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.