Прямой цифровой синтез даёт весомый вклад в характеристики анализатора сигналов

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Системы DDS изменяют картину фазового шума

Применение систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) в радиоприёмниках ведёт свою историю с первой половины 20-го века, а во второй его половине системы ФАПЧ проникли в сферу контрольно-измерительного оборудования. В 1970-х системы ФАПЧ вытеснили прямой аналоговый синтез во многих генераторах сигналов и стали применяться в гетеродинах некоторых анализаторов спектра.
В соответствии с законом Мура в конце 1970-х – начале 1980-х наблюдалось стремительное развитие технологии ФАПЧ, подстёгиваемое появлением высокоинтегрированных цифровых ИС. Эти постоянно усложняющиеся системы и стали ключевой технологией, позволяющей применять такие сложные методы, как синтез с дробными коэффициентами.
ФАПЧ до сих пор широко применяется в генераторах и анализаторах сигналов, позволяя достичь высоких характеристик и широкого частотного диапазона. Тем не менее, как я писал в предыдущей статье, прямой цифровой синтез (DDS) уже прочно утвердился в ВЧ и СВЧ приложениях и прокладывает дорогу в сферу анализаторов сигналов.
Хорошим примером является выпущенный недавно анализатор сигналов Keysight UXA. В этом анализаторе гетеродин использует технологию DDS, что способствует улучшению характеристик, в частности, фазового шума при малой отстройке от несущей. На приведённом ниже рисунке сравнивается фазовый шум трёх высококачественных анализаторов сигналов на частоте 1 ГГц.

Здесь фазовый шум анализатора сигналов UXA сравнивается с шумом высококачественных анализаторов сигналов PXA и PSA. Заметьте, что характеристика фазового шума UXA не имеет плоского участка и демонстрирует значительно меньшие значения при малых отстройках от несущей.

Фазовый шум является очень важным параметром анализаторов сигналов – он определяет точность и нижний предел измерений фазового шума тестируемых устройств и сигналов. Например, радиолокационным системам нужны задающие генераторы с очень малым фазовым шумом, что обеспечивает регистрацию отражений от малых, медленно движущихся целей на фоне боковых полос фазового шума этих задающих генераторов.
Фазовый шум при малой отстройке от несущей анализаторов спектра/сигналов отражает фазовый шум преобразователя частоты, в частности, шум гетеродина и задающего генератора. Фазовый шум гетеродинов на основе ФАПЧ обычно включает диапазон частот, в котором фазовый шум почти не зависит от частоты отстройки. Этот участок называется пьедесталом фазового шума, а частота его перегиба частично определяется частотной характеристикой фильтров в обратной связи системы ФАПЧ. Характеристики фильтров цепи обратной связи ФАПЧ регулируются автоматически, но иногда выбираются пользователем анализатора для оптимизации фазового шума при наиболее важных значениях отстройки.
Благодаря применению в UXA технологии DDS, пьедестал отсутствует, что означает улучшение характеристик в широком диапазоне отстроек примерно до 1 МГц. При очень больших значениях отстройки вместе с DDS используется ФАПЧ, что позволяет снизить фазовый шум задающих настраиваемых ЖИГ-генераторов.
Но, несмотря на очевидные преимущества, DDS ещё не скоро вытеснит ФАПЧ. Технология DDS, как правило, обходится дороже ФАПЧ, требует применения быстродействующих цифро-аналоговых преобразователей с очень низким уровнем паразитных составляющих и высокопроизводительных сигнальных процессоров для управления цифро-аналоговыми преобразователями. Кроме того, ФАПЧ по-прежнему обладает самым широким частотным диапазоном и, следовательно, большинство решений DDS будет по-прежнему использоваться совместно с ФАПЧ.

Прямой цифровой синтез и наш вклад в закон Мура

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Прогресс в развитии полупроводниковых приборов не обходит стороной ВЧ и СВЧ приложения

Гордон Мур прославился тем, что ещё в 1965 году предсказал удвоение числа транзисторов в ИС высокой степени интеграции примерно каждые два года. И хотя применение этого закона к процессорам и памяти хорошо известно, возможно, лишь инженеры, занимающиеся ВЧ и СВЧ оборудованием, вспоминают другое предсказание, сделанное Муром в той же статье: «Уровень интеграции линейных систем, в отличие от цифровых, будет меняться не столь радикально».

