Скорость, шаг, шумы … как совместить не совместимое., Синтезатор частоты с высокой скоростью свипирования Опции

[Vecheslav]

Здравствуйте, хочу выставить на обсуждение свой проект. Требуется создать синтезатор со следующими основными характеристиками:
Диапазон перестройки: 6000 – 12000 МГц
Шаг перестройки: 100кГц
Скорость перестройки: 1мкС
Уровень фазовых шумов: -70dBc/Гц@100кГц не хуже.

Для обеспечения высокой скорости перестройки с малым шагом, кроме как «качать» опору с помощью DDS ничего больше в голову не пришло.
Сразу скажу, что я человек новый в этом деле, практики нет вообще, время теоретического изучения данного направления меньше 4-х месяцев. За это время было прочитано масса статей и перечитан не один форум, в результате была выбрана следующая структурная схема:

Рисунок 1. Структурная схема синтезатора с ФАПЧ диапазона 6 – 12 ГГц.

Вопросы:
1) Влияние делителя ADF5000 на фазовые шумы (может взять /4 или /8) ?
2) Делитель лучше включать как показано на рисунке 2?

Рисунок 2. Схема включения делителя ADF500x.

3) Почему при использовании DDS в качестве опорного генератора лучше использовать синтезатор дробник?
4) Как выбирать опорную частоту для DDS так чтобы обеспечить максимальнюу скорость и минимальные фазовые шумы, а также побочные компоненты на частотах n•FCLK ± FOUT были максимально отфильтрованы.

Рисунок 3. Побочные компоненты и огибающая выходного спектра DDS.

5) Синтезатор был смоделирован в программе ADIsimPLL.


Рисунок 4. Схема включения синтезатора ADF4156 с ФАПЧ в программе ADIsimPLL.

Для обеспечения времени перестройки в 1мкС частота среза петлевого фильтра была выбрана 5МГц, время переходного процесса при этом получилось примерно 0,6мкС (с запасом).

Рисунок 5. Время установления частоты.

Фильтр был выбран активный с предварительной фильтрацией, инвертирующие включение.
Первичный выбор операционного усилителя проходил по двум параметрам, полоса пропускания ОУ должна быть на порядок выше полосы пропускания ФНЧ, то есть не менее 50МГц и по напряжению питания т.к. управляющее напряжение ГУНа (HMC732LC4b) от (0-23)В. Из ОУ предложенных в программе ADIsimPLL ничего не подошло. С интернета были скачены все ОУ фирмы ANALOG DEVICES. Выбрано было более трех десятков ОУ. Добавил пару моделей в ADIsimPLL 3.40->libBackup->OpAmp-> AnalogDevices.lib. При создании моделей было замечено, что при увеличении Ib на графике Leakage возле частоты основного сигнала появляются гармоники, то есть чем больше Ib тем больше количество, а самое главное и уровень этих гармоник. В литературе было вычитано, что это входной ток ошибки ОУ. Исходя из этого окончательный выбор пал на ОУ AD8033 с полосой 80МГц, Wide supply voltage range: 5 V to 24 V, и Ib = 1.5pA (IBias = 1.5p), была создана модель

.model AD8033
VNoise = 11n
VnCornerFreq = 700
INoise = 0.7f
VOffset = 1m
IOffset = 1p
IBias = 1.5p
.endmodel


Рисунок 6. Уровень шумов относительно основного сигнала? (как назвать этот график?)

А теперь вопрос:
а) Правильно ли выбрана полоса пропускания фильтра, и как отразится на шумовых характеристиках столь широкая полоса?
б) Правильно ли я действовал при выборе ОУ, может у кого есть опыт в создании активных петель для обеспечения такой скорости перестройки при сохранении заданных шумовых характеристик?

6) Как лучше ответвлять сигнал на обратную петлю ФАПЧ, через резистивный Т образный мост(по 18 Ом) или через ответвитесь, имеет ли это значение для улучшения качества шумов? Смотрим рисунок


Рисунок 7. а) Т – образный мост б) ответвитель.
7) Вообще как на ваш взгляд будет ли успевать синтезатор работать на таких скоростях, я так понимаю скорость самого синтезатора ограничена частотой сравнения фазового детектора, у ADF4156 частота фазового детектора Fфд = 32МГц, т.е. я так понимаю примерно 0,03 мкС для него максимальная скорость перестройки? Вроде как программно можно задать синтезатору количество раз сравнения ОСНОВНОГО сигнала с ОПОРНЫМ, есть такое?
8) В ADIsimPLL ГУН можно создать двумя путями: табличным и описанием его параметров. Я создал табличную модель заведя данные зависимости управляющего напряжения от частоты а также фазовые шумы. Меня смущает график №3 что это?

