Подавление шумов синтезатора частот с рандомизацией моментов переключения делителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Толкачев Павел Анатольевич

• Толкачев Павел Анатольевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Толкачев Павел Анатольевич

Введение

Глава 1. Принципы построения синтезаторов частот и пути улучшения их характеристик

1.1. Методы и направления построения синтезаторов частот

1.2. Сравнение синтезаторов частот цифрового и косвенного синтеза

1.3. Основные параметры синтезаторов частот

1.4. Обоснование путей повышения динамических параметров и чистоты спектра выходного сигнала синтезатора частот

1.5. Основные узлы синтезаторов частот и их характеристики

1.6. Исследование импульсного частотно-фазового детектора с тремя состояниями

1.7. Управляемый генератор

1.8. Делители частоты

1.9. Фильтр нижних частот

1.10. Сигма-дельта модулятор

1.10.1. Анализ работы сигма-дельта модулятора в частотной области. Линейная модель сигма-дельта-модулятора

1.10.2. Моделирование сигма-дельта модулятора

Выводы по первой главе

Глава 2. Исследование чистоты спектра систем частотного синтеза на основе импульсно-фазовой автоподстройки частоты

2.1. Математическая модель фазовых шумов автогенераторов

2.2. Побочные спектральные составляющие, возникающие при работе делителей частоты

2.3. Математическая модель преобразования фазовых шумов в системе импульсно-фазовой автоподстройки частоты

2.4. Математическая модель расчета паразитных фазовых флуктуаций в синтезаторе частот с сигма-дельта модулятором

Выводы по второй главе

Глава 3. Методы борьбы с помехами дробности в синтезаторах частот косвенного синтеза

3.1. Математическая оптимизация систем синтеза частот на основе ИФАПЧ

3.2. Причины возникновения шумов дробности и методы их устранения

3.3. Метод компенсации фазовой ошибки

3.4. Метод переключения коэффициента деления случайным образом

3.5. Имитационное моделирование синтезатора частоты

Выводы по третьей главе

Глава 4. Динамические характеристики синтезаторов частот с фазовой автоподстройкой частоты

4.1 Переходные процессы в синтезаторах частот с системой фазовой автоподстройки частоты

4.2. Способы увеличения быстродействия СЧ

4.3. Определение динамических характеристик синтезатора частоты

Выводы по четвертой главе

Глава 5. Методические рекомендации при проектировании синтезаторов частот. Разработка и экспериментальное исследование синтезатора частоты

5.1. Методические рекомендации по проектированию

синтезаторов частот с сигма-дельта модулятором

5.2. Практическая реализация методических рекомендаций

5.3. Метрологическое обеспечение

5.3. Макетирование и исследования синтезатора частот

5.4.1. Реализация синтезатора частот

5.5. Заключение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Свидетельство

Приложение 2. Принципиальные схемы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Подавление шумов синтезатора частот с рандомизацией моментов переключения делителя»

Введение

Актуальность диссертации. Техника синтеза частот - одно из наиболее быстро развивающихся направлений радиотехники. Современными системами освоен обширный диапазон частот от единиц герц до десятков гигагерц. Широкое распространение мобильных средств радиосвязи, систем радиотехнических измерений, радиолокации, радионавигации привело к усовершенствованию систем синхронизации за счет конструктивных и технологических решений.

Техника и теория синтеза стабильных частот приобретает особое значение при повышении требований к динамическим процессам (устойчивость, переходные процессы) с одновременным достижением повышенных показателей точности с помощью известных практических решений, предназначенных для уменьшения уровня фазовых шумов в спектре выходного сигнала. В связи с этим необходимо искать более рациональные методы построения синтезаторов частот (СЧ), способных обеспечить высокое качество выходного сигнала.

Неизбежным спутником работы всех радиоэлектронных устройств является наличие различных шумов, имеющих как внутреннюю (работа радиоэлементов), так и внешнюю (помехи или наводки) природу. Существует большое количество методов, которые позволяют как улучшить отношение сигнал/шум на выходе СЧ, так и подавить определенную спектральную составляющую в выходном сигнале. Универсальность имеющихся методов зачастую не позволяет учитывать специфику конкретных классов СЧ, что снижает эффективность их использования.

Значительный вклад в исследование различных видов фазовых флуктуаций, в том числе и в системах, использующих принцип импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ), внесли: В.Н. Белых, В.Н. Малиновский, А.В. Пестряков, Г. Н. Прохладин, В.А. Левин, Л.А. Белов, Л.Н. Казаков, Н.М. Тихомиров, Н.Н. Удалов, Д.Н. Шапиро, В.В. Шахгильдян, Б.И. Шахтарин, В.В. Сизых, А.И. Козлов, В.Н. Антипов и другие. За рубежом синтезаторы частот исследовали Д. Кёсслер, Р.Е. Бест, В. Ф. Кроупа, Д.А. Кроуфорд, Д.С. Кэнди, В. Лисон, В. Манасевич. Необ-

ходимо отметить вклад научной школы концерна «Созвездие» (г. Воронеж). Особую благодарность за помощь в проведении диссертационных исследованиях автор выражает доктору технических наук профессору, профессору кафедры автономных информационных систем МГТУ им. Н.Э. Баумана Шахтарину Борису Ильичу.

Опубликовано много работ, направленных на исследование систем частотного синтеза, предлагающих различные пути повышения качества выходного сигнала как для общих, так и для конкретных способов построения СЧ.

С целью подавления помех, образованных работой делителя частоты с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), в синтезаторах частот (СЧ) на базе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в последнее время, в зарубежных интегральных схемах используется принципиально новая схема подавления, в состав которой включен сигма-дельта модулятор как устройство управления делителем частоты. Встречаются упоминания о применении сигма-дельта модулятора (СДМ) в составе СЧ в зарубежных литературных источниках, но в отечественной литературе, до настоящего времени, в полной мере не рассмотрены. Работы Колесникова И.И. [1], а также авторского коллектива концерна «Созвездие» посвящены, в основном, исследованию линейной структуры СДМ, и в малой степени затрагивают каскадный тип СДМ.

