izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2020-4-51-56izmertech-1784Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSМалошумящие гибридные синтезаторы частот на основе прямых методов синтеза – цифрового и аналоговогоLow-noise hybrid frequency synthesizers based on direct digital and direct analog synthesis.РомашовВ. В.RomashovV. V.

Владимир

Vladimir V. Romashov

Vladimir

romashovmurom@mail.ruЯкименкоК. А.YakimenkoK. A.

Владимир

Kirill A. Yakimenko

Vladimir

yakimenko.kirill@yandex.ruДокторовА. Н.DoktorovA. N.

Владимир

Andrey N. Doktorov

Vladimir

doctorov_a_n@mail.ruРомашоваЛ. В.RomashovaL. V.

Владимир

Lubov V. Romashova

Vladimir

romashovamurom@mail.ruВладимирский государственный университетРоссияVladimir State UniversityRussian Federation202004072023045156Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1784

Рассмотрены гибридные синтезаторы частот на основе прямых методов синтеза – цифрового и аналогового. Исследованы возможности применения таких синтезаторов в качестве гетеродинов современных анализаторов спектра, построенных по супергетеродинной схеме. Проанализирована возможность использования гибридного синтезатора в качестве гетеродина первого каскада анализаторов спектра. Представлены требования к гетеродинам первых каскадов смешения анализаторов спектра. Предложена структурная схема широкополосного гетеродина, формирующего частоты в диапазоне 4000–8000 МГц с шагом, не превышающим 1 Гц. Выведены формулы для расчёта основных частотных соотношений в структуре гетеродина. Разработана математическая модель спектральной плотности мощности фазовых шумов в зависимости от частоты отстройки от несущей. С помощью созданной модели исследованы шумовые характеристики предложенной схемы. Показано, что на частотах отстройки свыше 1 кГц от несущей гибридный синтезатор на основе прямых цифрового и аналогового методов синтеза имеет выигрыш по уровню фазовых шумов в 5–30 дБ перед малошумящими гетеродинами современных анализаторов спектра. Определены преимущества предлагаемой схемы, за счёт которых гибридный синтезатор способен улучшить технические характеристики передовых анализаторов спектра.

The research of the possibility of using hybrid frequency synthesizers based on direct digital and direct analog methods of frequency synthesis as heterodynes of modern spectrum analyzers constructed according to the superheterodyne scheme is presented. The main advantages of such synthesizers over traditionally used heterodyne schemes based on direct digital and indirect frequency synthesis methods are shown. The requirements for the heterodynes of the first mixing stages of spectrum analyzers are presented. A block diagram of a wideband heterodyne generating a frequency range from 4000 MHz to 8000 MHz with a step not exceeding 1 Hz is proposed. Formulas for calculating the main frequency ratios in the structure of the heterodyne have been developed. A mathematical model of phase noise power spectral density (PSD) depending on the offset frequency from the carrier is developed. The noise characteristics of the proposed scheme are studied using the model. It is determined that at the output frequency of the heterodyne equal to 4521,4 MHz, the level of phase noise PSD is: minus 90 dBc/Hz at the offset frequency equal to 100 Hz; minus 140 dBc/Hz at the offset frequency equal to 100 kHz. It is shown that the hybrid synthesizer based on direct digital and direct analog synthesis methods has an advantage in the level of phase noise from 5 to 30 dB over the low-noise heterodynes of modern spectrum analyzers at frequencies above 1 kHz from the carrier. Additional advantages of the proposed scheme are a simple architecture, low power consumption and high frequency tuning speed due to the absence of phaselocked loops in the structure of the heterodyne.

