Практика использования микросхем Direct Digital Synthesizer
в качестве гетеродина РПУ.
В настоящее время доступными для использования в качестве гетеродинных синтезаторов являются микросхемы прямого
синтеза фирмы Analog Devices.
Например, серия 99/ Integrated 14-bit DAC. Заявленные параметры этих микросхем по данным производителя такие: - Phase noise < –120 dBc/Hz @ 1 kHz offset (DAC output); - Excellent dynamic performance, >80 dB SFDR @ 160 MHz (±100 kHz offset).
Так, динамический диапазон синтезируемого сигнала составляет более 80 дБ, а уровень фазовых шумов более 120 dBc/Hz.
Это позволяет использовать микросхемы этой серии в приемниках с динамическим диапазоном до 80 дБ с низким уровнем фазовых шумов.
Практика показывает, что синтезаторы, построенные на этих микросхемах, имеют вполне приемлемые характеристики,
позволяющие использовать их в качестве гетеродинов для радиоприемников. К сожалению, 14 битовые ЦАП, этих синтезаторов имеют динамический
диапазон от уровня шумовой дорожки не более 80 – 85 дБ. Тем не менее, такой динамический диапазон позволяет использовать эти синтезаторы
в качестве гетеродинов для радиоприемников, например типа Р-399А. В соответствие с нормой ТУ на Р-399А, шумовая динамика при
отстройке +5 кГц составляет 70 дБ, таким образом, применение ДДСа в качестве синтезатора первого гетеродина для этого приемника позволяет
улучшить шумовую динамику на 5-10 дБ выше заводской нормы.
Одним из основных преимуществ таких синтезаторов является исключительно низкий уровень фазовых шумов.
По субъективным оценкам операторов, приемники Р-399А с синтезаторами прямого синтеза обеспечивают более качественный и чистый прием по
сравнению со стандартным синтезатором КБ13А.
На «общеизвестном» рисунке 1. показано, что такое фазовый шум:
Рисунок 1
Измерение уровня фазового шума представляет собой сложную задачу в связи с
отсутствием четких методик измерений и измерительной базы, для таких измерений.
Тем не менее, после определения понятия, что такое фазовый шум, по косвенным
результатам измерений спектров различных синтезаторов, можно составить предварительную оценку этой
величины, как относительную ширину фундаментального сигнала синтезатора.
На рисунке 2. приведены сравнительные спектры синтезатора на AD9951 с опорным
генератором опорной тактовой частоты 390 МГц на микросхеме ADF4360 и сигнала генератора Г4-139.
На спектре DDS (ДДС) отчетливо видна граница между основным спектром ЦАП DDS и фазовыми «ушками»
опорного генератора ADF. Причем расположение «ушек» выбрано специально, таким образом, что бы показать
уровень основного спектра DDS, не закрытого этими «ушками». При тщательной настройке «ушки», как правило,
прячут под основной спектр или уводят их за полосу измерений.
Рисунок 2
Рисунок 2a
На первый взгляд создается впечатление преимущества спектра Г4-139 над сигналом ДДСа.
Это высокая динамика и отсутствие спуров. Тем не менее, при тщательном анализе этих спектров и приведения
их к реальным цифрам выявляется следующее:
Полоса, кГц
Г4-139, дБ
AD9951, дБ
15
120
98
5
110
90
1
70
85
0.5
58
85
0.25
48
85
Вывод: По мере сужения полосы синтезатор ДДС показывает свое значительное преимущество над стандартными
методами синтеза. Сигнал ДДСа содержит шумовую дорожку, спуры и выбросы от опорного генератора, лежащие
ниже уровня динамического диапазона приемника в 80 дБ и на качество приема не влияют. Наряду с этим можно отметить,
что сам спектр прямого синтеза, без учета выбросов от опорного генератора имеет крайне малый уровень фазовых шумов.
Параметры синтезатора в узкой полосе в значительной степени влияют на качество принимаемого сигнала в виде его
паразитной ФМ модуляции.
Синтезатор на основе ДДСа не показывает выдающихся параметров в широкой полосе и синтезаторы на основе
классической ФАПЧ имеют здесь явное преимущество, так как в их спектре отсутствуют эффекты квантования. Тем не
менее, по динамическому диапазону в узкой полосе, и по уровню фазовых шумов, синтезаторы на основе ДДСов имеют
явное преимущество над стандартным методами синтеза.
На рисунке 2a. показаны сравнительные диаграммы спектра, показывающие отличие этих спектров, выражающееся в том,
что ширина фундаментального спектра сигнала ДДС в несколько раз уже спектра ФАПЧ. Фазовые шумы гетеродина проявляются
в паразитной фазовой модуляции принимаемого сигнала, что нарушает его четкость и прозрачность. Это делает невозможным
прием ФАПЧ синтезатором сложных многопозиционных фазоманипулированных передач, поскольку соседние фазовые посылки
оказываются размытыми.