В диссертационной работе проводится исследование работы алгоритмической компенсации помех дробности с использованием СДМ каскадного типа в качестве устройства управления переключением коэффициента деления ДДПКД. Рандомизация переключения коэффициента деления позволяет снижать уровень первой боковой гармоники в выходном сигнале СЧ. В то же время свойство перераспределения фазовых шумов СДМ каскадного типа позволяет переносить энергию шумов дробности в область более высоких частот. Структура СДМ каскадного типа проще, чем структура устройств формирования кода управления, а сглаживание линии спектра выходного сигнала значительно повышает электросовместимость устройств синтеза частот при проектировании комплексных систем.

Таким образом, на сегодняшний день достаточно мало эффективных, научно обоснованных методов подавления шумов СЧ косвенного синтеза, образованных

работой ДДПКД, методов оптимизации параметров и характеристик СЧ, направленных на повышение его статических характеристик.

Тема диссертационной работы, посвященная подавлению шумов дробности СЧ с рандомизацией моментов переключения коэффициентов деления делителей частоты (ДЧ), является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов, моделей и алгоритмов подавления паразитных спектральных составляющих в выходном сигнале СЧ, обеспечивающих возможность повышения качества статических характеристик синтезируемых сигналов, используемых в перспективных системах радиолокации и радионавигации.

Предметом исследования является СЧ косвенного синтеза, содержащий делитель с дробно-переменным коэффициентом деления в петле обратной связи (ОС) системы фазовой автоподстройки частоты с сигма-дельта модулятором.

Объектом исследования математические и имитационные модели СЧ, их динамические и статистические характеристики.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка методов подавления паразитных спектральных составляющих, образованных работой делителя с дробно-переменным коэффициентом деления в составе синтезатора частот.

2. Исследование реализуемости алгоритмов рационального переключения коэффициентов деления при проектировании СЧ в среде Simulink.

3. Анализ характеристик моделей СЧ с учетом порядка используемого в его составе сигма-дельта модулятора.

4. Практическая реализация модели СЧ, исследование его основных параметров и выработка практических рекомендаций по построению СЧ.

5. Проведение экспериментальных исследований и анализ результатов на основе разработанного макета СЧ.

Методы исследований

Решение вышеперечисленных задач осуществлялось с использованием методов системного анализа, средств имитационного и аналитического моделирования, теории автоматического управления, теории обработки сигналов, методик проведения экспериментальных исследований с использованием высокоточного оборудования.

Математические расчеты и моделирование проводились с использованием программных сред Matlab и Simulink, а проектирование - с использованием среды автоматизированного проектирования Mentor graphics.

Научная новизна

1. Предложен СЧ с корректирующим звеном, позволяющим уменьшить уровень шумов дробности. Уменьшение шумов дробности происходит за счет рационального программирования коэффициента деления и перераспределения энергии помехи дробности в область более высоких частот.

2. Предложен алгоритм структурно-параметрического синтеза СЧ, позволяющие разрабатывать СЧ с корректирующим звеном. Отличием предложенного алгоритма является возможность его применения в случае использования различных видов корректирующих звеньев.

3. Получена модель оценки паразитных фазовых флуктуаций в выходном сигнале СЧ, позволяющая оценивать шумы в выходном сигнале на этапе выбора элементной базы.

4. Получено экспериментальное подтверждение теоретического обоснования механизма работы СЧ с СДМ. Сделан вывод о целесообразности применения 3-го порядка СДМ.

5. Разработана программа для ЭВМ «Программа для вычисления спектра плотности мощности на выходе однокольцевого синтезатора частот с рандомизацией моментов переключения делителя» [приложение 1].

Практическая ценность работы

1. Предложенные в диссертационной работе модели и алгоритмы позволяют оценить основные спектральные характеристики выходного сигнала СЧ с учетом

звеньев подавления шумов дробности. Результаты исследования могут составить основу при проектировании специальных СЧ, предназначенных для использования в перспективных устройствах радиолокации и радионавигации.

2. Разработанные имитационные модели СЧ с ДДПКД в цепи ОС, использующие СДМ третьего порядка, позволяют оптимизировать структуру и рассчитать параметры СЧ с учетом алгоритма компенсации помех дробности.

3. Полученные модели СЧ позволяют проводить анализ статических и динамических характеристик с учетом внедрения алгоритмов коррекции.

4. Разработана и рассчитана схема электрическая принципиальная СЧ на быстродействующих радиокомпонентах.

5. Полученные результаты позволили сформулировать предложения по повышению эффективности перспективных систем, использующих СЧ.

6. Результаты диссертационной работы использованы в НИОКР по созданию перспективной техники, проводимый в АО концерн «Созвездие».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработан метод оценки шумов в выходном сигнале СЧ, позволяющий оценивать шумы на этапе выбора элементной базы [2,3].

2. Показана целесообразность применения в СЧ косвенного синтеза СДМ каскадной структуры 3-го порядка, что позволяет наилучшим образом перераспределять мощность шумов квантования [4].

3. Показано что, применение СДМ в составе СЧ косвенного синтеза с ДДПКД позволяет уменьшить уровень шумов дробности на величину до 8 дБ [5,6].

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов диссертационных исследований определяется корректностью исходных данных и правильностью использования математического аппарата. Основные результаты, полученные с помощью имитационного и математического моделирования, проверены экспериментально.

