волн широкое применение находили ИФД типа «выборка-запоминание» [1,2,4], преобразующие ошибку рассогласования в системе ИФАПЧ в амплитуду управляющего напряжеігая. Широкое применение подобных ИФД обусловливалось рядом их качеств: высокой линейностью амплитудно-фазовой характеристики, однозначностью определения фазовой ошибки в диапазоне от 0 до 2%, невысокими требованиями к фильтру нижних частот на выходе ИФД. Следует отметить, что в ИФД [1,4] частота сравнения FR (частота выборок) обычно составляла 1-25 кГц, что было связано с требуемым шагом перестройки синтезаторов частот в различных системах передачи информации.
С переходом в более высокочастотные диапазоны работы синтезаторов частот низкая частота сравнения в кольце ИФАПЧ приводит к ухудшению параметров выходного колебания синтезаторов. Это связано с тем, что система ИФАПЧ за счет дискретности процесса сравнения в кольце регулирования работает фактически в режиме квазисинхронизма. Поэтому чем ниже частота сравнения FR, тем реже в течение определенного промежутка времени осуществляется регулирующее воздействие ИФАПЧ на генератор ГУН.
Применение в синтезаторах частот делителей с дробным или дробно-переменным коэффициентом деления позволяет более чем на порядок увеличить частоту сравнения FR в кольце ИФАПЧ, обеспечивая существенное улучшение параметров выходного колебания синтезаторов частот [5]. В связи с этим возникла необходимость увеличить частоту сравнения FR в кольце ИФАПЧ для
ИФД типа «выборка-запоминание» до 100, 500 кГц и более. Но одновременно с увеличением частоты сравнения при неизменных по длительности импульсах FR в опорном канале топ и импульсах FN канале выборки твыб ИФД и при сохранении неизменными остальных параметров системы ИФАПЧ увеличиваются пульсации управляющего напряжения на выходе ИФД и остаточная фазоваяошибка в кольце регулирования [9]. Этот недостаток технически трудно устранить, так как одновременно с увеличением частоты сравнения необходимо уменьшать длительность импульсов Топ и Твыб, а также обеспечить оптимальный выбор зарядной и запоминающей емкостей.
ИФД типа «выборка-запоминание» определяет новое значение фазового сдвига только один раз за период регулирования. Он ведёт себя как звено с запаздыванием. В зависимости от того, в какой момент происходит изменение фазы, запаздывание составляет от 0 до TN = 1/FN. Усредненное запаздывание, следовательно, равно 1/2TN. В системах ИФАПЧ с ИФД типа «выборка-запоминание» в качестве регулятора целесообразно использовать схему без дифференцирующего устройства [10], так как выходное напряжение ИФД типа «выборка-запоминание» изменяется только скачком. В системах ИФАПЧ с ИФД типа «выборка-запоминание» часто используется пропорциональный закон регулирования. В этом случае регулятор можно выполнить в виде рези-стивного делителя напряжения. Для уменьшения остаточной фазовой ошибки можно увеличить коэффициент усиления системы ИФАПЧ на низких частотах с помощью введения интегрирующего звена в цепь управления ГУН. Целесообразно, однако, ограничить низкочастотную граничную величину коэффициента усиления конечным значением, так как иначе интегратор в состоянии покоя ГУН дрейфует к границе диапазона управления. При этом ГУН может быть сильно перестроен по частоте так, что контур фазового регулирования не сможет действовать, то есть подстраивать частоту ГУН в нужном направлении. Пассивный резистивный делитель напряжения в цепи управления ГУН легко можно преобразовать в пропорционально-интегральный регулятор с ограниченным усилением. Для этого в цепь управления ГУН необходимо ввести пропорционально-интегрирующий фильтр. Это достигается подключением конденсатора в схему пассивного делителя последовательно резистору, подключенному к корпусу.
Основным недостатком ИФД типа «выборка-запоминание» является то, что они обладают ограниченной областью захвата, то есть не функционируют в случае, когда первоначальный сдвиг частоты превышает определенное значение. Это происходит потому, что сигнал измерения фазы для различения частот является переменным напряжением, симметричным относительно нуля. Управляющее напряжение ey(t) осуществляет, следовательно, только периодическую частотную модуляцию ГУН, но без систематической перестройки в правильном направлении [9, 10].