Рисунок 8. Характеристики ГУНа (HMC732LC4b)

Вторым способом у меня не получается создать модель, постоянно выдает какую то ошибку. Насколько правильно будет описан ГУН первым или вторым способом?

9) Спуры (Шыпы, Шпоры) что это такое я так до конца и не понял, какова природа их происхождения и как с ними бороться? на анализаторе спектра они в каком виде будут?

Рисунок 9. Общая шумовая характеристика при различных отстройках.

Только не надо отправлять меня читать опять литературу, и так далее, на все заданные мной вопросы у меня есть свое мнение, хочется услышать про тоже но другими словами.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[VCO]

Vecheslav, я не случайно спросил о назначении синтезатора, так как это может оказаться очень важным обстоятельством, как пару-тройку раз было у меня. Примерно такое же сложное задание недавно получил и я: сделать один октавный СВЧ-синтезатор с шагом 1 кГц, ф.ш. -102 дБн/Гц и спурами не выше -90 дБн и один "крутой" СВЧ-синтезатор на фиксированную частоту. Справедливости ради надо сказать, что время перестройки было установлено не более 10 мс, что в 10000 раз больше, чем у Вас, но всё равно для меня эта задача казалась нерешаемой: синтезаторы с таким чистым спектром я ещё не делал, об использовании DDS не могло идти и речи, даже после фильтрации спуры при переносе вверх взмыли бы до -70 дБн.
Всё решилось только после того, как я влез с головою в архитектуру приёмника, для которого предназначались синтезаторы. Оказалось, что это приёмник с двойным преобразованием частоты, где оба синтезатора - источники частот гетеродинов понижающих преобразователей (даунконверторов) частоты, а функцию "мелкого шага" можно перенести с октавного на одночастотный синтезатор, преобразовав изходное задание в следующий вид: сделать один октавный СВЧ-синтезатор с шагом 100 МГц, ф.ш. -102 дБн/Гц и спурами не выше -90 дБн и один СВЧ-синтезатор, перестраиваемый в полосе 100 МГц с шагом 1 кГц с аналогичными характеристиками по чистоте спектра.
В итоге мне скоро предстоит (сейчас жду изготовления ПП и закупки комплектующих) делать два синтезатора средней сложности вместо одного очень сложного и одного простого.
Возможно, что у Вас таже самая ситуация, тогда всё может сильно упроститься с одного суперсложного синтезатора в два сложных.

[Vecheslav]

Vecheslav, я не случайно спросил о назначении синтезатора, так как это может оказаться очень важным обстоятельством, как пару-тройку раз было у меня. Примерно такое же сложное задание недавно получил и я: сделать один октавный СВЧ-синтезатор с шагом 1 кГц, ф.ш. -102 дБн/Гц и спурами не выше -90 дБн и один "крутой" СВЧ-синтезатор на фиксированную частоту. Справедливости ради надо сказать, что время перестройки было установлено не более 10 мс, что в 10000 раз больше, чем у Вас, но всё равно для меня эта задача казалась нерешаемой: синтезаторы с таким чистым спектром я ещё не делал, об использовании DDS не могло идти и речи, даже после фильтрации спуры при переносе вверх взмыли бы до -70 дБн.
Всё решилось только после того, как я влез с головою в архитектуру приёмника, для которого предназначались синтезаторы. Оказалось, что это приёмник с двойным преобразованием частоты, где оба синтезатора - источники частот гетеродинов понижающих преобразователей (даунконверторов) частоты, а функцию "мелкого шага" можно перенести с октавного на одночастотный синтезатор, преобразовав изходное задание в следующий вид: сделать один октавный СВЧ-синтезатор с шагом 100 МГц, ф.ш. -102 дБн/Гц и спурами не выше -90 дБн и один СВЧ-синтезатор, перестраиваемый в полосе 100 МГц с шагом 1 кГц с аналогичными характеристиками по чистоте спектра.
В итоге мне скоро предстоит (сейчас жду изготовления ПП и закупки комплектующих) делать два синтезатора средней сложности вместо одного очень сложного и одного простого.
Возможно, что у Вас таже самая ситуация, тогда всё может сильно упроститься с одного суперсложного синтезатора в два сложных.

