3.3. Шумовые характеристики. Время перестройки

Выше (§ 2.6) было указано, что если в качестве выходной ЯФУ синтезатора СВЧ используется кольцо аналоговой ФАПЧ, то полоса пропускания последнего должна выбираться соизмеримой с информационной полосой радиолинии. При этом собственные шумы ГУН компенсируются кольцом и шумовые характеристики синтезатора определяются шумами колебаний опорных частот, которые путем включения узкополосного фильтра после опорного генератора эталона частоты могут быть доведены до необходимого уровня. Указанное решение базировалось на предположении, что полоса пропускания кольца ФАПЧ может быть сколь угодно широкой.

Изложенное относится и к случаю, когда в качестве выходной ЯФУ применяется кольцо ЦФАПЧ, т. е. к цифровым синтезаторам СВЧ. Однако последние имеют ряд особенностей, связанных как с дискретным характером сравнения фаз колебаний в фазовом дискриминаторе, так и с ограничением выбора частоты сравниваемых колебаний в ФД величиной β₀/с. Эти особенности накладывают ограничения на полосу пропускания кольца ЦФАПЧ. Кроме того, на шумовые характеристики цифрового синтезатора оказывают влияние шумы ДПЧ, которого в кольце аналоговой ФАПЧ нет. Поэтому при прочих равных условиях системы ЦФАПЧ имеют принципиально худшие по сравнению с аналоговыми ФАПЧ шумовые характеристики.

Как известно (например, [112]), при дискретном характере регулирования, максимальная скорость информации должна быть меньше половины частоты опробывания, т. е. в данном случае полоса пропускания кольца ЦФАПЧ, в пределах которой могут компенсироваться шумы ГУН, не может превышать

Однако это ограничение не всегда является критичным, так как в синтезаторах СВЧ диапазона шаг дискретности выходных частот может оказаться таким, что даже его половина превысит информационную полосу радиолинии.

Другим ограничением полосы пропускания, как было показано в предыдущем параграфе, является необходимость получения достаточно высоких коэффициентов гармоничности колебаний при сравнительно низких частотах колебаний на входах фазового дискриминатора.

Выше был обоснован отказ от применения в цифровых синтезаторах СВЧ фазовых дискриминаторов триггерного типа в основном из-за необходимости включения после таких ФД весьма узкополосного ФНЧ, существенно ограничивающего полосу пропускания кольца ЦФАПЧ. Наоборот, анализ применения безынерционного ФД типа "выборка - запоминание" показал, что в первом приближении этот ФД вообще не требует ФНЧ, так как его АЧХ на частотах, кратных f_qФД, имеет нули. На первый взгляд такая форма АЧХ должна отрицательно сказаться на шумовых характеристиках синтезатора, так как на частотах нулей АЧХ собственные шумы ГУН не могут компенсироваться. Однако, учитывая неравенство (3.29), приходим к выводу, что с точки зрения шумовых характеристик вид АЧХ на частотах, превышающих 0,5f_{q ФД}, не имеет значения.

Итак, применение безынерционного ФД является оптимальным не только с точки зрения получения высоких коэффициентов гармоничности колебаний, но в первом приближении и не усиливает неравенство (3.29), ограничивающее улучшение шумовых характеристик.

В синтезаторах с ЦФАПЧ основными источниками шумов следует считать следующие: ГУН, колебания опорных частот и элементы кольца. При этом последние нужно разбить на две группы: элементы в цепи прямой связи (между ФД и ГУН) и элементы в цепи обратной связи (между ГУН и ФД). Если отнести ФНЧ к фазовому дискриминатору, а УПТ - к ГУН, то элементы цепи прямой связи можно при расчете шумов не учитывать. В следующей главе будет показано, что параметры элементов цепи обратной связи, кроме ДПЧ, при расчете шумов системы относятся к шумовым характеристикам колебаний опорных частот. Итак, будем учитывать шумы ГУН, колебаний опорных частот и ДПЧ.

Выше отмечалось, что полосу пропускания кольца ЦФАПЧ целесообразно выбирать не шире значения, вытекающего из (3.29). В пределах этой полосы собственные шумы ГУН будут компенсироваться, шумы же колебаний опорных частот и шумы ДПЧ будут пересчитываться на выход синтезатора. В общем случае анализ шумов, которые на выходе синтезатора представляются в виде частотных флуктуаций, требует сложного статистического исследования. В то же время, если ограничиться приближенными оценками, имея в виду, что частота регулирования в системах СВЧ сравнительно высока, можно считать, что основной вклад будут вносить квазистатические флуктуации, ширина спектра которых значительно меньше частоты регулирования [135].

Итак, если идеализированную полосу пропускания кольца ЦФАПЧ представить так, что АЧХ кольца на ее границе падает с максимального значения до нуля, то среднеквадратичное значение результирующего шума на выходе синтезатора в пределах этой полосы определится следующим выражением:

где σ²_ГУНf - дисперсия собственных шумов ГУН; σ²_qf - дисперсия шумов колебаний опорных частот; σ²_ДПЧf - дисперсия шумов ДПЧ, пересчитанная на выход синтезатора; V₀ - коэффициент передачи замкнутого кольца ФАПЧ по ошибке.

