Два подхода к источнику сигнала
Любой радиоприбор начинается с источника опорного сигнала: гетеродина приёмника, несущей передатчика, тактовой частоты преобразователя. Его делают двумя путями. Генератор — резонатор и усилитель, которые возбуждаются на одной частоте: кварцевый, на диэлектрическом резонаторе, генератор, управляемый напряжением. Синтезатор — генератор, охваченный петлёй фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и цифровым управлением: он получает из одной опорной частоты любую частоту диапазона с заданным шагом.
Выбор между ними — это выбор между чистотой спектра и гибкостью. Генератор на одну частоту проще по схеме и обычно тише. Синтезатор перестраивается программно, но за гибкость платит шумом, паразитными составляющими и временем установления частоты.
Фазовый шум — главный параметр
Идеальный генератор даёт в спектре одну линию. Реальный — линию с «юбкой»: случайные колебания фазы размывают энергию вокруг несущей. Фазовый шум измеряют в дБн/Гц — мощность шума в полосе 1 Гц на заданной отстройке от несущей относительно её мощности. Чем меньше число, тем чище сигнал.
Точки — значения из таблиц серий каталога. Пунктир — кварцевый опорный генератор, пересчитанный на 10 ГГц: так выглядел бы идеально умноженный кварц.
На рисунке видно, что даёт ФАПЧ. У генератора на диэлектрическом резонаторе без подстройки шум на отстройке 10 кГц −75 дБн/Гц: резонатор «гуляет». Тот же тип генератора, привязанный петлёй к кварцу, даёт на 10 кГц −117…−120 дБн/Гц — на 40 дБ чище. Вблизи несущей, на 100 Гц, шум PLDRO близок к пересчитанному кварцу: внутри полосы петли выход повторяет опору, умноженную на коэффициент N.
Где фазовый шум мешает на практике: в приёмнике шум гетеродина переносит соседний сильный сигнал на полезный канал (обратное смешивание); в радаре скрывает слабые цели рядом с сильным отражением; в цифровой связи с плотной модуляцией размывает созвездие и увеличивает вероятность ошибок.
Сравнивайте на одной частоте и одной отстройке. Фазовый шум растёт на 6 дБ при каждом удвоении частоты. Генератор на 20 ГГц с −100 дБн/Гц на 10 кГц не хуже генератора на 10 ГГц с −106.
Типы генераторов
Кварцевые генераторы
Кварц — самый стабильный резонатор. Термостатированный кварцевый генератор (OCXO) держит кристалл при постоянной температуре и даёт стабильность частоты на уровне долей миллиардной и фазовый шум до −165 дБн/Гц. Частоты — единицы и сотни мегагерц. Это опора для синтезаторов и PLDRO, а кварц с ФАПЧ (PLXO) раздаёт опорный сигнал 10 и 100 МГц на несколько выходов системы.
Генераторы на диэлектрическом резонаторе — DRO и PLDRO
Диэлектрический резонатор — керамическая «таблетка» с высокой добротностью, которая задаёт частоту от единиц до десятков гигагерц. DRO без подстройки прост и мощен, но его частота уходит с температурой. PLDRO привязывает резонатор к кварцу через ФАПЧ: стабильность — как у опоры, шум — один из лучших на СВЧ. Это стандартный гетеродин радиорелейных станций, спутниковых конвертеров и радаров на фиксированной частоте.
Генераторы, управляемые напряжением
ГУН (VCO) перестраивает частоту управляющим напряжением: быстро, в полосе до октавы. Сам по себе он шумный и нестабильный, поэтому почти всегда работает внутри петли ФАПЧ. ГУН на диэлектрическом резонаторе перестраивается в узкой полосе, зато тише обычного.
Синтезаторы частоты
Синтезатор объединяет ГУН, делители, фазовый детектор и цифровое управление. Команда по шине задаёт частоту с шагом до долей герца, и петля перестраивает ГУН. Модульные синтезаторы KADAMM перекрывают от 0,05 ГГц до 40 ГГц одной моделью, быстрые — переключаются за доли микросекунды. Они нужны там, где частота меняется: в измерительной аппаратуре, системах связи с перестройкой, имитаторах сигналов.
Сравнение источников
Оценки построены по диапазонам, фазовому шуму на отстройке 1 кГц и времени переключения из таблиц серий. Стабильность синтезатора и PLDRO определяет опорный генератор.
Лучший фазовый шум среди синтезаторов каталога — −113 дБн/Гц на отстройке 1 кГц, у PLDRO — −133 дБн/Гц. Синтезатор выигрывает гибкостью: вместо десятка генераторов на фиксированные частоты — один модуль. Если частота одна и известна заранее, PLDRO будет тише и проще.
Время переключения
Время переключения — от команды до момента, когда частота и фаза установились с заданной точностью. У синтезаторов с одной петлёй ФАПЧ это сотни микросекунд: петля должна «догнать» новую частоту. В каталоге — от 60 до 500 мкс у модульных синтезаторов. Быстрые синтезаторы с предварительной настройкой ГУН и широкой петлёй переключаются за 0,5–10 мкс.