В отличие от ИФД типа «выборка-запоминание» цифровой срабатывающий по фронтам входных импульсов ЧФД с запоминанием трёх устойчивых состояний [11, 12] при любом фазовом сдвиге формирует сигнал рассогласования для ЗН с правильным знаком в нужном направлении (заряд, разряд или нейтральное состояние). При пропорционально-интегральном регулировании частота FN всегда понижается или повышается до тех пор, пока не совпадет с опорной частотой FR. ПО ЭТОЙ причине диапазон захвата теоретически бесконечно большой, а на практике ограничивается только диапазоном перестройки
Анализ шумовых характеристик функциональных элементов астати ческой системы ИФАПЧ синтезаторов
Рассмотрим более подробно шумовые характеристики функциональных элементов астатической системы ИФАПЧ и их влияние на чистоту спектра выходного сигнала синтезатора частот. Спектральные плотности фазовых шумов ОГ и ГУН аппроксимируются степенными функциями следующего вида:где: f — частота; ао - характеризует шумы в принятой терминологии как белый ФМ шум ai - ФМ фликкер шум; аг - белый ЧМ шум; аз- ЧМ фликкер шум; дц -случайные ЧМ вариации.
Для характеристики фазовых шумов ОГ и ГУН используется также зависимость:Scp(f) или L(f) измеряется либо в радЗТц либо в дБ/Гц, определяемом как:где Ps - мощность выходного сигнала генератора, Рь(і)1Гц - мощность фазовых шумов генератора при отстройке от несущей на f в полосе 1Гц. Из (2.38) молено определить:
Фирмы производители ОГ и ГУН характеризуют качество своих изделийкак правило таблицей значений СПМ фазовых шумов при некоторой отстройкиот несущей в дБн/Гц. Для ОГ фирмы CTS Reeves (см. таблицу 2.3).
Из таблиц видно, что при низких частотах отстройки от несущей, ОГ имеет меньший уровень фазовых флуктуации.
Для получения аналитического выражения (2.36) с использованием из таблиц 2.3 - 2.6 значений дБн/Гц предлагается следующая методика, так как попытки применить стандартные программы среды MatLab типа полиномиальной регрессии не привели к успеху. Формируется матричное уравнение вида: Ik
Для решения (2.40) с целью нахождения X используется стандартная процедура среды MatLab lsgnonneg. Необходимо отметить, что матрица А плохо обусловлена. Так например при расчёте вектора X по данным таблицы 3, числообусловленности составило cond(A)=1.78-10 , по данным таблицы 2, cond(A)=2.59-10 . Поэтому, предложенные аппроксимации с помощью (2.36), несколько отличаются от исходных данных (см. рис-.2.5). Для контроля точности аппроксимаций в разработанной программе расчётов (обсуждается ниже) приведены кривые: исходные по таблицам 2.3-2.6 и аппроксимированные по (2.36). Примеры расчёта векторов X - выражения (2.32), (2.33).
Чипы микросхем ИФАПЧ содержат в своём составе цифровые делители опорного сигнала с ОГ и сигнала ГУН, ЧФД с генераторами токов накачки. Шумы этих элементов на рис. 2.2 обозначены как q R, фц и ФЧФД. Их все можно объединить и представить как:где, ОЧФД коэффициент передачи ЧФД (рис. 2.2).
Согласно [23] фазовые шумы микросхем ИФАПЧ (цифровых делителей, ЧФД) можно представить в виде: где L0- некоторая базовая константа, соответствующая частоте опорного сигнала фазового детектора for = 1Гц.
В [23] приведены данные для шумов некоторых чипов ИФАПЧ сводные значения которых приведены в таблице 2.7.
К сожалению, фирмы-производители чипов ИФАПЧ не приводят данных , по фликкернои составляющей шумов, которая определяется величиной а . Будем ориентироваться на работу [24], в которой а —Ю"147
Для уменьшения влияния шумов цифровых делителей и ЧФД в выходном сигнале ИФАПЧ синтезатора частот применяют дробные делители в цепи ГУН - ЧФД. Промышленностью выпускается ряд типов ИФАПЧ: СХ72300,частот. Уменьшение шумов указанных выше компонентов чипов обусловлено уменьшением целого значения коэффициента деления делителя с дробно-переменным коэффициентом деления [101, 102]. Например, для формирования частоты 29.4912-106 Гц из ог я-Ю-Ю (рад/сек) возможны коэффициенты R=100, N=294.912 т.е.:
Таким образом, выигрыш по шумам составит 9216/294=31 раз.Однако дробные делители, которые используют принцип дельта-сигма модуляции (ДСМ), генерируют помехи дробности, которые мешают достичь предельного выигрыша по шумам. Известно [25], что спектральная плотность помех дробности, обусловленная квантованием по уровню в дельта-сигма модуляторе определяется выражением:где for - частота опорного сигнала, пдсм - порядок дельта-сигма модулятора.Для частот f « for предельное значение sin(x) x при х—»0. Следовательно выражение (2.43) упрощается:Рис. 2.6. Блок схема формирования сигналов дробностей на основе дельта-сигма модулятора третьего порядка
Эквивалентная точка приложения шумов дробности - это вход ЧФД, таким образом, вклад S в спектр выходного сигнала ИФАПЧ можно вычислить по формуле
Где ОзО1) передаточная функция замкнутой системы ИФАПЧ. Из выражения (2.45) следует: чтобы спектральная плотность S (f) на частотах fcспадала, необходимо, чтобы порядок системы ИФАПЧ был выше порядка дель та-сигма модулятора.