Апробации работы и публикации

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях:

1. 2-ая Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования: гипотезы, проблемы и результаты» (16 - 18 марта 2016, г. Дедовск);

2. Международная научно-практическая конференция «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения» (16 июня 2016, г. Дедовск);

3. 5-ая Всероссийская конференция «Радиоэлектронные средства получения, обработки и визуализации информации» (26-28 октября 2016, г. Москва);

4. Всероссийская конференция «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий» (25 - 27 мая 2016 г. Москва);

5. 10-ая Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» (21-23 ноября 2016 г. Москва);

6. Всероссийская конференция «Радиоэлектронные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий» (27 - 31 мая 2019 г. Москва).

Публикации по теме работы

Основные результаты диссертации опубликованы автором в 13 научных работах [2-14], из них 7 [2-8] статей в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы,

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и 2 приложений, содержит 143 страницы, включая приложения (4 стр.), 95 иллюстраций, 5 таблиц.

Внедрение результатов диссертации

Результаты диссертационного исследования внедрены в НИОКР по созданию перспективной техники радиосвязи, проводимые в концерне АО «Концерн «Созвездие».

Личный вклад автора

Основные результаты диссертационных исследований получены лично автором.

Глава 1. Принципы построения синтезаторов частот и пути улучшения

их характеристик

1.1. Методы и направления построения синтезаторов частот

В различных источниках даются различные определения того, что принято называть синтезом частот. В данной диссертационной работе синтезатором частот будем считать устройство, позволяющее образовать гармоническое выходное колебание /в из входного колебания /вх при условии, что относительные нестабильности частот у этих колебаний одинаковые [7].

=£, (1.1)

Л^вх /вх

где Л^в и Л^вх - приращения (за время Л^ мгновенных фаз соответственно входного и выходного колебаний.

Основная область применения СЧ - радиопередатчики, радиоприемники, частотомеры, испытательные генераторы сигналов, устройства, в которых требуется высокая стабильность выбранной частоты и настройка на разные частоты в широком диапазоне [15-20]. Перестройка частоты может быть использована, например, для отстройки от помех при перегрузке данного частотного диапазона [16]. Необходимость перестройки частоты может быть связана с некоторыми специфическими особенностями применяемой аппаратуры [21].

На сегодняшний день существуют три основных метода построения СЧ:

- метод прямого цифрового синтеза,

- метод косвенного синтеза,

- метод комбинированного синтеза.

Все схемы СЧ, спроектированные по методу косвенного синтеза частот, можно условно разделить на две разновидности:

- с суммированием-вычитанием частоты в петле обратной связи,

- с делением частоты в петле обратной связи.

Для СВЧ диапазона принято выделять три основных направления построения СВЧ синтезаторов частот.

- использование в качестве основы СЧ метрового диапазона с последующим умножением выходной частоты, что приводит к повышению уровня паразитных шумов в спектре сигнала.

- суммирование частоты выходного высокостабильного СВЧ генератора с частотой колебания СЧ метровых и дециметровых волн.

- использование СВЧ генератора в качестве управляемого генератора, подстройка по частоте которого, осуществляется при помощи системы ФАПЧ.

Наиболее перспективными в настоящее время являются СЧ на основе активного косвенного синтеза с использованием системы ФАПЧ и делением частоты в петле обратной связи. Способы деления частоты также различны, существуют два основных вида делителей: делитель с постоянным коэффициентом деления (ДПКД) и делитель с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД).

Классификация методов косвенного синтеза частот приведена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1. Классификация методов косвенного синтеза

Каждый из представленный на рисунке 1.1. методов косвенного синтеза частот обладает своими достоинствами и недостатками, а выбор метода построения напрямую зависит от основных требований, предъявляемых к СЧ.

1.2. Сравнение синтезаторов частот цифрового и косвенного синтеза

В настоящее время большую популярность приобретают цифровые синтезаторы частот, которые, в отличии от синтезаторов частот аналогового или даже смешанного типа, используют только цифровую обработку для получения требуемых параметров выходного сигнала. Принцип формирования выходного сигнала достаточно прост, но в тоже время ограничен скоростью генерации цифрового сигнала посредством цифрового интерфейса. Основным условием, делающим невозможность применения цифровых СЧ в СВЧ диапазоне, является наличие больших искажений сигнала на сверхвысоких частотах. Уменьшение частотного диапазона в области верхних частот происходит в соответствии с теоремой Котельникова, накладывающей ограничение на выходной сигнал, частота которого теоретически не может превышать половины тактовой. На практике же для получения сигнала приемлемого качества частота выходного сигнала не должна превышать четверти частоты сигнала опорного генератора.

Одной из основных причин высокого количества нежелательных спектральных составляющих в спектре выходного сигнала СЧ является качество работы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). При этом возможность применения традиционных методов борьбы с такими шумами затруднительна, что объясняется не столько случайностью их генераций на комбинационных частотах, сколько непредсказуемостью их амплитуды.

Использование всевозможных методов повышения качества выходного сигнала как аппаратных, так и программных, позволяют бороться за качество выходного сигнала, но не позволяют обойти фундаментальный принцип теоремы Котель-

никова. Аппаратные методы обычно основаны на переносе сигнала цифрового синтезатора вверх по частоте и его последующем делении [35]. Программные методы основываются на подавлении детерминированной выборки побочных искажений СЧ, что позволяет сдвигать, а затем и отфильтровывать их на каждой конкретной частоте СЧ. Эффективность метода снижается пропорционально порядку искажений.

