Бельчиков Дзисяк - Фазовые шумы СК4-Белан-32

Бельчиков С.А., Дзисяк А.Б.
Оптимизация фазового шума в анализаторе спектра СК4-Белан-32
Аннотация – основной задачей данной статьи является рассмотрение способов оптимизации фазовых
шумов в анализаторе спектра. Проведен сравнительный анализ эффективных характеристик фазового
шума различных современных анализаторов спектра и генераторов класса high-end.
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия наблюдается бурный рост цифровых технологий связи,
внедрение и развитие новых скоростных стандартов передачи данных (WLAN, DVB-С, DVB-T,
MMDS, Bluetooth) за счет освоения достаточно сложных способов цифровой модуляции, таких
как, 64QAM, 256QAM, OFDM и т.д. Основная тенденция развития современных технологий
цифровой связи заключается в нахождении более эффективного способа использования
выделенной полосы частот, иными словами, в осуществлении передачи большего объема данных
в более узком спектре [1-7]. Как в случае с цифровой модуляцией типа QAM с большими
индексами (64, 128, 256), так и в случае с ортогональным мультиплексированием множества
несущих (ОFDM) критическим параметром приемо-передающей аппаратуры является фазовый
шум используемых гетеродинов. Фазовый шум источников сигнала (гетеродинов) ограничивает
чувствительность приемных систем, маскирует передаваемую информацию и ухудшает
соотношение сигнал-шум в системах связи. Уровень фазовых шумов гетеродина
радиолокационного приемника определяет минимальный детектируемый уровень отраженного
полезного сигнала, и, следовательно, дальность обнаружения цели всей РЛС [1, 3, 7].
Фазовый шум – это один из важнейших критериев оценки частотной стабильности любого
источника сигнала (генератора), наряду с долговременной и кратковременной стабильностью
частоты сигнала. Для количественной оценки фазового шума сигнала в частотной области обычно
используются спектральная плотность мощности (СПМ) фазовых флуктуаций Sφ в заданной
полосе частот и спектральная плотность мощности фазового шума в одиночной боковой полосе
L (fm). При выполнении правила «малого угла» т.е. при условии, что общая пиковая девиация
фазы оказывается много меньше 1 радиана, L (fm) = ½ Sφ(fm). Величина L (fm) на практике
соотносится со спектральным распределением мощности РЧ сигнала, наблюдаемым на
анализаторе спектра. Согласно определению международного Института Радиоинженеров (IEEE),
спектральная плотность мощности фазовых шумов в одиночной боковой полосе определяется как
отношение спектральной плотности мощности шума на заданной отстройке от несущей в
одиночной боковой полосе, пересчитанная в полосу 1Гц (PSSB), к полной мощности сигнала
(PTOTAL) и, обыкновенно, представляется в децибелах относительно уровня несущей (дБн/Гц).
Для оценки кратковременной стабильности частоты источника сигнала используют также
2
спектральную плотность мощности частотных флуктуаций SΔf(fm): Sφ(fm)= SΔf(fm)/ fm [1, 3].
В цифровых системах связи для оценки стабильности источников тактовой частоты используется
понятие джиттера Δτ. Между джиттером во временной области и СПМ флуктуаций фазы
существует взаимосвязь:
[1, 3, 7].
Измерительная аппаратура, которая используется при производстве современных
цифровых и аналоговых приемников и передатчиков, должна удовлетворять жестким
требованиям по фазовому шуму. В первую очередь, эти требования относятся к синтезированным
генераторам и анализаторам спектра, которые в качестве гетеродинов также используют
перестраиваемые синтезированные генераторы. Параметры хороших и сверхнизких фазовых
шумов для современной измерительной аппаратуры приведены в таблице 1.