Выражения (2.43), (2.44) представляют шумовую модель дробных делителей. Далее рассмотрим детерминированную модель помех дробных делителей, спроектированных на основе дельта-сигма модуляторов с применением накапливающих сумматоров. На основе структурной схемы дельта-сигма модулятора третьего порядка (рис. 2.6) [21] можно записать систему разностных уравнений:где: kod - число от 1 до т, поступающее на Iй накапливающий сумматор, СІ(К) - состояние іго накапливающего сумматора в Ки момент времени, [X](mod m) - операция вычисления X по модулю т.
В некоторые моменты времени Kj, когда происходит переполнение накапливающих сумматоров Ci(Kj), с них через линии задержки поступают сигналы управления на делитель частоты ИФАПЧ и меняют его значение Nk- В соответствии с (2.43), (2.45), (2.46) и рис. 2.6, разработана программа (см. приложение 1) расчета помех дробности делителей по двум моделям: импульсной и детерминированной. Некоторые результаты расчетов представлены на рис. 2.7.
Сравнительная оценка эффективности специальных методов уменьшения времени перестройки по частоте СЧ-ИФАПЧ
Возникающие на практике трудности реализации теоретически оптимальных систем ИФАПЧ [29] привели к интенсивному развитию методов проектирования систем, простых в аппаратурной реализации, но в тоже время достигающих более высоких качественных показателей, чем системы, спроектированные обычными, традиционными методами. В этих квазиоптимальных системах, изменяя условия протекания процесса перестройки частоты, можно влиять на его характер, изменять его, приспосабливать к своим целям. Это вмешательство в ход процесса перестройки, изменение хода перестройки и определяет собой сущность управления частотой ГУН в системе ИФАПЧ. Процесс управления разбивается во времени на некоторое количество последовательных шагов, причем решение, принимаемое на каком-либо шаге, зависит от результатов выполнения решения предыдущего шага. Теоретически обоснованный выбор и расчет параметров подобных устройств, является актуальной задачей, в решении которой пока делаются первые попытки [28]. В данной главе диссертационной работы рассматриваются основные понятия и применения систем ИФАПЧ, при построении которых используются принципы адаптации, переменного демпфирования, многошаговые процессы принятия решения. Проведение всесторонних исследований механизмов ускоренного протекания переходных процессов при перестройке рабочей частоты направлено, прежде всего, для расширения функциональных возможностей од-нокольцевых СЧ-ИФАПЧ и упрощения их аппаратурной реализации на современной элементной базе [107]. Это подразумевает объединение первой и второй групп способов повышения быстродействия синтезаторов при сохранении приемлемого качества выходного сигнала, т.е. предлагается не ограничиваться применением дробно-переменного делителя в системе ИФАПЧ, а придать этой системе свойства, предопределенные применением механизмов ускорения из второй группы. Это позволяет значительно приблизить быстродействие подобных СЧ-ИФАПЧ к скорости перестройки цифровых вычислительных синтезаторов ЦВС при существенно лучшем качестве выходного сигнала [35].
Целью диссертационных исследований, проводимых в этой главе с позиций современной теории управления, является выработка методов и рекомендаций по разработке однокольцевых малошумящих синтезаторов на основе астатических систем ИФАПЧ с высоким быстродействием.