1.3. Основные параметры синтезаторов частот

Основными требованиями, предъявляемыми к СЧ, являются:

- показатели частоты (шаг сетки частот и диапазон выходных частот) выходного колебания,

- показатели чистоты спектра (отношение сигнал-помеха, паразитные отклонения фазы (ПОФ), частоты (ПОЧ) и амплитуды (ПОА)) выходного колебания,

- точность установки частоты,

- долговременная стабильность частоты,

- уровни побочных дискретных спектральных составляющих в спектре выходного сигнала СЧ,

- время установления выходной частоты,

- устойчивость к изменению напряжения источника питания,

- выходное напряжение на заданном сопротивлении нагрузки,

- рабочий диапазон температур,

- внешние условия среды,

- интерфейс,

- исходные напряжения первичных источников питания,

- потребляемая мощность,

- масса-габаритные показатели,

- гарантированный срок службы,

- себестоимость устройства.

Исполнение перечисленных выше требований не под силу системам, построенным широко известными методами. Из практического опыта ясно, что требования, предъявляемые заказчиками к проектируемому СЧ, определяются спецификой их использования и условиями эксплуатации. Часто встречающимися требованиями являются требования по уменьшению паразитных фазовых флуктуаций, увеличению скорости перестройки, уменьшению шага сетки частот, и т. д. Зачастую эти требования могут противоречить друг другу и быть взаимно исключающими.

1.4. Обоснование путей повышения динамических параметров и чистоты спектра выходного сигнала синтезатора частот

В работах [41-50] указаны принципиальные проблемы в создании перспективных систем синтеза частот на основе импульсной ФАПЧ (ИФАПЧ) и обозначены основные пути преодоления основного противоречия - «одновременное обеспечение высокого быстродействия и спектральной чистоты генерируемых колебаний при заданном шаге сетки выходных частот». [44]

В частности, сделан вывод о том, что разрешение приведенного выше противоречия в системе ИФАПЧ можно достичь, используя два основных подхода. Первый - повышать частоту сравнения частотно-фазового детектора (частоты дискретизации в системе ИФАПЧ) при удержании заданного шага перестройки частот. При этом обычно происходит усложнение базовой структуры устройства. Второй подход - «увеличение быстродействия системы ИФАПЧ с сохранением равенства частоты сравнения в детекторе и шагу сетки частот» [47]. Также возможно комбинировать приведенные подходы.

Повышение частоты сравнения в частотно-фазовом детекторе (ЧФД) является одним из наиболее эффективных способов повышения быстродействия системы на основе ИФАПЧ. Следует также обозначить следующий способ: использование схем с делителем с дробно-переменным коэффициентом деления (ДДПКД), они позволяют иметь высокую частоту сравнения на фазовом детекторе

и при этом получать шаг сетки частот меньше частоты сравнения на величину дробной части ДДПКД.

Использование в качестве управления коэффициентом деления схем СДМ позволяет перераспределить энергию шумов дробности в области низких частот, что дает возможность применять более широкополосные ФНЧ, позволяющие проектировать СЧ с высоким быстродействием. Увеличение мощности помехи в области высоких частот фильтруется с помощью правильного выбора крутизны спада АЧХ ФНЧ. Расстояние между гармониками помех дробности будет определяется величиной шага сетки частот.

Следует обратить внимание, что на степень перераспределения энергии помех дробности в выходном спектре сигнала можно влиять выбором порядка СДМ.

Приведенные выше характеристики систем ИФАПЧ с делителями с ДПКД, управляемыми СДМ, открывают широкие перспективы для их изучения и практического применения.

Целочисленный и дробный способ деления частоты в системе ИФАПЧ могут дополнять друг друга. К СЧ на основе ИФАПЧ, использующим как дробные, так и целочисленные делители частоты, применяются различные способы увеличения быстродействия. В то же время, применение в них дробного деления частоты вместо целочисленного, обычно приводит к уменьшению времени переходного процесса (ПП). Это происходит в связи с более высокой частотой сравнения в фазовом детекторе.

Таким образом, применение делителей с дробным коэффициентом деления позволяет значительно повысить быстродействие, так как расширяет полосу пропускания кольца ФАПЧ, но приводит к необходимости подавления паразитных импульсов в спектре выходного сигнала СЧ, образованных работой делителя.

Совершенствование систем приемопередающей аппаратуры ведет к значительному ужесточению требований к качественным показателям систем ИФАПЧ.

Разберем существующие методы повышения динамических характеристик ИФАПЧ с управляемыми цифровыми делителями частоты в цепи обратной связи.

Одним из способов повышения быстродействия схем с целочисленными коэффициентами деления является использование алгоритмов аппроксимации номинальных значений выходной частоты. Это достигается использованием делителя как в цепи обратной связи, так и в тракте опорного сигнала.

Возможность увеличения быстродействия таких систем ИФАПЧ ограничена требованиями по точности шага сетки частот и некоторыми оптимальными пределами изменения частоты сравнения. Дополнительным ограничением применимости такого метода, является требование наличия специальных вычислителей коэффициентов деления. Серьезным недостатком этого способа также является низкая точность установки номинальной рабочей частоты.

В схеме ИФАПЧ с делителем частоты ДДПКД, управляемым с помощью модулятора СДМ, коэффициент деления по сигналу с УГ формируется из целочисленной и дробной части. Дробная часть коэффициента деления подается на вход СДМ, а затем на вход суммирующего устройства, где складывается с целочисленной частью. Схема позволяет реализовать шаг сетки частот в несколько раз меньше, чем частота сравнения в детекторе. Получаемое на практике быстродействие составляет десятки микросекунд. Однако, при проектировании таких систем инженер сталкивается с проблемой достоверного расчета их динамических и спектральных характеристик.

1.5. Основные узлы синтезаторов частот и их характеристики

Схемы построения СЧ различны, тем не менее в каждой из них используются типовые узлы.

На рисунке 1.2. приведена структурная схема наиболее простого, одноколь-цевого СЧ на ФАПЧ, в ее состав входят: ДФКД - делитель с фиксированным коэффициентом деления, ДПКД - делитель с переменным коэффициентом деления, Д -детектор, ФНЧ - фильтр нижних частот, УГ - управляемый генератор.