Отметим, что, так как шумы в колебаниях опорных частот поступают в кольца ЦФАПЧ по трем путям, можно записать

Если обозначить результирующие коэффициенты умножения опорных частот (деление может быть представлено как умножение на коэффициент, меньший единицы) через m, n и p, а дисперсию шумов эталона частоты - через σ²_q0f, то, пренебрегая собственными шумами умножителей частоты, выражение (3.31) можно записать в виде

Из (3.32) следует, что для уменьшения шумов за счет колебаний опорных частот необходимо уменьшать шумы эталона частоты.

Шумы ДПЧ делятся на шумы формирования и шумы триггерных делителей частоты. Пренебрежем последними ввиду их малости по сравнению с шумами формирования, которые образуются в формирователе импульсов - первом каскаде цифрового ДПЧ. Фазовые шумы образуются в формирователе следующим образом. Если импульсная последовательность формируется из гармонического колебания без шумов, то временное положение каждого импульса последовательности точно соответствует моменту достижения гармоническим напряжением уровня (порога) формирования. Если же импульсы формируются из смеси гармонического колебания с шумом, то момент достижения порога формирования носит случайный характер, т. е. отклоняется от стационарного значения на время Δτ_ф, находящееся в обратной зависимости от отношения несущая/шум входного колебания ДПЧ.

Очевидно, что отклонения фронта (или спада) формируемого импульса от стационарного значения на Δτ_ф по воздействию на работу синтезатора равносильно отклонению на эту же величину периода второй промежуточной частоты, или девиации фазы которая пересчитывается через коэффициент усиления кольца на выход синтезатора. Переходя от приращений к их дисперсиям, получаем

Из (3.33) видно, что для уменьшения этой составляющей шума необходимо увеличивать отношение несущая/шум на входе ДПЧ как за счет увеличения напряжения второй промежуточной частоты, так и за счет уменьшения дисперсии шумов в этом напряжении.

Наконец, для уменьшения шумов на выходе синтезатора можно, кроме снижения собственных шумов ГУН (что, как указывалось, не всегда выполнимо), увеличивать коэффициент передачи кольца ЦФАПЧ. Однако последнее лимитируется устойчивостью кольца. Для возможности увеличения коэффициента передачи при сохранении устойчивости кольца ЦФАПЧ необходимо после безынерционного фазового дискриминатора включить пропорционально-интегрирующий ФНЧ [135].

Так как входящие в (3.30) составляющие могут быть довольно просто измерены, то нетрудно рассчитать шумовую характеристику синтезатора. При этом следует помнить, что собственные шумы ГУН имеют колокольное распределение относительно несущей [138], т. е. интенсивно убывают с расстройкой.

Нужно отметить еще одну меру борьбы с шумами в цифровых синтезаторах [П1.26], [116]. Если между выходом УПЧ₂ и управляющих входом ГУН включить широкополосный частотный детектор с фильтром верхних частот на выходе, то он будет частично демодулировать паразитную частотную модуляцию ГУН шумами, фонами и т. п.

Весьма важным параметром синтезаторов частот, в том числе и цифровых, является время перестройки τ_п с одной фиксированной частоты на другую. В современных синтезаторах осуществляется электрическая перестройка частоты, что предполагает при каждой смене частоты полный цикл поиска новой частоты и затем установление синхронизма в кольце ЦФАПЧ. При этом, если даже время перестройки на новую частоту жестко и не лимируется, то вышеприведенное утверждение о важности этого параметра не теряет силы. Действительно, столь сложные устройства, каковыми являются системы ДКСЧ СВЧ диапазона, на практике всегда резервируются, а так как современные системы строятся, как правило, только на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, то резерв целесообразно иметь холодным или теплым. При сочетании указанного резерва и электрической настройки время переключения на резервное устройство Т_р оказывается не меньше времени перестройки τ_п, а так как Т_р непосредственно связано с потерей информации, передаваемой по радиолинии, время перестройки должно быть как можно меньшим.

Время перестройки синтезатора на другую частоту складывается из времени поиска новой частоты и времени установления τ_уст синхронизма в кольце ЦФАПЧ. При двухступенчатой перестройке, когда на первой ступени происходит поиск частоты при разомкнутом после ФД кольце ЦФАПЧ и остановка поиска по индикатору (например, по сигналу узкополосного фильтра на выходе ДПЧ), а на второй ступени после замыкания кольца ЦФАПЧ - установление синхронизма в кольце, время поиска можно значительно сократить вплоть до величины, определяемой быстродействием индикатора настройки и коммутирующих полупроводниковых приборов.

Время установления синхронизма в кольце зависит от большего числа факторов и, в первую очередь, от инерционности и коэффициента усиления разомкнутого кольца. Инерционность же кольца, в свою очередь, является функцией его полосы пропускания [124] и типа примененного фильтра нижних частот. Так, при прочих равных условиях замена интегрирующего ФНЧ пропорционально-интегрирующим более чем в восемь раз сокращает время установления, даже при уменьшении частоты среза ФНЧ в пять раз [116].

Таким образом, как с точки зрения улучшения шумовых характеристик, так и для уменьшения времени установления синхронизма в кольце ФАПЧ, в цепь прямой связи целесообразно включать пропорционально-интегрирующий ФНЧ.