В синтезаторах частот, использующих технологию ИФАПЧ с «большими» (октава и более) диапазонами перестройки по частоте, в начале переходного процесса возникает так называемый режим «биений». Этот режим характерен тем, что фазовое рассогласование сигналов на выходе частотно-фазового детектора с тремя состояниями и ЗН, используемого в ИФАПЧ, больше 2п. Применение дробных делителей с переменным коэффициентом деления ДДПКД в астатической системе ИФАПЧ с частотно-фазовым пропорциональ но-интегральным регулированием приводит к увеличению длительностей переходного процесса в режиме «биений» и доля времени существования этого нежелательного эффекта в общем времени переходного процесса зачастую становится недопустимо высокой. Для уменьшения времени протекания этого явления, а так же уменьшения общего времени переходного процесса в СЧ производителями однокристальных интегральных микросхем СЧ-ИФАПЧ предлагается ряд режимов, связанных с коммутацией некоторых параметров и элементов, находящихся как внутри этих микросхем (делители и ЗН), так и находящихся снаружи (ФНЧ). При ускоренном режиме перестройки СЧ-ИФАПЧ по частоте согласно предложениям фирм производителей необходимо осуществлять [45]:1. Увеличение выходного тока заряда или разряда зарядовой накачки ЗН, поступающего на вход корректирующего фильтра нижних частот ФНЧ, возможное уменьшение коэффициентов деления делителей частоты как опорного сигнала, так и сигнала в обратной связи цепи ИФАПЧ, и уменьшение постоянных времени в ФНЧ (в микросхемах СЧ-ИФАПЧ типа ADF4153, ADF4193, LMX2306/16/26, LMX2470 этот режим ускорения переходного процесса полу-чил название "Быстрый захват").2. Использование механизма увеличения выходного тока заряда и разряда отдельных пропорциональной и интегральной зарядовых накачек наряду с повышением основного тока накачки в ускоренном режиме перестройки частоты (в микросхемах SA8016/8026/8028 этот форсированный режим носит название "Режим с двумя токами накачки").3. Увеличение значения коэффициента деления ДДПКД наряду с уменьшением величины частоты сравнения FR и повышением тока накачки ЗН на время переходного процесса при смене частот (в микросхеме LMX2470 этот механизм ускорения называется режимом "Подавление режима скольжения").
В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют публикации, в которых бы детально исследовалось качество переходных процессов в системе ИФАПЧ с изложенными выше механизмами ускоренного их протекания и эле ментами коммутации. Так, в работе [30] определяется время переходного процесса в астатической системе ИФАПЧ третьего порядка с режимом "биений", но без элементов коммутации. В публикации [31] находится оптимальное время переходного процесса только для линейной непрерывной модели астатической системы ИФАПЧ третьего порядка с некоторыми режимами ускорения. Для исследования в этой работе использовалась лишь линейная непрерывная модель системы ИФАПЧ и остался необоснованным учет влияния дискретизации в процессе автоподстройки поскольку синтезаторы частот СЧ-ИФАПЧ представляют собой по существу дискретную нелинейную систему автоматического регулирования.
Целью настоящей диссертационной работы является нахождение минимального времени переходного процесса в нелинейной системе ИФАПЧ третьего порядка с режимами ускорения, определенными выше, а так же нахождение вътигрышей от реализации режимов ускорений. Поэтому для решения конкретных задач в процессе исследования необходимо также учитывать периодический характер нелинейности характеристики ЧФД с трёхпозиционными выходными сигналами и переменного периода регулирования в переходном режиме [30,31].На рис. 3.1 приведена структурная схема СЧ-ИФАПЧ с коммутацией некоторых параметров и элементов структуры. К традиционным элементам контура таким как делитель частоты опорного сигнала ДФКД, делитель частоты с дробно-переменным коэффициентом деления ДДПКД, частотно-фазовый детектор ЧФД с ЗН, корректирующий ФНЧ с элементами Cj, Ri, С2; ГУН, моделируемый сумматором и усилительно-интегрирующим элементом Spyjj/s; добавлены следующие элементы: таймер - устройство, запускаемое от переднего фронта сигнала U(t), задающее интервал времени ускорения tk, управляющее делителями ДФКД и ДДПКД, а также устройствами Ki(t), K2(t) и ключом КЛ. Напряжение U(t) в начале переходного процесса представляет собой единичную функцию с уровнем амплитуды UM, определяющим диапазон перестройки ГУН ЛГгун= гунв -fr-yii ii=Sryn -им(где: fry„ в - верхняя частота перестройки ГУН, fpyjj н - нижняя частота перестройки ГУН). Устройства Ki(t), K2(t) - усилители тока с выхода соответствующих зарядовых накачек, а КЛ - ключ, замкнутый на время ускорения tk и подключающий R.2 параллельно к Ri.Рис. 3.1. Обобщенная структурная схема СЧ-ИФАПЧ для различных механизмов ускорения переходных процессовНа рис. 3.1 также приняты следующие обозначения: ФоОО, Фи(0, ФГУНОО - фазы сигналов с ДФКД, ДДПКД и ГУН соответственно. N - целое значение дробного коэффициента деления ДДПКД.F((pE)=F 0(t) N(t)) - нелинейная функция, характеризующая функционирование ЧФД и показанная на рис. 3.2, на котором ім - максимальное значение тока ЧФД, ii(t), i2(t) -токи "накачки" для ФНЧ, как правило увеличенные в режиме ускорения.