Рис. 1.2. Структурная схема СЧ с ИФАПЧ

На выходе УГ также может устанавливаться буферный каскад с целью снижения влияния выходной нагрузки синтезатора на УГ. Напряжение еуг(1), кроме выхода, также подается на ДДПКД. Частота ^уг может изменяться в зависимости от еупр&) = £ф(0, где напряжение на выходе ФНЧ. Зависимость =

'ФУГ(еупр) принято называть характеристикой управления УГ, часто также исполь-

й^уГ(еупр)

зуется понятие крутизны характеристики управления 5УГ =-.

^-вупр

На вход ДФКД от опорного генератора поступает синусоидальный сигнал f

еОГ(^). Частота - частота сравнения (Яд - коэффициент деления ДФКД). На

вход Д поступают две импульсные последовательности ес(Ь) и е0Ю, разность фаз которых фе = (где те- разность времени подачи ес(€) и е0Ю, Т0 = -1) преоб-

То То

разуется в выходной сигнал еА(£). Определение статической фазовой характеристики дискриминатора производится в стационарном режиме (/0 = ^), усредняя еА(£) во времени, на интервале Т0, находим постоянную составляющую дискриминатора еЛп. = ед.п.(фе).

1.6. Исследование импульсного частотно-фазового детектора с тремя состояниями

ИЧФД предназначены для преобразования разности фаз ,(времен те) импульсов и е0(0, в управляющее напряжение ед(0. ИЧФД имеют то же предназначение, что и ИФД.

На рисунке 1.3. изображена структурная схема ИЧФД3 в ее состав входят: ТТ1, ТТ2 - .О-триггеры, Кл1 и Кл2 - ключи, ГТ1 и ГТ2 - генераторы тока.

Рис.1.3. Структурная схема ИЧФД3 Покажем процессы, протекающие в ИЧФД3.

На рисунке 1.4. изображены диаграммы работы ИЧФД3, находящемся в одном из трех состояний:

ед(0 = £Д, ГТ1 включен,

ед(0 =- ^д, ГТ2 включен,

ед(^ = 0, выключены оба генератора.

Рис.1.4. Диаграммы работы ИЧФД3

Исходя из вышесказанного, в детекторе возможны пять различных режимов работы, (рисунок 1.5.):

• Изменение полярности еА(€) с + на - , при 1п<1< 1п+1 импульсы от-

сутствуют е0 (X) отсутствуют и еД+ = 0

" £^0,£>0

Положительная полярность еА(€) при Тп>Т0, если при 1п<1< 1п+1 импульсы е0(€) появляются и еД+ = 0. Отрицательная полярность едЮ при Тп<Т0,

и > Тп, если при <

t < 1п+1 импульсы е0(1)отсутствуют и еД+ =-Ед

д-

• Отрицательная полярность еА(1) при Тп < Т0, если при Ьп<Ь< Ьп+1 импульсы е0(€) появляются и еД+ =-Ед.

• Изменение полярности импульсов с - на +, если при 1п<1< 1п+1 импульсы е0 (£) появляются более одного раза.

Рис.1.5. Диаграммы режимов работы СЧ с ИЧФД3

Законы изменения сигнала на выходе еА(1) в интервале 1п... 1п+1 и длительности Тп следования импульсов ес(€), представлены в табл. 1.1., где I =

ьа(т«/Тв) + 1.

В таблице 1.1. приведено описание математической модели работы ИЧФД3. Таблица 1.1. Описание работы ИЧФД3

Режим работы Т 1п едЮ/

1. - Тп— тп+1 0

2. - Тп+ тп+1 1(1 - 1Т0 +тп-1)- 1(1 -Тп- 1п)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Толкачев Павел Анатольевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колесников И.И. Цифровая частотная модуляция в системе импульсно-фазовой автоподстройки частоты стереофонического возбудителя ОВЧ диапазона: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук:05.12.13: защищена 07.12.06/ Колесников Игорь Игоревич.- Москва 2006.147с.

2. Толкачёв П.А., Шахтарин Б.И., Качармина Е. Г. Полиномиальная модель расчета уровня шумов в синтезаторах частот // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, Сер. Приборостроение 2018. № 2, С. 41-47. (0,25/0,15 п.л.)

3. Толкачев П.А., Сизых В.В., Стариковский А.И. Модель оценки уровня паразитных фазовых флуктуаций в выходном сигнале синтезатора частот // Российский технологический журнал 2019. Том 2, №7, С. 39-48. (0,45/0,2 п.л.)

4. Толкачев П.А. Причины возникновения и методы борьбы с помехами дробности в синтезаторах частот косвенного типа // Журнал радиоэлектроники, №4, электронный журнал, 2019. (0,25 п.л.)

5. Толкачев П. А. Анализ работы сигма-дельта модулятора // Автоматизация. Современные технологии, № 5, М.: Издательство «Инновационное машиностроение» 2016. С. 38-42. (0,35/0,1 п.л.)

6. Толкачев П.А., Тимофеев А.А., Самохвалов А.А. Моделирование цифрового синтезатора частот с фильтром второго порядка // Автоматизация. Современные технологии, № 8, М.: Издательство «Инновационное машиностроение» 2016. С. 31-35. (0,35 п.л./0,2 п.л.)

7. Толкачев П.А. Методики увеличения качества спектра выходного сигнала для синтезаторов частот косвенного синтеза с делителем с переменным коэффициентом деления // Автоматизация. Современные технологии, № 7, М.: Издательство «Инновационное машиностроение» 2017. С. 309-313. (0,35 п.л.)