анализатор спектрагетеродинфазовый шумфазовая автоподстройка частотыцифровой вычислительный синтезаторфильтр промежуточной частотыдискретные побочные составляющие спектрагенератор опорной частотыspectrum analyzerheterodynephase noisephase-locked loopdirect digital synthesizerintermediate frequency filterdiscrete side components of the spectrumreference frequency generatorReferencesRauscher C., Janssen V., Minihold R., Fundamentals of Spectrum Analysis, Rohde&Schwarz GmbH&Co, 2001,224 p.Rauscher C., Janssen V., Minihold R., Fundamentals of Spectrum Analysis, Rohde&Schwarz GmbH&Co, 2001, 224 p.Agilent Spectrum Analysis Basic, available at: https://volpefirm.com/wp-content/uploads/2017/01/Agilent-Application-Note-AN-150.pdf(accessed:04.11.2019).Agilent Spectrum Analysis Basic, available at: https://volpefirm.com/wp-content/uploads/2017/01/Agilent-Application-Note-AN-150.pdf(accessed:04.11.2019).Бельчиков С. А. Фазовый шум: как спуститься ниже – 120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или борьба за децибелы // Компоненты и технологии. 2009. № 5. С. 139–146.Bel’chikov C. A., Components & technologies, 2009, no. 5, pp. 139–146 (in Russian).Zhao Z. Y., Li X. Y., Chang W. G., Electronics Letters, 2013, vol. 49, no. 6, pp. 391–393. DOI:10.1049/el.2012.2852Zhao Z. Y., Li X. Y., Chang W. G., Electronics Letters, 2013, vol. 49, no. 6, pp. 391–393. DOI:10.1049/el.2012.2852Sajic S., Maletic N., Sunjevaric M., Todorovic B. M., Frequenz, vol. 67, no. 7–8, pp. 233–236.Sajic S., Maletic N., Sunjevaric M., Todorovic B. M., Frequenz, vol. 67, no. 7–8, pp. 233–236.Пат. №172814 РФ / В. В. Ромашов, Л. В. Ромашова, К. К. Храмов, К. А. Якименко // Изобретения. Полезные модели. 2017. № 21.Romashov V. V., Romashova L. V., Khramov K. K., Yakimenko K. A., RF Patent no. 172814, Byull. Izobret., no. 21 (2017).Romashov V. V., Khramov K. K., Yakimenko K. A., 24thRomashov V. V., Khramov K. K., Yakimenko K. A., 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Russia, September 7–13, 2014. Sevastopol, 2014, pp. 294–295. DOI: 10.1109/CRIMICO.2014.6959400International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Russia, SeptemberKroupa V. F., Phase Lock Loops and Frequency Synthesis, New York. John Wiley&Sons, Ltd, 2003, 320 p.–13, 2014. Sevastopol, 2014, pp. 294–295. DOI: 10.1109/CRIMICO.2014.6959400Hanumolu P. K., Brownlee M., Mayaram K., Moon U. K., IEEE Transactions on Circuits And Systems I-Regular Papers, 2004, vol. 51, no. 9, pp. 1665–1674. DOI:10.1109/TCSI.2004.834516Kroupa V. F., Phase Lock Loops and Frequency Synthesis, New York, John Wiley&Sons, Ltd, 2003, 320 p.Gardner F., Phaselock techniques, 3rd Edition, Wiley, 2005, 450 p.Hanumolu P. K., Brownlee M., Mayaram K., Moon U. K., IEEE Transactions on Circuits And Systems I-Regular Papers, 2004, vol. 51, no. 9, pp. 1665–1674. DOI:10.1109/TCSI.2004.834516Kroupa V. F., Direct Digital Frequency Synthesizers, John Wiley&Sons, Ltd, 1998, 396 p.Gardner F., Phaselock techniques, 3rd Edition, Wiley,2005, 450 p.Vankka J., Waltari M., Kosunen M., Halonen K., IEEE Journal of solid-state circuits, 1998, vol. 33, no. 2, pp. 218–227. DOI:10.1109/4.658623Kroupa V. F., Direct Digital Frequency Synthesizers, John Wiley&Sons, Ltd, 1998, 396 p.Bellaouar A., O’brecht M. S., Fahim A. M., Elmasry M., IEEE Journal of solid-state circuits, 2000, vol. 35, no. 3, pp. 385–390. DOI:10.1109/4.826821Vankka