На следующем рисунке 3 приведены сравнительные спектры синтезатора на ДДС и синтезатора доработанного синтезатора Р-399А.
Принцип этой доработки неизвестен, но это лучший из всех приведенных в интернете спектров «родного» синтезатора Р-399А,
поэтому мы берем для сравнения этот спектр, как лучший из всех возможных вариантов доработки.
Рисунок 3
Видно, что фазовый шум спектра Р-399А примерно в два раза выше, чем у ДДСа. Причем эта разница видна начиная с 0-го уровня.
Т.Е. синтезатор Р-399А даст паразитную фазовую модуляцию принимаемого сигнала, как на малых, так и на больших уровнях.
К сожалению, привести пример сравнения штатного спектра синтезатора Р-399А и синтезатора на ДДСе для Р-399А, невозможно, так
как приведенные в интернете спектры не позволяют сделать однозначной оценки, каков же спектр серийного штатного синтезатора КБ13А.
Спектры приведены на следующих рисунках 4,5 и 6.
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
На рисунке 4, вероятнее всего приведен спектр или неисправного блока
КБ13А или это некорректный замер, хотя в первоисточнике утверждается,
что приемник был исправен и нормально работал.
На рисунках 5 и 6 приведены, по всей видимости, реальные спектры серийных приемников
в исправном состоянии. Такой вывод можно сделать по причине того, что при измерениях
односигнальной шумовой динамики Катрана генератором, в спектре любого приемника присутствует
тональная комбинационная помеха +1 кГц и – 1кГц. Эта помеха отчетливо видна на спектрах 5, 6.
Причем ее уровень составляет как раз именно 60 дБ.
Поэтому можно считать спектры 5 и 6 типовыми спектрами блока КБ13А.
На следующем рисунке 7 показан типовой спектр приемника Р-399А в сравнении со спектром синтезатора
на DDS'е. Уровни сигналов примерно одинаковы.
Рисунок 7
На следующем рисунке 7 показан типовой спектр приемника Р-399А в сравнении со спектром синтезатора
на DDS'е. Уровни сигналов примерно одинаковы.
Спектр синтезатора на базе DDS 9951 показан черным цветом, а спектр Р-399А показан красным цветом.
Вывод: синтезатор на базе DDS AD9951 в случае применения его в радиоприемном устройстве Р-399А обеспечивает
по отношению к штатному синтезатору (КБ13А):
1. Уменьшение фазовых шумов более чем в 2-4 раза.
2. Улучшение шумовой динамики (при отстройке +-5 кГц, норма ТУ) на величину более 10 дБ.
3. Устраняются из спектра синтезатора тональные комбинационные частоты +-1кГц.
Таким образом, замена синтезатора ФАПЧ в Р-399А на прямой цифровой синтез дает значительное улучшение
его технических характеристик.
Кроме этого синтезаторы на основе ДДС имеют дополнительные преимущества по отношению к стандартным синтезаторам
по следующим параметрам:
- Скорость перестройки
Стандартный блок синтезатора первого гетеродина Р-399А КБ13А обеспечивает скорость перестройки в соответствие
с ТУ – 50 мс. Это значение обеспечивается только в полосе перестройки, где не происходит релейного переключения гетеродинов
5-го кольца. Если при перестройке происходит релейное переключение гетеродинов, то реальная скорость перестройки увеличивается
на время срабатывания реле и составляет более 100 мс. Синтезатор на ДДС способен перестраиваться с частоты на частоту в своем
полном диапазоне частот со скоростью менее чем 0,5 мс.
- Перестройка без разрыва фазы.
ДДС синтезатор перестраивается без разрыва фазы. Перестройка с частоты на частоту происходит без переходных процессов.
Прямой синтез наряду с явными преимуществами перед синтезаторами на основе ФАПЧ имеет свои особенности. Это наличие в
спектре ДДСа эффектов квантования ЦАП.
В спектре ДДСа присутствует шумовая дорожка со спурами, что требует точной регулировки уровня сигнала гетеродина на
гетеродинном входе преобразователя. Уровень гетеродинного напряжения должен быть отрегулирован таким образом, что бы обеспечить
заданную чувствительность и не вызвать повышения уровня комбинационных помех. Кроме того, в спектре присутствует опорная частота
ЦАП и комбинационные частоты высших порядков, что требует обязательной фильтрации гетеродинного сигнала.
Примечание:
В статье использованы результаты замеров спектров, выполненные при независимом тестировании пользователем
sgk и опубликованные в материалах форума CQHAM.ru