8. Толкачёв П.А., Шахтарин Б.И. Модель расчёта шумов в синтезаторах частоты // Автоматизация. Современные технологии, № 3, М.: Издательство «Инновационное машиностроение» 2018. С. 120-127. (0,35 п.л.)

9. Лихоеденко К.П., Толкачев П.А., Шахтарин Б.И. Моделирование цифрового синтезатора частоты // Сборник докладов международной конференции «Радиоэлектроные устройства и системы для инфокоммуникацион-ных технологий» 2016. г. Москва (0,35 п.л./0,15 п.л.)

10. Нэй З.Х., Толкачев П.А. Исследование устройств квантования // Сборник: «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты труды 2-ой международной научно-практической конференции.» 2016. С. 189-190. г. Дедовск (0,2 п.л./0,1 п.л.)

11. Цзян М. Толкачев П.А. Исследование сигма-дельта модулятора // Сборник: «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения труды международной научно-практической конференции.» 2016. С. 8-10. г. Дедовск (0,2 п.л./0,1 п.л.)

12. Лихоеденко К.П., Толкачев П.А., Шахтарин Б.И. Ошибка квантования сигма-дельта модулятора // Сборник: «Пятая всероссийская конференция радиоэлектронные средства получения, обработки и визуализации информации РСПОВИ-2016» 2016. С. 9-11. г. Москва (0,5 п.л./0,2 п.л.)

13. Толкачев П.А., Шахтарин Б.И., Алгоритм оценки шумов в синтезаторе частоты // Сборник докладов международной конференции «Радио-электроные устройства и системы для инфокоммуникационных технологий» 2019. г. Москва (0,5 п.л./0,25 п.л.)

14. Толкачёв П.А., Шахтарин Б.И., Качармина Е. Г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018618208. «программа для вычисления спектра плотности мощности на выходе однокольцевого синтезатора частот с рандомизацией моментов переключения делителя. Дата регистрации в реестре программ для ЭВМ 10 июля 2018г.

15. Шахтарин Б.И., Иванов А.А. Сравнительный анализ цифровых систем синхронизации. - Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2007. № 1. С. 24-38.

16. Шахтарин Б.И., Самохвалов А.А. Квазиоптимальный синтез систем фазовой автоподстройки частоты. - Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2008. №2 1. С. 3-18.

17. Романов С.К., Тихомиров Н.М., Леньшин А.В. Системы импульсно-фа-зовой автоподстройки в устройствах синтеза и стабилизации частот. - М.: Радио и связь, 2010. - 328 с.

18. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. - М.: Радио и связь, 2004.- 210 с.

19. Белов Л.А. Устройства формирования СВЧ-сигналов и их компоненты: учебное пособие. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - 320 с.

20. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. Пер. с англ.; Под ред. А.С. Галина. - М.: Связь, 1979. - 384 с.

21. Шапиро Д.Н., Панин А.А. Основы теории синтеза частот. - М.: Радио и связь, 1981. - 264 с.

22. Казаков Л.Н. Управление переходным процессом в быстродействующем синтезаторе частоты // Радиотехника. - 1986. - №10.- С. 15-18.

23. Тихомиров Н.М., Зародин С.Г., Тихомиров М.Н. Реализация малошу-мящих быстродействующих синтезаторов частот для базовых станций WCDMA стандарта // Синхронизация, формирование и обработка сигналов: Сборник материалов научно-технического семинара. - Ярославль, 2003. - С. 119-122.

24. Гречищев Д.Ю., Шахтарин Б.И. Использование а-5 модуляции в синтезаторах частот на ФАП. - Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2006. № 107. С. 143-156.

25. Шахтарин Б.И. [и др.] Синхронизация в радиосвязи и радионавигации. М: Горячая линия - Телеком, 2011. 256 с

26. Казаков Л.Н. Цифровой синтезатор частоты. А.С 1252939- СССР, МКИ. Н 04 Ь 27/10- 5с.: ил.

27. Казаков Л.Н., Калямин А.Н. Синтезатор частоты. А.С. 1418898- СССР, МКИ. Н 04 Ь 27/10. - 6с.: ил.

28. Казаков Л.Н., Самойло К.А., Смирнов В.Н. Синтезатор частот А.С. 1478328- СССР, МКИ. Н 04 L 27/10. - 5с.: ил.

29. Казаков Л.Н., Калямин А.Н., Смирнов В.Н., Якунин А.В. Устройство подстройки частоты генератора с частотной модуляцией 1525913- СССР, МКИ. Н 04 L 27/10. - 5с.: ил.

30. Казаков Л.Н., Калямин А.Н., Кириллов М.Ю. Устройство автоподстройки частоты генератора с частотной модуляцией. 1566485 СССР, МКИ. Н 04 L 27/10. - 6с.: ил.

31. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. -М.: Радио и связь, 1991. - 264 с.

32. Левин В.А., Черкашин А.А. Методы построения синтезаторов частот в СВЧ диапазоне // Электросвязь. - 2004. - № 2. - С. 45-49.

33. Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки частоты. - М.: Радио и связь, 1989. -232 с.

34. Пестряков А. В. Расчёт спектральных характеристик синтезаторов частот, использующих дискретные кольца ФАПЧ // Электросвязь. - 1986. - № 3. - С. 51-55.

35. Системы фазовой синхронизации с элементами дискретизации. Издание 2-е. / В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Связь, 1989. - 320 с.

36. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. - М.: Связь, 1972. - 448 с.

37. Казаков Л.Н., Кукушкин Д.С., Шабанов А.В. Применение аппарата Марковских процессов для анализа системы коррекции фазы цифрового канала OFDM // Электросвязь. - 2007. - №2. - С. 34-34.

38. Казаков Л.Н., Кукушкин Д.С., Синтез многомерной оптимальной системы коррекции фазы в канале OFDM // Электросвязь. - 2006. - №10. - С. 23-26.

