Малошумящий источник опорной частоты 3,2 ГГц

Характеристики современных опорных источников

С развитием техники в мире появились образцы широкополосных синтезаторов (с перестройкой не менее октавы), имеющие собственный вносимый фазовый шум, нормированный к 1 ГГц, около –160 дБн/Гц. Для таких малошумящих синтезаторов необходим высокочастотный опорный сигнал, имеющий фазовый шум того же порядка. Применение именно высоких опорных частот диктуется не только архитектурой широкополосных синтезаторов. Если за критерий качества сигнала принять относительный, т.е. нормированный к определенной частоте фазовый шум, то поскольку абсолютный фазовый шум пропорционален квадрату частоты, требования к высокому уровню сигнала относительно теплового шума, а также ко всем элементам тракта — усилителям, смесителям, умножителям, схемам питания и т.д. — существенно смягчаются.

В таблице 1 приведены характеристики различных малошумящих источников отечественного и иностранного производства, в том числе созданный в компании «Адвантех» источник опорной частоты 3,2 ГГц серии ENO-3G-1xM. Следует отметить, что на момент подготовки статьи для генератора компании NEL FC доступно лишь предварительное описание, и используемый в нем метод не указан. Подробности о различных подходах построения опорных генераторов и их теоретических возможностях можно найти в [1].

Формирование сигнала на основе сложения частот нескольких источников

Метод сложения частот когерентных источников с некоррелированным шумом, используемый в источнике ENO-3G-1xM, хорошо известен и может быть проиллюстрирован на примере сложения во временной области двух одинаковых сигналов s, но с независимым шумом n₁ и n₂ (рис. 1).

Рис. 1. Модель сложения сигналов двух коррелированных источников с независимым шумом

Отношение сигнал/шум суммы сигналов в таком случае может быть записано следующим образом:

где <> — оператор усреднения. Поскольку n₁и n₂ не коррелированы, то <n₁n₂> = 0. Если мощности шума n₁ и n₂ равны, то есть <n₁²> = <n₂²> = <n²>, то

результирующее отношение на 3 дБ лучше, чем у исходных сигналов. Использование M таких источников сигнала дает выигрыш 10lg(M) (рис. 2).

Рис. 2. Улучшение фазового шума в зависимости от количества источников

Данный подход имеет как преимущества, так и недостатки. К преимуществам можно отнести следующие:

• Масштабируемость — улучшение характеристик пропорционально 10lg(M). При использовании более продвинутых схем кварцевых генераторов вполне реально приблизиться к уровню –170 дБн/Гц, при этом оставшись в пределах разумного количества источников.
• Результирующий фазовый шум определяется суммой всех источников, отклонение уровня шума одного из них при увеличении M слабо влияет на результат, что приводит к высокой повторяемости и низкому проценту отбраковки кварцевых резонаторов при серийном производстве.
• При сложении частот отдельных источников автоматически получается сигнал на более высокой частоте, что уменьшает дополнительные преобразования типа умножения на диодах или выделения гармоник с последующей фильтрацией и усилением, которые неизбежно вносят потери, порой существенные. По этой причине более высокочастотный источник, как правило, имеет худший приведенный фазовый шум относительно низкочастотного аналога, например Wenzel GMXO-FR 2500 МГц на 2–3 дБ хуже в сравнении с генератором той же серии на 500 МГц.

Среди недостатков можно отметить большие относительно отдельного кварцевого генератора габариты и энергопотребление.

Увеличение стоимости в связи с использованием большего количества источников сложно однозначно отнести к недостаткам, поскольку в традиционном подходе при производстве аналогичного по характеристикам генератора цена резко возрастает за счет отбраковки, и необходимости использовать более высокую мощность на низких частотах, что накладывает определенные ограничения на сами резонаторы и их конструктивное исполнение.

Сравнение схем сложения частот

Если выбор количества источников в основном определяется заданными габаритами изделия, то формирование заданной выходной частоты может быть реализовано различными способами. Сравним разные подходы, взяв за критерий потери приведенного к одной частоте фазового шума. Для простоты будем считать, что элементы собственный шум не вносят, и будем учитывать только тепловой шум. Соответственно фазовый шум источников S_φ определяется лишь значением спектральной плотности мощности теплового шума N₀ и уровнем сигнала P_s, и равен N₀/P_s.

Первый способ заключается в перемножении сигналов на смесителях от разных источников на первом этапе, а умножение результирующего сигнала — на последующем. На рис. 3 представлен пример первого этапа преобразования для одной пары источников.

Рис. 3. Схема формирования с непосредственным перемножением сигналов с выходов источников

Для определения результирующего шума на выходе разделим схему на две части — идеальное частотное преобразование и аддитивный шум на выходе, рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная модель для оценки потерь в случае независимых источников

Тогда фазовый шум выходного сигнала S_φr, приведенный к частоте источника, можно выразить следующим образом:

где C — коэффициент преобразования схемы, в данном случае одного смесителя (mixer conversion loss), M — количество источников. Таким образом, потери преобразования L₁ составляют:

Второй способ заключается в умножении частоты каждого источника на первом этапе и их перемножении на последующем (рис. 5).

Рис. 5. Упрощенная модель для оценки потерь в случае умножения частоты одного источника

В этом случае, аналогично предыдущей модели, можем записать:

где C — коэффициент преобразования схемы умножителя (insertion loss), M — коэффициент умножения частоты. потери преобразования L₂ составляют:

Следует помнить, что выражения (1) и (2) выведены для источников с фазовым шумом, определяемым тепловой полкой, и отражают максимальные потери. При увеличении шума источников потери любого преобразования уменьшаются, так как шум, вносимый элементами, в том числе тепловой все меньше сказывается на результате. Данные выражения применимы для количественного сравнения различных схем формирования частоты.