Комбинированные ИС

Хотя количественно оценить этот процесс достаточно сложно, но, судя по всему, прогресс комбинированных аналого-цифровых ИС находится где-то посередине: они развиваются медленнее процессоров и памяти, но быстрее, чем аналоговые интегральные схемы. Для многих из нас этот прогресс имеет очень большое значение, поскольку от аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей зависит функциональность, скорость и гибкость цифровых устройств, применяемых в системах радиоэлектронной борьбы (РЭБ), беспроводной связи, РЛС и т.п.
Замечательным примером является технология прямого цифрового синтеза частоты (DDS), которая всё шире применяется в ответственных ВЧ и СВЧ приложениях и приобретает всё большую важность. Суть DDS довольно проста, что видно из приведённой ниже структурной схемы источника сигнала.

В технологии DDS память и цифровой сигнальный процессор (DSP) управляют высокочастотным ЦАП, выходной сигнал которого фильтруется для подавления гармонических и внеполосных составляющих. Другие паразитные составляющие можно сделать изначально малыми за счёт конструкции самого ЦАП.

Память большого объёма и быстродействующие сигнальные процессоры (реализованные на специализированных ИС и ПЛИС) используются для управления ЦАП уже давно. К сожалению, большинство ЦАП слишком узкополосны для частотного синтеза, а широкополосным устройствам недостаёт необходимой чистоты сигнала. Камнем преткновения здесь является ЦАП, способный обеспечить характеристики высокого класса в широком ВЧ диапазоне.

DDS и анализаторы спектра

Инженеры компании Keysight Technologies (ранее Agilent) понимали, что их требованиям отвечают только новые полупроводниковые технологии. Они использовали передовую кремниево-германиевую технологию BiCMOS для создания ЦАП, идеально подходящего для генератора ВЧ/СВЧ-сигналов на основе DDS. Такой генератор обладает превосходной чистотой сигнала даже в диапазоне СВЧ, как показано на приведённом ниже снимке спектра.

Синусоидальный сигнал частотой 10 ГГц измерялся в полосе обзора 20 ГГц. Обратите внимание на непревзойденную чистоту сигнала, сформированного по технологии DDS генератором сигналов Keysight UXG.

По сравнению с традиционными схемами на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и прямого аналогового синтеза, технология DDS обладает целым рядом преимуществ:

• Высокая скорость перестройки частоты и амплитуды. В связи с тем, что не требуется время установления для фильтра ФАПЧ, изменение выходного сигнала может произойти уже в следующем периоде тактовой частоты ЦАП. В результате UXG может перестраиваться всего за 250 нс.
• Генерация нескольких когерентных сигналов одним источником. DDS может генерировать синусоиду и сложные или составные сигналы непрерывно или в виде переменной последовательности. Это позволяет создавать не просто сигналы, а целые сигнальные сценарии, что делает эту технологию очень удобной для приложений РЭБ или имитации сигнальной среды.
• Отсутствие фазового шума ФАПЧ и необходимости жертвовать фазовым шумом ради скорости перестройки. Системы ФАПЧ обладают широким частотным диапазоном, высоким разрешением и хорошим качеством сигнала, но часто реализуют высокую скорость перестройки частоты за счёт увеличения фазового шума.
• Когерентность, непрерывность фазы и синхронизация генератора сигналов. Несколько сигналов одного генератора можно синхронизировать между собой любым требуемым способом, а их коммутация может выполняться без фазовых скачков. Система синхронизации и общая тактовая частота позволяют использовать несколько DDS-генераторов для простой и очень точной координации нескольких выходных сигналов.

При использовании достаточно хорошего ЦАП, технология DDS отлично подходит для генерации сигналов в приложениях РЭБ и РЛС, где нужна высокая скорость перестройки и широкая полоса. Кроме того, DDS может найти применение в анализаторах и приёмниках сигналов, поскольку быстрая перестройка и отсутствие фазовых шумов позволяют создавать гетеродины с лучшими характеристиками и меньшими компромиссами.
Реализации DDS, как правило, обходятся дороже систем ФАПЧ. Тем не менее, как и предсказывал Мур, развитие технологий создаёт динамичную среду, в которой оптимальные решения со временем меняются. Совершенно ясно, что DDS будет всё чаще применяться в ВЧ измерениях, даже если это будет происходить не в полном соответствии с законом Мура.
Дополнительная информация о применении DDS в конкретных реализациях приведена на странице www.keysight.com/find/UXG и в соответствующих рекомендациях по применению, которые можно загрузить с нашего сайта.