Таблица 1 – СПМ фазовых шумов современной измерительной техники
Частота
СПМ фазового шума, дБн/Гц
отстройка
100
Гц
отстройка
1 кГц
отстройка 10 кГц отстройка 100 кГц
сигнала
Хороший уровень фазовых шумов
(генераторы Anritsu MG369xB, Agilent PSG, Rohde & Schwarz SMF100A, анализаторы спектра
Agilent PSA, 8560EC, Advantest R3273, Rohde & Schwarz FSEM30/FSEK30/ESIB26/ESIB40)
Частота 4 ГГц
-(90…95)
-(110…115)
-(118…120)
-(120…125)
Частота 10 ГГц -(85…90)
-(105…110)
-(110…115)
-(118…123)
Сверхнизкий уровень фазовых шумов
(генераторы Agilent N5508A (70428A), Aeroflex FS5000, анализаторы спектра Rohde & Schwarz
FSU/FSQ/FSUP/ESU/FSMR)
Частота 4 ГГц
-(95…100)
-(120…125)
-(128…130)
-(130…135)
Частота 10 ГГц -(90…95)
-(115…120)
-(120…125)
-(125…130)
Для понимания разницы в параметрах фазового шума генераторов и анализаторов спектра,
следует иметь в виду, что первые гетеродины анализаторов спектра при подаче на вход частоты
1ГГц обыкновенно настроены на 4-5ГГц (поскольку их первая ПЧ в диапазоне трехкратного
преобразования всегда находится выше по частоте, чем исследуемый сигнал РЧ). Именно поэтому
в диапазоне до 3-4ГГц фазовые шумы синтезированного генератора всегда лучше шумов
анализатора спектра одного класса. На частотах выше 3-4ГГц (там, где анализаторы спектра
используют ПЧ порядка 300-450МГц и ЖИГ-фильтр для подавления зеркального канала) фазовые
шумы анализатора спектра и генератора одного класса обычно оказываются сопоставимыми.
АНАЛИЗ АРХИТЕКТУР ПОСТРОЕНИЯ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГЕТЕРОДИНОВ
При анализе архитектур построения современных генераторов будем опираться на опыт
ведущих зарубежных компаний [1-7], а также на опыт разработки собственных малошумящих и
сверхмалошумящих синтезированных генераторов, полученный ЗАО ПФ «ЭЛВИРА» за
десятилетие производства различных моделей анализаторов спектра серии СК4-БЕЛАН.
Синтезированный гетеродин анализатора спектра (или генератор сигнала) должен в идеале
удовлетворять трем требованиям: (а) иметь узкий шаг перестройки, (б) иметь низкий фазовый
шум и (в) иметь высокую скорость перестройки в широком диапазоне частот. Следует отметить,
что теоретически минимальные фазовые шумы и самую высокую скорость перестройки будут
иметь генераторы, построенные на основе прямого аналогового синтеза, что предполагает очень
высокую конечную стоимость прибора. При построении первых гетеродинов для анализаторов
спектра, от прямого аналогового синтеза, как правило, отказываются (авторам не известны
коммерчески доступные анализаторы спектра, использующие такие гетеродины). Классические
схемы построения гетеродина в анализаторе спектра подразумевают комбинацию методов
косвенного и прямого цифрового синтеза.
Традиционная архитектура современного анализатора спектра представляет собой
супергетеродинный приемник с трехкратным преобразованием частоты. При этом первый
гетеродин перестраивается в широкой полосе частот, а второй и третий – это генераторы на точку.
Фазовые шумы анализатора спектра будут определяться шумами этих трех гетеродинов.