39. Казаков Л.Н., Кукушкин Д.С., Исмаилов А.В. Коррекция фазы несущей OFDM-сигналов в условиях нестационарных замираний // Электросвязь. - 2008. -

№6. - С. 19-23.

40. Бутенко А.А., Гречищев Д.Ю., Шахтарин Б.И. Анализ характеристик синтезаторов частот с ФАП 2-го и 3-го порядка.- Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2006. №2 98. С. 98-107.

41. Шахгильдян В.В., Пестряков А.В. Тенденции развития техники синтеза частот для телекоммуникационных систем и устройств // Электросвязь. - 2003. - № 11. - с 74-78.

42. Левин В.А. Стабилизация дискретного множества частот. - М.: Энергия, 1970. - 328 с.

43. Тихомиров Н.М. Влияние выбора частоты сравнения на спектральные и динамические характеристики дельта-сигма СЧ-ИФАПЧ // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: Сборник материалов научно-технического семинара. - Одесса, 2007. - С. 3-4.

44. Тихомиров Н.М., Тихомиров В.Н., Тихомиров М.Н. Концепция выбора частоты среза астатических импульсных систем ИФАПЧ // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания: Сборник материалов научно-технического семинара. - Одесса, 2007. - С. 7-9.

45. Жабин А.С., Кулешов В.Н., Голубков А.В. Собственные шумы ИЧФД и их влияние на работу синтезатора частот // Вестник МЭИ. - 2011. - № 1. - С. 6068.

46. Жабин А.С., Кулешов В.Н. Экспериментальное исследование фазовых шумов в автогенераторах на КМОП- инверторах // Электросвязь. - 2010. - № 3. - С. 34-37.

47. Жабин А.С. Влияние внутренних шумов и искажений характеристик дискриминаторов на работу синтезатора частот с системой фазовой автоподстройки частоты: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: МЭИ, 2011. - 193 с.

48. Шахгильдян В.В., Пестряков А.В. Перспективные направления развития динамической теории дискретных систем фазовой синхронизации для устройств синтеза и стабилизации частот // Электросвязь. - 1993. - №2 11. - С. 38-42.

49. Казаков Л.Н., Пономарев Н.Ю. Устойчивость импульсной системы фазовой синхронизации с треугольной характеристикой детектора // Электросвязь. -1994. - №8.- С.13-16.

50. Широков Ю.В., Казаков Л.Н. Дискретные связанные системы фазовой синхронизации // Радиоэлектроника. - 1995. - №4.-С.17-26.

51. Палей Д.Э., Казаков Л.Н. Динамика дискретной системы второго порядка с несколькими нелинейностями // Радиоэлектроника. - 1995. - N23. - С. 61-68.

52. Широков Ю.В., Казаков Л.Н. Нелинейная динамика дискретных связанных систем фазовой синхронизации // Радиофизика. - 1995. - №23-4. - С.217-224.

53. Шахтарин Б.И. Иванов А.А. Анализ сигма-дельта модулятора с одной петлёй. - Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2008. № 126. С. 74-86.

54. Казаков Л.Н., Палей Д.Э. Анализ полосы захвата импульсной системы фазовой синхронизации третьего порядка с пилообразной характеристикой детектора // Радиотехника. - 1998. - №1. - С. 29-35.

55. Тихомиров Н.М., Романов С.К. Быстродействие синтезаторов частот с частотной модуляцией // Техника средств связи, Сер. ТРС. - 1984. - №2. 7. - С. 86-91.

56. Шахгильдян В.В., Пестряков А.В., Кабанов А.И. Общие принципы построения быстродействующих синтезаторов частот на основе систем фазовой синхронизации // Электросвязь. - 1983. - №10. - С.36-42.

57. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Марков И.А. Сравнительная оценка коммутационных способов уменьшения времени перестройки СЧ-ИФАПЧ по частоте // Теория и техника радиосвязи: научно-технический сборник. - Воронеж. -2007. - Вып .1. - С.79-88.

58. Черкашин А.А., Удалов Н.Н. Динамические и спектральные характеристики сигма-дельта синтезаторов сигналов с линейной частотной модуляцией // Электросвязь. - 2012. - № 5. - С. 35-38.

59. Пестряков А.В., Лебедев А.Н., Виноградов А.Н. Комплекс мониторинга систем профессиональной мобильной радиосвязи // Электросвязь. - 2005. - №2 6. - С. 14-18.

60. Ли Э.Б., Маркус Л. Основы оптимального управления. Пер. с англ. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. - 1972. - 576 с.

61. 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.

62. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление: учебное пособие. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. - 1979. - 432 с.

63. Михайлов В.С. Теория управления. - К.: Высшая школа. Головное издательство. - 1988. - 312 с.

64. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Советское радио, 1966. - 701 с.

65. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств: учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.

66. Шахтарин Б.И. Фильтры Винера и Калмана. - М.: Гелиос АРВ, 2008. -

408 с.

67. Синтезаторы частот: учебное пособие / Б.И. Шахтарин, Г.Н. Прохла-дин, А.А. Иванов, А.А. Быков и др. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 128 с.

68. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении. Пер. с англ.; Под ред. Ю.Н. Бакаева, М.В. Капранова. - М.: Советское радио, 1978. - 600 с.

69. Ньютон Дж.К., Гулд Л.А., Кайзер Дж.Ф. Теория линейных следящих систем. Пер. с англ.; Под ред. А.М. Летова. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1961. - 409 с.

70. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1970. - 538 с.

71. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. - М.: Наука, 1976. - 576 с.

72. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1972. - 767 с.

73. Косолапова А.В., Сидоркина Ю.А., Шахтарин Б.И. Анализ работы системы фазовой автоподстройки частоты с токовым детектором. - Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2010. № 152. С. 163-168.