В таблице 2 представлены расчетные максимальные потери фазового шума для различных схем умножения частоты. Коэффициент передачи C взят из практической реализации данных схем для частоты 100 МГц.

Из таблицы следует, что метод перемножения сигналов на смесителе от разных источников имеет наименьшие потери в первую очередь за счет малых потерь мощности. Однако в данной схеме есть ряд технических сложностей. Во-первых, коэффициент передачи в значительной степени зависит от разности фаз подаваемых на смеситель сигналов. На рис. 6 представлен результат моделирования нормированного коэффициента передачи двойного балансного смесителя, то есть максимум соответствует –6 дБ в таблице 2. Как показало макетирование, положение максимума в реальном смесителе может несколько отличаться от 90º, но качественная зависимость сохраняется. Таким образом, в практической реализации схемы необходим контроль сдвига фаз, что приводит к усложнению. Во-вторых, без принятия специальных мер возможны сложности с захватом в петлях ФАПЧ источников (см. следующий раздел), поскольку возможно прохождение сигнала от соседнего генератора через смеситель.

Рис. 6. График зависимости нормированного коэффициента преобразования двойного балансного смесителя в зависимости от разности фаз сигналов на входах IF и LO

Источник опорного сигнала ENO-3G-1xM

Базовым элементом ENO-3G-1xM является управляемый кварцевый генератор (VCXO) с частотой 100 МГц. Поскольку данный генератор должен обладать не только малым шумом и небольшими габаритами, но и иметь невысокую стоимость, был разработан кварцевый генератор серии OCXO-100-1xM в виде сборки под SMD-монтаж с габаритами 21,2×14×10 мм, рис. 7. В генераторе использована схема на инверторах с кварцем с SC-срезом [2] и применена термостабилизация. Фазовый шум одного такого генератора в составе ENO-3G-1xM, представлен на рис. 8. Существенного уменьшения стоимости можно достичь за счет применения кварцевого резонатора на AT-срезе, но в таком случае на отстройках до 1 кГц фазовый шум будет хуже на 7–10 дБ.

Рис. 7. Внешний вид управляемого кварцевого генератора OCXO-100-1xM

Рис. 8. Фазовый шум отдельного кварцевого генератора OCXO-100-1xM в петле ФАПЧ

Использование в генераторе инвертора в качестве буферного каскада, обеспечивает выходное напряжение в форме меандра. Это обстоятельство облегчает получение нечетных гармоник выходной частоты. Оценки, приведенные в таблице 2, показывают, что выделение третьей гармоники имеет преимущество. Несмотря на это, при построении источника опорной частоты 3200 МГц, приходится также использовать выделение пятой гармоники. Это обусловлено планом суммирования частот парциальных колебаний для получения заданной выходной частоты источника.

Ниже представлены варианты формирования коэффициента 32 для различного количества источников и максимально возможный выигрыш относительно одного источника:

• 4 источника: [(5+3)+(5+3)]*2*2, 6 дБ
• 6 источников: (5+5+3*2)+(5+5+3*2), 7,8 дБ
• 8 источников: [(5+3)+(5+3)+(5+3)+(5+3)] 9 дБ

Блок-схема высокочастотного источника опорной частоты ENO-3G-1xM приведена на рисунке 9. Он состоит из набора идентичных ячеек ФАПЧ, смесителей, фильтров и усилителей. В качестве внутреннего опорного сигнала для петель ФАПЧ используется высокостабильный кварцевый генератор с частотой 10 МГц. Далее частота умножается на 10. Поскольку сигнал на выходе кварцевого генератора имеет прямоугольную форму, то пятая гармоника сразу отфильтровывается и умножается на 2. Затем полученная частота 100 МГц подается на входы опорной частоты ячеек ФАПЧ. Данный подход позволяет уменьшить фазовый шум при отстройках до 20 Гц за счет увеличения частоты работы фазовых детекторов, а также устранить негармонические составляющие на выходе ячеек ФАПЧ, так как частота сравнения получается равной их выходной частоте.

Рис. 9. Блок-схема синтезатора опорной частоты ENO-3G-1xM

Управление микросхемами ФАПЧ осуществляется параллельно для всех базовых ячеек, поскольку они полностью идентичны. Таким образом, количество ячеек (кварцевый генератор плюс ФАПЧ) можно масштабировать без помощи дополнительных аппаратных средств в пределах технической целесообразности.

Применение источника

В качестве примера применения источника ENO-3G-1xM можно привести синтезатор компании «Адвантех» серии ENO-2xM. Это широкополосный синтезатор с выходной частотой от 100 МГц до 21 ГГц, шагом 100 МГц, использующий внешнюю опорную частоту 3,2 ГГц. При отстройке опорной частоты в пределах ±16 МГц реализуется непрерывный шаг перестройки выходной частоты во всем диапазоне до 21 ГГц. Синтезатор выполнен в виде моноблока имеющего с габаритами 186,5×135×14 мм.

Рис. 10. Приведенный фазовый шум сигнала опорной частоты 3,2 ГГц (красный) и выходного сигнала 10 ГГц широкополосного синтезатора ENO-2xM при работе от опорного сигнала (синий)

На рис. 10 приведен график нормированного фазового шума сигнала опорной частоты 3,2 ГГц с выхода источника ENO-3G-1xM и сигнала 10 ГГц с выхода широкополосного синтезатора ENO-2xM, работающего от данной опорной частоты. Из графика следует, что за исключением ближней области до 1 кГц, дальнейшее уменьшение полки фазового шума опорного сигнала незначительно повлияет на фазовый шум выходного сигнала широкополосного синтезатора ENO-2xM, то есть в целом по характеристикам они сбалансированы относительно друг друга.