2.6. Шумовые характеристики

К системам ДКСЧ СВЧ диапазона предъявляются довольно жесткие требования по уровню шумов в выходных колебаниях. Обычно норма на отношение мощности несущей к мощное и шума в полосе частот, определяемой частотным спектром передаваемой информации (сокращенно - отношение несущая/шум в информационной полосе), составляет 70-80 дБ, а иногда и еще больше. Поэтому наряду с коэффициентами гармоничности колебаний шумовые характеристики являются определяющим параметром при построении синтезаторов.

В соответствии с обобщенной структурной схемой системы ДКСЧ, в последней имеются два основных источника шума: МОЧ и синтезатор, причем если к МОЧ предъявляется лишь требование о минимальных собственных шумах, то синтезатор, во-первых, должен быть малошумящим и, во-вторых, пропускать на выход системы минимум шумов МОЧ.

Выше был сделан вывод о том, что в многодекадных синтезаторах СВЧ в качестве ЯФУ могут применяться схемы пассивной фильтрации, компенсаторы и кольца ФАПЧ. Как вполне очевидно, число колебаний опорных частот и их шумовые характеристики мало зависят от типов устройств, применяемых в ЯФУ. Поэтому рассмотрим вначале собственные шумы синтезаторов с различными типами ЯФУ, пренебрегая в первом приближении собственными шумами автогенераторов активных ЯФУ (компенсатора и кольца ФАПЧ).

Как известно, мощность шума

где k = 1,38⋅10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана; П_ш - шумовая полоса устройства; Т - абсолютная температура; N_ш - коэффициент шума устройства.

Выше уже отмечалось, что по своим параметрам компенсатор уступает кольцу ФАПЧ. Поэтому вначале сравним схему рис. 2.2а, в которой в качестве ЯФУ₄ и ЯФУ₅ применены пассивные фильтры и усилители, и эту же схему с применением колец ФАПЧ.

Мощность шума на выходе синтезатора Р_ш0 является среднеквадратичным мощностей шума ЯФУ₄-P_ш4 и ЯФУ₅-Р_ш5. Используя (2.31), получим

Так как коэффициенты усиления ЯФУ₄ и ЯФУ₅ задаются независимо от примененной схемы и имеют одинаковый порядок, то с достаточной степенью приближения можно считать, что коэффициенты шума пассивных ЯФУ имеют те же значения, что и коэффициенты шума колец ФАПЧ. Поэтому выражение (2.32) допустимо записать в виде

Таким образом, шумовые характеристики системы в основном определяются шумовыми полосами ЯФУ.

В пассивных ЯФУ шумовыми полосами можно считать полосы пропускания [133], т. е. П_ш4 ≈ β₂ = 0,1β₃ и П_ш5 ≈ β₃. Следовательно,

Чтобы вычислить шумовые полосы колец ФАПЧ, обратимся к выводам работы [131], из которой следует, что шумовая полоса ФАПЧ пропорциональна полосе удержания и отношению, характеризующему пропорционально интегрирующий фильтр

Если отношение υ в обоих кольцах выбрать одинаковым, то

Для оценки порядка величин в (2.35) положим ΔF_уд4 ≈ 2Δf₄ ≈ 2⋅10^-3f₄ ≈ 2⋅10^-3 f"_q ≈ 100⋅10^-3 β₂ ≈ 10^-2 β₃, ΔF_уд5 ≈ 2Δf₅ ≈ 2⋅10^-3f₅ ≈ 2⋅10^-3f'''_q ≈ 100⋅10^-3β₃ ≈ 10⋅10^-2β₃. Подставив эти равенства в (2.35), получим

Разделив (2.33) на (2.36), получим выигрыш в шумовой характеристике системы в случае применения ФАПЧ:

Несмотря на довольно приближенную оценку, произведенную выше, учитывая, что υ легко выбрать порядка ста, можно утверждать, что применение в качестве ЯФУ₄ и ЯФУ₅ конец ФАПЧ обеспечивает в первом приближении значительный выигрыш в отношении несущая/шум на выходе устройства. Следует обратить внимание на то, что в обоих случаях шумовые характеристики синтезатора в основном определяются ЯФУ₅, т. е. выходной ЯФУ.

Обратимся теперь к шумовым характеристикам компенсатора, по-прежнему пока полагая входящий в него автогенератор нешумящим. Из § 2.5 вытекает, что полоса пропускания компенсатора от второго смесителя до выхода сравнима с полосой пропускания системы с пассивной фильтрацией (также от второго смесителя), следовательно, и ширина шумовых полос этих устройств имеет одинаковый порядок. Однако, поскольку компенсатор дополнительно содержит два смесителя и два усилителя, его коэффициент шума, а, значит, и мощность шума превышает коэффициент шума и мощность шума системы с пассивной фильтрацией, главным образом, из-за низкого коэффициента передачи узкополосного фильтра ПФ₁. Как нетрудно видеть, по этой же причине коэффициент шума компенсатора больше коэффициента шума кольца ФАПЧ.