74. .P.S. (Paul) Khanna. Microwave Oscillators: The state of the technology // Microwave Journal Vol.49, №4 April, 2006 - P. 22-44.

75. Jun Lee. Phase Locked Loop Systems Design for Wireless Infrastructure Applications // Microwave Journal Vol.53, №5 May, 2010 - P. 74-84.

76. Alexander Chenakin. Building a Microwave Frequency Synthesizer - Part4: Improving Performance. // High Frequency Electronics, August, 2008 - P. 44-51.

77. Dean Banerjee, PLL Performance, Simulation and Design, National Semiconductor, Fourth Edition, 2006.

78. Alexander Chenakin. Frequency Synthesizers: Concept to Product // Artech House. 2011. 218 p.

79. William Reuter. Source and Synthesizer Phase Noise Requirements for QAM Radio Application. / Communication Techniques.

80. Richard van Nee and Ramjee Prasad. OFDM wireless multimedia communications, - (Artech House universal personal communications library), 1999. - 260 c.

81. Heiskala J., Terry J. OFDM Wireless LANs: A Theoretical and Practical Guide. SAMS. 275 p.

82. Ulrich L. Rohde and Ajay K. Poddar. Frequency Generation and Synthesis: Cost-effective & Power efficient Solutions // Microwave Journal Vol.52, №5 May, 2009 - P. 160-182.

83. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits // Application Report. Texas Instruments. 2007. 27 p.

84. Jim Carlini. Practical Developments Using Today Fractional Synthesizers. // High Frequency Electronics, September, 2009 - P. 34-47.

85. Michael H. Perrott, Mitchell D. Trott, Charles G. Sodini A Modeling Approach for D-A Fractional-N Frequency Synthesizers Allowing Straightforward Noise Analysis / IEEE Journal of solid-state Circuits, Vol.37, №28 August, 2002 - P. 1028-1038.

86. M. G. Perrott, T. L. Tewksbury III, and C. G. Sodini, "A 27-mW CMOS fractional-N synthesizer using digital compensation for 2.5-Mb/s GFSK modulation", in IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32, pp. 2048-2059, Dec. 1997.

87. W. Rhee. Multi-bit delta-sigma modulation technique for fractional-N frequency synthesizers. Ph.D. Dissertation. University of Illinois, 2001.

88. M. Perrott, M. Trott, C. Sodini, A Modeling Approach for DAFractional-N Frequency Synthesizers Allowed Straightforward Noise Analysis. IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. 37 no. 8, 2002, pp. 1028-1037.

89. Scott E. Meninger, Michael H. Perrott A Fractional-N Frequency Synthesizer Architecture Utilizing a Mismatch Compensated PFD/DAC Structure for Reduced Quantization-Induced Phase Noise / IEEE Transactions on Circuits and Systems - II; Analog and Digital Signal Processing, Vol.50, № 11, November, 2003. - P.839-849.

90. Yipping Fan. "Model, analyze and simulate ZA fractional-N frequency synthesizers" Microwawes&RF Journal. January 1994. P.22-26.

91. H. Arora, N. Klemmer, J.C. Morizio, P.D. Wolf, Enhanced Noise Modeling of Fractional-N Frequency Synthesizers. IEEE Transactions on Circuits and Systems - I, regular papers, vol. 52, no.2, 2005, pp. 379-395.

92. Jason Breitbarth. Cross Correlation in Phase Noise Analysis // Microwave Journal Vol.54, №2 April, 2011 - P. 78-86.

93. Ulrich Rohde, Ajay Poddar and Anisha Apte. Phase Noise Measurements and System Comparisons // Microwave Journal Vol.56, №4 April, 2013 - P. 22-46.

94. Phase Noise Characterization of Microwave Oscillators // Product Note 11729B-1. Agilent Technologies. 2007. 50 p.

Приложение 1. Свидетельство.

OQ рЭЛрвМ

Форилгл A3

Приложение 2

0Q РЭЛРЭМ

О

■О

Чш—|

"О

Name

PGC 1

PGD 2

MCLR 3

GND 4

Vdd_PIC 5

О

22и 10V

Vin VOUT

GND

ON/OFF 3YPASS

LP2985AIM5-5.0

RC7/RX/DT/SDO RC6TOCK

RD4/SPP4 RC5/D+/VP

RD5/SPP5/P1B RC4&/VM

RD6/SPP6/P1C RD3/SPP3

RD7/SPP7/P10 RD2/SPP2

VSS1 RD1/SPP1

VDD1 RDO/SPPO

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA VUSB

RB1/AN10/INT1/SCK/SGL RC2/CCP1/P1A

RB2/ANWINT2/VMO RCW10SI/CCP2(1)AJ0E~

RB3/AN9/CCP2(1)/VPO NC/ICPORTS(2)

NC/ICCK(2)/ICPGC(2) NC/ICRST~(2)/ICVPP(2)

NC/ICDT(2)/ICPGD(2) RC»T10S0/T13CKI

RB4/AN11/KBIO/CSSPP OSG2/CLKO/RA6

RB5/KBHyPGM OSC1/CLKI

RB6/KBI2/PGC VSS2

RB7/KBI3/PGD VDD2

MCLR-/VPP/RE3 RE2/AN7/OESPP

RA0/AN0 RE17AN6/CK2SPP

RAiyAHl RE0MN5/CK1SPP

RA2/AN2A/REF-/CVREF RA5/AN4iSS~/HLVDIN/C20UT

RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI/C1OUT/RCV

С50 100pF

C4I in

MINI USB 2.0

XS3

C45 | DJuFl

1 +5V

2 [>

3 0+

4 N<C

5 N/C_

6 GND

7 GND

C47 I O.luFl

Лист Ns соку/* Подл. Дата

Medved Co

Лист

3