Известно [2-7], что типовая зависимость СПМ фазовых шумов сигнала генератора от
частоты отстройки может быть условно поделена на четыре основные частотные области (в
зависимости от крутизны графика СПМ фазовых шумов). Область дальних отстроек обычно
называется белым шумом или «полкой» (white phase noise), поскольку она имеет ровную
характеристику. По мере приближения к несущей, СПМ фазовых шумов начинает возрастать:
сначала 10дБ на декаду (область: фликкер-шум или 1/f-шум - flicker phase noise), затем 20дБ на
3
декаду (область: 1/f 2-шум или белая ЧМ - white FM), затем 30дБ на декаду (область: 1/f -шум
4
или фликкер-ЧМ - flicker FM) и, наконец, 40дБ на декаду (область: 1/f -шум или случайная ЧМ –
random walk FM). Следует отметить, что для СВЧ генератора 1/f-шум обычно рассматривается
4
вместе с 1/f 2-шумом, поскольку последний, как правило, доминирует, а 1/f -шум измеряется
редко, поскольку он характеризует зону очень близких отстроек. Как показано в работах [3, 5-7],
чтобы понизить фазовый шум генератора, следует выбирать частотно-селективный элемент с
максимальной добротностью (например, кварц для частот 10-100МГц, железо-иттриевый гранат
(ЖИГ) или диэлектрический резонатор для единиц гигагерц). Мощность, рассеиваемая на
резонаторе, должна быть также максимальной, в этом случае «полка» будет приближаться к
уровню kT0B (минус 174дБм/Гц). В качестве активных элементов следует выбирать те, которые
имеют минимальный коэффициент шума и наименьший фликкер-шум (например, кремниевые
биполярные транзисторы). Поскольку ЖИГ-генераторы могут иметь добротность частотноселективного элемента (ЖИГ-сферы) до 4000 на частоте 10ГГц (по сравнению с добротностью от
30 до 300 у ГУНов на более низких частотах 4-5ГГц), то очевидно, что их фазовые шумы будут
лучше на порядок. Некоторые ЖИГ-генераторы, разработанные в последние годы и
использующие в качестве активных элементов кремниевые биполярные транзисторы, имеют
фазовые шумы на отстройке 100кГц от несущей 18ГГц в минус 130дБн/Гц (!), причем при
смещении в зону дальних отстроек их фазовые шумы продолжают уменьшаться со скоростью
25дБ на декаду. Данные параметры пока недостижимы для широкополосных ГУНов, лучшие из
которых имеют фазовый шум в минус 105дБн/Гц на отстройке 100кГц от несущей 4-5ГГц.
Следует помнить, что незахваченные ЖИГ-генераторы обыкновенно имеет хорошие шумы на
отстройках более 100кГц от несущей, незахваченные ГУНы с аналогичной перестройкой
удовлетворительные шумы имеют на отстройках более 500кГц-1МГц от несущей. Вблизи
несущей (отстройки менее 100кГц) фазовые шумы оказываются неудовлетворительными как у
ЖИГов, так и ГУНов, а их частотная нестабильность может достигать нескольких МГц (у ГУНов
десятки МГц) для несущих порядка 4-5ГГц. Следовательно, для построения синтезированного
гетеродина с узким шагом ЖИГ-генератор (или ГУН) нужно стабилизировать с помощью ФАПЧ.
Простейшая схема гетеродина – это однопетлевой синтезатор с ФАПЧ. Типичный
однопетлевой синтезатор ФАПЧ включает в себя перестраиваемый генератор – ГУН или ЖИГгенератор, сигнал которого после требуемого понижения по частоте подается на один из входов
фазового детектора [1-7]. На другой вход фазового детектора подается опорный сигнал. Данный
сигнал может быть фиксированной частоты (в этом случае используется делитель с переменным
коэффициентом деления), или он может перестраиваться в некоторой (более узкой по сравнению
с диапазоном ЖИГ-генератора или ГУНа) полосе частот с высокой дискретностью. В последнем
случае используется делитель с фиксированным коэффициентом деления. В первом случае
разрешение по частоте нашего синтезированного генератора будет определять частота
фиксированного опорного сигнала, во втором случае – шаг перестраиваемого опорного
генератора, помноженный на фиксированный коэффициент деления. Фазовый детектор
сравнивает сигналы на обоих входах и генерирует сигнал ошибки, который после фильтрации и
усиления (при необходимости) подстраивает частоту ЖИГа (или ГУНа) к ƒ=FREF × N, где FREF
- частота опорного сигнала на входе фазового детектора. Главным преимуществом любой схемы
на основе ФАПЧ являются более чистый спектр выходного сигнала. Результирующий фазовый
шум синтезатора в пределах полосы пропускания фильтра ФАПЧ определяется как [1-7]:
L
(fm)В ПЕТЛЕ = L (fm)PD + 20 log N.
(1)
Где L (fm)PD – суммарный шум, складывающийся из приведенного шума фазового детектора для
заданной частоты сравнения, остаточного шума делителя, операционного усилителя и опорного
источника, а N – коэффициент деления в петле. За полосой фильтра ФАПЧ фазовый шум будет
определяться ГУНом (или ЖИГ-генератором). Полосу петли надо выбирать в точке пересечения
шумов ГУНа (ЖИГ-генератора) и шумов L (fm)PD, умноженных на 20 log N (см. рисунок 1).