Выше был сделан вывод о значительном превосходстве по шумовым характеристикам кольца ФАПЧ над схемой пассивной фильтрации вследствие более узкой шумовой полосы кольца ФАПЧ. При учете мощности шума МОЧ, проходящего на выход системы, это превосходство лишь возрастает. Однако анализ предполагал пренебрежение собственными шумами ГУН. Поскольку кольцо ФАПЧ является фильтром нижних частот для колебаний опорных частот и фильтром верхних частот для колебаний ГУН, то при узкой шумовой полосе кольца ФАПЧ мощность шума на выходе синтезатора будет в основном определяться собственными шумами ГУН и элементов схемы, включенными между ним и фазовым дискриминатором. Наоборот, при широкой полосе кольца ФАПЧ собственные шумы ГУН компенсируются, а мощность шумов на выходе в основном определяется шумами МОЧ и элементами кольца ФАПЧ, включенными до ФД.

В некоторых коротковолновых синтезаторах с ФАПЧ, где гарантируется низкий уровень собственных шумов ГУН, для получения лучших коэффициентов гармоничности полосу пропускания кольца ФАПЧ делают очень узкой. Однако в СВЧ системах такое решение возможно лишь при крайней необходимости. Последнее объясняется следующим образом. К ГУН диапазона СВЧ предъявляется большое число противоречивых требований: электрическая перестройка в широком диапазоне, равномерность мощности по диапазону, равномерность крутизны электрической перестройки по диапазону, малая нестабильность частоты и т. д. Обеспечить все эти требования и, кроме того, гарантировать хорошие шумовые характеристики при разработке ГУН СМВ диапазона (клистронные генераторы, генераторы Ганна, генераторы на ЛПД и т. п.) практически невозможно, а при разработке ГУН ДМВ диапазона (транзисторные автогенераторы) чрезвычайно трудно. С другой стороны, как будет показано в гл. 4 и 6, снизить уровень шумов остальных элементов кольца ФАПЧ нетрудно, а для уменьшения шума МОЧ нужно после опорного генератора в эталоне частоты включить узкополосный фильтр. Поэтому шумовую полосу кольца ФАПЧ выбирают такой, чтобы, во-первых, шумы во всей информационной полосе частот (или хотя бы в ее основной части) определялись шумами МОЧ и, во-вторых, обеспечивались требуемые коэффициенты гармоничности колебаний. Таким образом, шумовая полоса кольца ФАПЧ синтезатора СВЧ должна выбираться одного порядка с информационной полосой.

Вернемся к шумовой полосе выходной ЯФУ системы с пассивной фильтрацией. Выше она была определена как весьма широкая. Однако в абсолютном большинстве практических случаев системы ДКСЧ включаются в радиопередающие и радиоприемные устройства радиолиний различного назначения, результирующие полосы пропускания которых определяются частотными спектрами передаваемой информации. Поэтому, если шумовые полосы синтезаторов шире информационных, учитывать шумы синтезаторов необходимо только в пределах последних, ибо за их пределами шумы синтезаторов никакого вреда радиолинии не причиняют.

Таким образом, если предположить, что собственные шумы ГУН полностью компенсируются кольцом ФАПЧ в пределах полосы пропускания последнего, то можно утверждать, что шумовые характеристики синтезаторов СВЧ как с пассивной фильтрацией, так и с ФАПЧ в заданной информационной полосе с достаточной степенью приближения, окажутся одинаковыми.

Несколько иначе обстоит дело с шумовыми характеристиками ЯФУ в виде компенсатора. Выше было показано, что при соизмеримой шумовой полосе схемы пассивной фильтрации и компенсатора коэффициент шума последнего больше, даже в случае пренебрежения собственными шумами ГПД. Если же учесть и эти шумы, то коэффициент шума компенсатора будет еще больше, так как компенсироваться могут только те составляющие шумов, период которых значительно превышает время запаздывания в цепи от первого до третьего смесителей. Следовательно, с точки зрения шумовых характеристик, по отношению к схемам пассивной фильтрации и ФАПЧ компенсатор оказывается неконкурентноспособным. Очевидно, этот, а также другие недостатки компенсатора (§ 2.5) заставили разработчиков отказаться от применения компенсаторов в синтезаторах СВЧ диапазона.