Скорость нужна в системах со скачками частоты, в панорамных приёмниках и имитаторах радиолокационной обстановки. Для лабораторного генератора или гетеродина на фиксированной частоте сотни микросекунд не важны.
Опорная частота
Синтезатор и PLDRO не стабильнее своей опоры. С внутренней опорой модуль работает сам по себе — удобно для отдельного устройства. С внешней опорой 10 или 100 МГц все генераторы системы берут частоту от одного кварца: гетеродины приёмника и передатчика не расходятся, измерительные приборы работают когерентно. В каталоге KADAMM PLDRO есть в обоих исполнениях и с автоматическим выбором внутренней или внешней опоры.
Качество опоры видно на выходе: внутри полосы петли ФАПЧ её фазовый шум переносится на выход с добавкой 20·lg N, где N — отношение выходной частоты к опорной. Для 10 ГГц от опоры 10 МГц это +60 дБ, от 100 МГц — +40 дБ. Поэтому опора 100 МГц при равном собственном шуме даёт на СВЧ выигрыш 20 дБ вблизи несущей.
Гармоники и паразитные составляющие
Кроме шума, у генератора есть дискретные лишние линии. Гармоники — на кратных частотах, их подавляют фильтром после генератора: у DRO каталога уровень гармоник −20 дБн. Паразитные составляющие — линии рядом с несущей от делителей, опорной частоты и цифровой части синтезатора; у генераторов каталога они нормированы на уровне −60…−80 дБн. В приёмнике такая линия создаёт ложный канал, в передатчике — излучение вне полосы.
Выходная мощность и нагрузка
Мощность генератора выбирают под то, что стоит дальше. Смесителю нужен гетеродин определённого уровня — обычно 7–13 дБм, иначе растут потери преобразования. У синтезаторов каталога выходная мощность регулируется от −40 до +10 дБм, у генераторов на диэлектрическом резонаторе — фиксированные 10–20 дБм, у отдельных ГУН с ФАПЧ — до 30 дБм.
Генератор чувствителен к нагрузке: отражённая волна сдвигает его частоту — это называют затягиванием. Поэтому после DRO и ГУН ставят вентиль или буферный усилитель, а переключение нагрузки на выходе генератора без развязки недопустимо.
Как измеряют фазовый шум
Грубо — анализатором спектра: мощность в полосе на заданной отстройке, приведённая к 1 Гц. Так нельзя измерить хороший источник: собственный шум гетеродина анализатора окажется выше. Для PLDRO и кварцевых генераторов используют анализаторы фазового шума с фазовым детектором и двумя опорными каналами — взаимная корреляция убирает шум самого прибора. Сравнивайте паспортные значения, снятые одним методом.
Умножители и делители частоты
Чтобы получить сигнал миллиметрового диапазона, частоту хорошего генератора умножают. Умножитель в N раз добавляет к фазовому шуму 20·lg N дБ — физический предел, лучше не бывает:
| Умножитель | Коэффициент | Рост фазового шума, дБ |
|---|---|---|
| УЧ-2 | ×2 | 6,0 |
| УЧ-3-30 | ×3 | 9,5 |
| УЧ-4 | ×4 | 12,0 |
| УЧ-6-75000-110000-5 | ×6 | 15,6 |
| УЧ-10-100 | ×10 | 20,0 |
Делитель работает наоборот: деление на N снижает фазовый шум на те же 20·lg N дБ, пока не упрётся в собственный шум делителя. Поэтому тактовые сигналы для АЦП часто получают делением СВЧ-генератора — они выходят чище, чем от отдельного низкочастотного генератора.
Где что применяют
- Радиорелейные станции и спутниковые конвертеры — PLDRO на фиксированной частоте гетеродина.
- Радары и датчики — DRO и PLDRO, в перестраиваемых системах — быстрые синтезаторы.
- Измерительные стенды и имитаторы — модульные синтезаторы с управлением по SPI, USB или PXI.
- Опорная сетка системы — кварцевые OCXO и кварц с ФАПЧ с несколькими выходами 10 и 100 МГц.
- Миллиметровые тракты — генератор СВЧ и умножитель частоты с фильтром на выходе.
Как выбрать источник сигнала
- Частота одна и известна — PLDRO или кварц с ФАПЧ: тише и проще.
- Частота меняется программно — синтезатор с нужным диапазоном и шагом.
- Нужны скачки частоты за микросекунды — быстрый синтезатор.
- Миллиметровый диапазон — хороший генератор плюс умножитель; учитывайте +20·lg N к шуму.
- Фазовый шум — на той частоте и отстройке, которые важны для вашей системы.
- Опорная частота — внутренняя или внешняя 10 / 100 МГц, чтобы синхронизировать всю аппаратуру.
- Выходная мощность, гармоники и паразитные составляющие — по требованиям смесителя или усилителя.
- Питание, габариты и интерфейс управления — SPI, USB или PXI для измерительных систем.
Модели KADAMM
Все серии — в разделе генераторов и синтезаторов частоты KADAMM.
| Моделей | 17 |
| Моделей | 97 |
| Моделей | 2 |
| Моделей | 5 |