Фазовые шумы синтезатора
Фазовые шумы опоры на частоте
сравнения
Фазовые шумы ЖИГ
-40
СПМ фазовых шумов, дБн/Гц
-50
-60
Результирующие шумы на основе
ЖИГ
Фазовые шумы ГУН
-70
-80
Результирующие шумы на основе
ГУН
-90
-100
-110
-120
-130
-140
-150
-160
-170
1
10
100
1 000
10 000
100 000
1 000 000
10 000 000
Значение отстройки, Гц
Рисунок 1. – Формирование фазовых шумов в синтезаторе с ФАПЧ.
Из рисунка 1 следует, что ЖИГ-генератор и ГУН будут иметь оптимальные петли ФАПЧ
разной ширины (оптимальная петля ГУН всегда шире). Следовательно, всегда будет зона
отстроек, где ГУН будет проигрывать ЖИГ-генератору при одинаковых опорах. Синтезаторы на
основе ГУН предпочтительнее в тех случаях, где ключевыми параметрами являются скорость
перестройки и малое потребление, а не минимальные фазовые шумы на всех отстройках. В
последнее время на рынке появились синтезаторы частоты на основе ГУНов, например, Agilent
N5183A или Anritsu MG37022A. Однако в анализаторах спектра СВЧ диапазона скорость
перестройки первого гетеродина не является единственным ограничивающим фактором, так как
для подавления зеркального канала приема в СВЧ анализаторах спектра используется ЖИГфильтр, имеющий, как правило, такую же скорость перестройки, как и ЖИГ-генератор. Иными
словами, в анализаторе спектра СВЧ диапазона использование ГУНа ухудшит фазовые шумы и не
увеличит скорость перестройки прибора в целом. Следует помнить, что существуют анализаторы
спектра СВЧ, построенные исключительно по схеме с трехкратным преобразованием по частоте.
Для таких анализаторов спектра использование ГУНа может привести к увеличению скорости
перестройки, а использование чистой опоры позволит добиться сбалансированных параметров по
фазовому шуму. Недостаток таких анализаторов – это их ограниченный частотный диапазон, как
правило, не более 8ГГц, обусловленный необходимостью увеличивать частоту первой ПЧ. Итак,
при одинаковой сложности построения, с точки зрения фазовых шумов схемы синтезированных
первых гетеродинов на ЖИГ-генераторах являются, на сегодняшний день, более выигрышными,
чем на ГУН.
Рассмотренная схема однопетлевого синтезатора с ФАПЧ используется в бюджетном
анализаторе спектра СК4-БЕЛАН 22 (9кГц…2,2ГГц). Первый гетеродин СК4-БЕЛАН 22 (ЖИГгенератор, перестраиваемый в полосе частот 2450МГц…4650МГц) делится на 256 до частот
9.57МГц…18.16МГц и подается на фазовый детектор. На другой вход фазового детектора
заводится опорный сигнал с синтезатора прямого синтеза (DDS AD9850), перестраиваемого с
шагом 0.01Гц в тех же пределах. В результате синтезированный гетеродин перестраивается с
шагом 2.56Гц в диапазоне частот 2,45ГГц…4,65ГГц. Недостатки данной схемы очевидны: из-за
использования высокого коэффициента деления со значением 256 шумы в петле ФАПЧ
возрастают на 48дБ относительно шумов L (fm)PD. Кроме того, шумы L (fm)PD не
оптимизированы: используются бюджетный частотно-фазовый детектор (ЧФД) и делитель,
синтезатор прямого синтеза (DDS) тактируется не самым чистым сигналом. В результате, в петле
ФАПЧ получается уровень фазовых шумов минус 65дБн/Гц. Поэтому петля ФАПЧ в СК4-БЕЛАН
22 выбирается узкой, для того чтобы определяющими шумами для отстроек 30кГц и далее
являлись шумы ЖИГ-генератора. Данное решение также обусловлено наличием в спектре
опорного сигнала DDS случайных дискретных составляющих (spurious) на уровне минус 80дБ,
которые могут быть усилены петлей ФАПЧ на 48дБ. Подчеркнем, что описанное решение не
является оптимальным с точки зрения фазовых шумов и рассчитано на пользователей, которым
нужен бюджетный анализатор спектра со скромными техническими параметрами.