J., Waltari M., Kosunen M., Halonen K., IEEE Journal of solid-state circuits, 1998, vol. 33, no. 2, pp. 218–227. DOI:10.1109/4.658623Romashov V. V., Romashova L. V., Khramov K. K., Yakimenko K. A., Doktorov A. N., Ovchinnikov R. V., Measurement Techniques, 2018, vol. 61, no. 5, pp. 508–513. DOI:10.1007/s11018-018-1459-5Bellaouar A., O’brecht M. S., Fahim A. M., Elmasry M., IEEE Journal of solid-state circuits, 2000, vol. 35, no.3, pp. 385–390, DOI:10.1109/4.826821Romashov V. V., Khramov K. K., Doktorov A. N., 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Russia, September 7–13, 2014. Sevastopol, 2014, pp. 310–311. DOI:10.1109/CRMICO.2014.6959408Ромашов В. В., Ромашова Л. В., Храмов К. К., Якименко К. А., Докторов А. Н., Овчинников Р. В. Снижение уровня фазовых шумов гетеродинов современных анализаторов спектра при применении образов основной частоты цифровых вычислительных синтезаторов // Измерительная техника. 2018. № 5. С. 65–68. DOI:10.32446/0368-1025it.2018-5-65-68Romashov V. V., Romashova L. V., Khramov K. K., Yakimenko K. A., 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Russia, September 7–13, 2014. Sevastopol, 2014, pp. 302–303. DOI:10.1109/CRIMICO.2014.6959404Romashov V. V., Khramov K. K., Doktorov A. N., 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Russia, September 7–13, 2014. Sevastopol, 2014, pp. 310–311. DOI:10.1109/CRMICO.2014.6959408Ryzhkov A. V., Popov V. N., Sintezatory chastot v tehnike radiosvjazi, Moscow, Radio i svjaz’ Publ., 1991, 264 p. (inRussian).Romashov V. V., Romashova L. V., Khramov K. K., Yakimenko K. A., 24th International Crimean Conference Microwave and Telecommunication Technology, Sevastopol, Crimea, Russia, September 7–13, 2014. Sevastopol, 2014, pp. 302–303. DOI:10.1109/CRIMICO.2014.6959404Romashov V. V., Romashova L. V., Doctorov A. N., Proceedings of the 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Siberian Federal University, Omsk, Russia, May 21−23, 2015. Omsk, 2015, pp. 1080–1085. DOI:10.1109/SIBCON.2015.7147197Рыжков А. В., Попов В. Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991, 264 с.Romashov V. V., Romashova L. V., Yakimenko K. A., Petrov A. E., Metody i ustrojstva peredachi i obrabotki informacii, 2018, vol. 20, pp. 34–38 (in Russian).Romashov V. V., Romashova L. V., Doctorov A. N., Proceedings of the 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Siberian Federal University, Omsk, Russia, May 21−23, 2015. Omsk, 2015, pp. 1080–1085. DOI:10.1109/SIBCON.2015.7147197Rubiola E., Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators, Cambridge University Press, 2010, 228 p.Ромашов В. В., Ромашова Л. В., Якименко К. А., Петров А. Е. Разработка математической модели шумовых характеристик гетеродина современных анализаторов спектра // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2018. Т. 20. С. 34–38.Ромашов В. В., Ромашова Л. В., Якименко К. А., Петров А. Е. Разработка математической модели шумовых характеристик гетеродина современных анализаторов спектра // Методы и устройства передачи и обработки информации. 2018. Т. 20. С. 34–38.Rubiola E., Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators, Cambridge University Press, 2010, 228 p.Rubiola E., Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators, Cambridge University Press, 2010, 228 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.