у меня смысл примерно тот же синтезатор выступает в качестве гетеродина который переносит принимаемый сигнал в область ПЧ. Я вот только не понял как вам удалось решить проблему. Еще я не понимаю термин "октавный синтезатор" "одно частотный синтезатор". Я вот выше не спроста о печатался. Сегодня перечитал ТЗ у меня в задании ширина спектра должна быть по уровню -70дБ не больше 100кГц, то есть что фазовые шумы должны быть не больше -70dBc при отстройки на 50 кГц, скорость перестройки 100кГц/мкс. Подразумевается работа как в режиме "СВИП" быстрая перестройка так и в режиме "ФАПЧ" шагать по диапазону с большим шагом (скорость тут не важна)

Я же говорю- делить 12 на 4 прескалером, потом квадратурный смеситель на ADL5385 например (он же и прескалер на 2 еще дополнительно) и потом какой-либо синтезатор ФАПЧ.

я вот тут схему накидал, если вам не трудно не могли бы вы описать принцип работы, в чем выигрыш такого построения.

У топикстартера частный случай и не высокие требования по шумам, поэтому предложу такую конфигурацию прямого синтеза . Без ДДС, возьмем фракциональный PLL , опору 200М, реф_предделитель переключаем либо 3 либо 4 ( или 3-5) и таким макаром, чтобы фракциональная часть оказывалась всегда существенно выше полосы (на порядок) его фильтра ПЛЛ, в этом случае спуры в полосе невелики совсем. Полосу фильтра уменьшаем до 200-1000кГц , назначение PLL в таком случае - следить за частотой на выходе "интегрально". Дифференциально "мелкие ступеньки" на пиле ГУНа пусть обеспечиваются коммутируемым мелким конденсатором, подключаемым при смене частоты к интегрирующей емкости ОУ фильтра PLL. Перед этим конденсатор должен заряжаться от ЦАП в каждом цикле смены частоты. Невысокая дифференциальная точность каждой ступеньки не важна по ТЗ (10кГц на фоне 100кГц ступеньки могут быть обеспечены даже 8 разрядным ЦАПом). Весь свип 6-12G занимает у стартера много десятков миллисекунд и интегральная точность по всей пиле ГУНа может быть достигнута узкополосной петлей.
Вероятно потребуется калибровка все этой кухни в медленном режиме.

трудно для моего понимания, боюсь без структурной схемы не понять. А как мы с такой узкой полосой будем двигаться со скорость 100кГц/мкс. И вообще я правильно понимаю что точность установки частоты зависит от точности установки частоты опорного генератора? И где в петле у нас ЦАП будет стоять?

Зы. Отвод на прескалер на 6 ггц прекрасно получается микрополосковым направленником- ненадо городить звезду на резисторах. Ну и тогда перед прескалером очень желателен gain block, он и развязку сразу обеспечит.

а получится с такой полосой направленник сделать, звезде на резисторах на этот параметр вроде плевать, а все таки в чем выигрыш?

Сообщение отредактировал Vecheslav - Sep 19 2011, 14:50

[тау]

Сегодня перечитал ТЗ у меня в задании ширина спектра должна быть по уровню -70дБ не больше 100кГц, то есть что фазовые шумы должны быть не больше -70dBc при отстройки на 50 кГц, скорость перестройки 100кГц/мкс. Подразумевается работа как в режиме "СВИП" быстрая перестройка так и в режиме "ФАПЧ" шагать по диапазону с большим шагом (скорость тут не важна)

А как мы с такой узкой полосой будем двигаться со скорость 100кГц/мкс.

легко. "двигаться" это-ж не "стоять" с какой-то заданной величиной фазовой или частотной ошибки. ФАПЧ с полосой 500 кГц собственно "двигает" гун со скоростью 5ГГц за 25 мкс, т.е. 200МГц/мкс, что в 2000 раз больше, чем Вы хотите по последнему толкованию вашего ТЗ.