Построение первого гетеродина анализатора спектра с использованием комбинации
смешения и системы ФАПЧ (рисунок 2) позволяет получить значительно лучшие характеристики
системы с точки зрения фазовых шумов. Подавляющее большинство современных анализаторов
спектра СВЧ с хорошими техническими характеристиками (в том числе и СК4-БЕЛАН-32 с
опцией 003 – улучшенные фазовые шумы) используют данный принцип построения.
Рисунок 2. – Схема гетеродина на основе комбинации смешения и ФАПЧ
Для получения грубой сетки опорных частот, используемых при понижении частоты ЖИГгенератора с помощью смешения в смесителе, используют генератор гармоник (например, диод с
накоплением заряда – ДНЗ). На вход ДНЗ подается полуволновой синус высокой мощности
(порядка 500-650мВт), при этом на выходе формируется спектр гармоник вида sin x/x, где первый
ноль определяется длительностью импульса (чем короче импульс, тем более широкий диапазон
частот перекрывается гармониками с равномерным коэффициентом передачи). Частотный
диапазон ЖИГ-генератора между соседними гармониками ДНЗ перекрывается с помощью
изменения частоты опорного генератора (DDS). При этом шаг перестройки ЖИГ-генератора
определяется минимальным шагом синтезатора прямого синтеза (для современных DDS это
тысячные доли герца), а полоса такой перестройки – диапазоном рабочих частот DDS. Следует
отметить, что полосу перестройки DDS необходимо ограничивать, для того чтобы избежать
попадания на фазовый детектор случайных дискретных составляющих (spurious), появляющихся
на частотах с кратным коэффициентом деления тактовой частоты (1/2, 1/3, 1/4, 1/8). Поэтому:
– перестройку первого DDS осуществляют, как правило, в полосе 25-30МГц;
– DDS выбирают с максимальной тактовой частотой (в этом случае участки, свободные от
кратных паразитных составляющих (spurious), расширяются);
– чтобы получить сетку опорных частот с высокой дискретностью, но без пропусков,
необходимо иметь возможность перестроить ЖИГ-генератор при помощи DDS до следующей
гармоники генератора гармоник;
– поскольку полоса перестройки DDS обычно ограничивается 25-30МГц, на генератор
гармоник подают сигнал не фиксированной частоты, а сигнал второго перестраиваемого опорного
генератора (второго DDS), тем самым осуществляя подстройку частоты гармоники. При этом
гармоника n от конечной частоты ГУНа должна быть выше по частоте гармоники n+1 от
начальной частоты ГУНа.
В разработанном в ЗАО ПФ «Элвира», анализаторе спектра (9кГц – 3.2ГГц)
СК4-БЕЛАН 32
ЖИГ-генератор первого гетеродина перестраивается от 4421.4МГц до
7621.4МГц. На ДНЗ для формирования грубой сетки гармоник подается сигнал с ГУНа
400…440МГц с шагом 1МГц. В начале диапазона частот сигнал ЖИГ-генератора смешивается с
11-ой гармоникой ГУНа равной 4400МГц (разностная частота составляет 21.4МГц). При подаче
на вход ДНЗ частоты ГУНа до 440МГц с шагом 1МГц, получаются гармоники с частотами до
4840МГц с шагом 11МГц (при использовании 11-ой гармоники ДНЗ). При переходе на 12-ую
гармонику ДНЗ и использовании первой частоты ГУНа 400МГц получается гармоника с частотой
равной 4800МГц. В результате диапазоны перестройки, перекрываемые 11-ой гармоникой от
ГУНа 440МГц и 12-ой гармоникой от ГУНа 400МГц, накладываются, следовательно формируется
сетка гармоник без пропусков. При этом диапазон перестройки первого DDS между гармониками
меняется от 11МГц до 18МГц и не содержит паразитных составляющих в спектре (spurious).