Практическая реализация синтезаторов частот и результаты экспериментальных исследований
Практической реализацией диссертационных исследований явилось соз7 дание СЧ-ИФАПЧ для высокоскоростной телекоммуникационной системы передачи информации. Спецификация таких систем накладывает очень жёсткие требования на спектральные характеристики выходного сигнала синтезатора, он должен иметь малый уровень фазового шума, широкий диапазон рабочих частот, а также небольшие массогабаритные размеры.
В таблице 5.1 приведены основные характеристики синтезатора для систем телекоммуникации [108].
Из таблицы 5.1 видно, что к СЧ-ИФАПЧ в случае его применения в высокоскоростных системах передачи информации предъявляются весьма серьезные требования по уровню спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала
Поскольку важнейшим условием для достижения указанных выше уровней спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала является использование высококачественного ГУН, в системе нелинейного моделирования ADS2002 был исследован генератор, управляемый напряжением, обеспечивающий необходимое перекрытие по частоте, резонансная система которого строится на основе высокодобротного керамического коаксиального резонатора (см. рис. 5.1.). Результатом моделирования является шумовой профиль этого ГУН (см. рис. 5.2.) по которому можно судить о целесообразности использования этого генератора в разрабатываемом СЧ-ИФАПЧ.
Далее, используя разработанный пакет программ (см. приложение 1, 2),был исследован СЧ-ИФАПЧ в целом, с целью моделирования СПМ фазовых шумов выгодного сигнала синтезатора и подтверждения правильности пути проектирования.
На рис. 5.3 представлен результат расчета программы (см. приложение 1, 2) в виде шумового профиля сигнала с частотой 2.2 ГГц (центральная частота диапазона рабочих частот синтезатора) на выходе СЧ-ИФАПЧ. Из графика видно, что требования по уровню СПМ фазовых шумов при различных отстройках от несущей выполняются и даже имеется небольшой технологический запас, необходимый для компенсации неточности моделирования.
Последующим этапом явился поиск схемотехнических решений построения синтезатора частот с целью обеспечения также и производственного запаса по требуемым параметрам.
Разработанная принципиальная электрическая схема СЧ-ИФАПЧ представлена на рис. 5.4. В соответствии с ней была составлена топология печатной платы синтезатора в массогабаритных размерах указанных в таблице 5.1.После сборки синтезатора были отработаны основные электрические параметры, внесены корректировки в номиналы используемых элементов и проведены успешные испытания в различных климатических условиях.
Окончательное тестирования построенного СЧ-ИФАПЧ проводилось прибором Е4443А, который помимо функций анализатора спектра может строить шумовой профиль сигнала и измерять спектральную плотность мощности фазовых шумов при различных отстройках от несущей.Рис. 5.5. Данные по шумам при отстройке на 1 кГц от несущей: а) спектр сигнала с частотой 2,179 ГГц; б) спектр сигнала с частотой 2,191 ГГц; в) спектр сигнала с частотой 2,2 ГГц; г) спектр сигнала с частотой 2,26 ГГц.
Рис. 5.5 отображает спектральные характеристики сигналов из рабочего диапазона синтезатора с частотами: а) 2179 ГГц; б) 2.191 ГГц; в) 2.2 ГГц и г) 2.26 ГГц. Из предварительного анализа спектрограмм сигналов видно, что при отстройке 1 кГц от несущей СПМ фазовых шумов составляет порядка 80 дБн/Гц, что очень близко к требуемому значению. Однако для точной оценки уровня фазовых шумов используется функция прибора Е4443А «Phase Noise Measurement function». Результаты измерений приведены на рис. 5.6 для граничных и центральной частот диапазона работы синтезатора.
Окончательный анализ всего процесса моделирования и проектирования СЧ-ИФАПЧ, а так же результаты измерений, полностью (а в точке 1 кГц даже с большим запасом) соответствующие требованиям, позволяют судить о пра7 вильности пути построения синтезатора на основе системы ИФАПЧ с частотно-фазовым регулированием и высокой точности разработанного пакета программ моделирования. Фотография СЧ-ИФАПЧ представлена на рис. 5.7.