Результаты измерения фазовых шумов сигнала первого гетеродина анализатора спектра
СК4-БЕЛАН 32, построенного по описанной выше схеме косвенного синтеза, приведены на
рисунке 3 (частота гетеродина 4521.4МГц, соответствует входному сигналу на частоте 100МГц).
Рисунок 3. – Фазовый шум первого гетеродина СК4-БЕЛАН 32 / 003
Измеренные фазовые шумы сигналов второго и третьего гетеродинов СК4-БЕЛАН 32
(фиксированная частота 4ГГц и 400МГц) представлены на рисунках 4 и 5 соответственно.
Эффективные шумы СК4-БЕЛАН 32 можно наблюдать на третьей ПЧ 21.4МГц. При этом на вход
анализатора подается спектрально чистый сигнал 100МГц. Измеренные фазовые шумы на
последней ПЧ 21.4МГц представлены на рисунке 6.
Рисунок 4. – Фазовый шум второго гетеродина СК4-БЕЛАН 32 / 003
Рисунок 5. – Фазовый шум третьего гетеродина СК4-БЕЛАН 32 / 003
Рисунок 6. – Фазовый шум СК4-БЕЛАН 32 / 003, измеренный по третьей ПЧ (21.4МГц),
график более светлого цвета – сохраненные в памяти фазовые шумы первого гетеродина
Следует обратить внимание на существенное улучшение фазовых шумов на последней ПЧ
для фликкер-зоны (отстройки до 1кГц) относительно шумов сигнала первого гетеродина. Это
улучшение связано с вычищением фазового шума при когерентном смешении двух сигналов,
близких по частоте и имеющих приблизительно одинаковую СПМ фазовых шумов. В нашем
случае друг друга вычищают первый гетеродин (частота настройки 4521.4МГц) и второй
гетеродин (частота настройки 4ГГц) (см. рисунки 3 и 4). Эффективный фазовый шум гетеродинов
СК4-Белан-32 и исследуемого тестового сигнала 100МГц, измеренный на последней ПЧ, в итоге
отображается на экране анализатор спектра (рисунок 7).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, достигнутые характеристики эффективного фазового шума анализатора
спектра СК4-БЕЛАН 32 с опцией 003, производимого в России и внесенного в реестр
измерительных средств РФ, сопоставимы с лучшими показателями анализаторов Agilent
Technlogies серий PSA и 856хEC, но немного уступают анализаторам спектра Rohde & Schwarz
последнего поколения (FSU, FSQ, ESU) high-end класса (см. таблицу 1).
Задача следующего уровня может быть сформулирована таким образом: как преодолеть
«гроссмейстерский» рубеж фазового шума анализатора спектра в минус 120дБн/Гц на отстройке
10кГц? Дальнейшее развитие и усовершенствование схема построения первого гетеродина
получила при разработке анализатора спектра СК4-БЕЛАН 240/280 (9кГц-24/28ГГц).
Предлагаемые решения позволили получить фазовый шум анализатора спектра на отстройке
10кГц на уровне минус 130дБн/Гц для сигнала 4ГГц, минус 124дБн/Гц для сигнала 10ГГц, минус
113дБн/Гц для сигнала 28ГГц.
Рисунок 7. – Спектральная чистота СК4-БЕЛАН 32 / 003 в полосе 25кГц при входном сигнале 100МГц
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ЛИТЕРАТУРА
Манасевич В. «Синтезаторы частот. Теория и проектирование.» // М.Связь., 1979, С.383.
Browne J. “Frequency Synthesizers Tune Communications Systems.” // Microwaves & RF, 2006.
Browne J. “Synthesizers Squeeze Into Smaller Spaces.” // Microwaves & RF, 2008.
Rohde U. “Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design.”//John Wiley&Sons, 1997.
Gardner F. “Phaselock Technique.s” // John Wiley & Sons, 2005.
Egan W. “Frequency Synthesis by Phase Lock.” // John Wiley & Sons, 1999.
Chenakin A. “Building a Microwave Frequency Synthesizer.” // Summit Technical Media, LLC,
High Frequency Electronics, May – September 2008.