Улучшенные измерения фазового шума ЦАП Включить ультранизкие фазовые шумы Приложения DDS
В радиолокационных приложениях фазовый шум является критическим показателем производительности для систем, требующих высокого затухания помех. Фазовый шум является предметом озабоченности для всех радиосистем, но, в частности, радар может потребовать работу фазового шума при частотных смещениях, значительно приближенных к несущей, чем система связи.
Разработчики систем в этих высокопроизводительных системах будут выбирать сверхнизкие фазовые шумовые генераторы, а цель сигнальных цепей с точки зрения шума заключается в том, чтобы добавить минимальную деградацию к профилю фазового шума генератора. Это требует измерений остаточного или аддитивного фазового шума различных компонентов в цепочке сигналов.
Последние выпуски высокоскоростных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) чрезвычайно привлекательны как для генерации сигналов, так и для создания частот для любых LO, необходимых для ступеней преобразования частоты. Однако цели радиолокатора бросают вызов производительности фазового шума ЦАП.
Рисунок 1. Улучшения фазового шума AD9164
В этой статье мы показываем измеренные улучшения более 10 дБ при смещениях 10 кГц с использованием ЦАП AD9164. На рисунке 1 показано улучшение, и мы обсудим, как результаты были достигнуты за счет сочетания выбора регулятора питания и улучшения настройки теста.
Определение фазового шума
Фазовый шум является мерой отклонения в пересечении нуля периодического сигнала. Рассмотрим косинусоидальную волну с фазовыми флуктуациями
Фазовый шум определяется по спектральной плотности мощности фазовых колебаний
В линейных терминах односторонний фазовый шум определяется как
Фазовый шум обычно выражается в единицах dBc / Hz из 10log (L (f)). Данные фазового шума затем строятся на частотах смещения относительно несущей RF.
Рисунок 2. Метод участка фазового шума
Важным дополнительным определением фазового шума является абсолютный фазовый шум по сравнению с остаточным фазовым шумом. Абсолютный фазовый шум представляет собой общий фазовый шум, измеренный в системе. Остаточный фазовый шум является дополнительным фазовым шумом тестируемого устройства. Это различие становится критическим в тестовых установках и в процессе определения вкладов фазового шума на уровне компонентов в системе.
Методы измерения фазового шума DAC / DDS
Цифры в этом разделе иллюстрируют установки тестирования фазового шума DDS. Для измерений фазового шума ЦАП предполагается, что ЦАП используется как часть подсистемы прямого цифрового синтезатора (DDS). DDS реализуется с цифровым синусоидальным рисунком на ЦАП, который может находиться в монолитной ИС или FPGA или ASIC, взаимодействующей с ЦАП. В современной конструкции DDS ошибки цифровой фазы могут быть значительно меньше ошибок ЦАП, а измерения фазового шума DDS обычно ограничены производительностью ЦАП.
Простейшая и наиболее распространенная тестовая установка показана на рисунке 3. Источник синхронизации используется для DDS, а выход DDS подается на анализатор фазового шума с поперечной корреляцией. Это легко реализовать, поскольку требуется только один DDS. Однако с этой тестовой установкой нет способа извлечь вклад осциллятора, чтобы показать только фазовый шум DDS.
Рисунок 3. Абсолютный фазовый шум. Настройка DDS-теста включает как DAC, так и шум генератора
На рисунке 4 показаны два распространенных метода удаления фазового шума генератора из измерения, обеспечивающего измерение остаточного шума. Недостатком измерений является то, что в тестовой установке требуются дополнительные ЦАП. Тем не менее, преимущество является гораздо лучшим показателем вклада фазового шума КСР, который может быть применен в бюджетах системного анализа.
Рисунок 4а. Измерение остаточного фазового шума DDS с использованием метода фазового детектора
На рисунке 4а показан метод фазового детектора. В этом случае используются два ЦАП, и вклад осциллятора вычитается из обоих испытуемых в преобразовании с понижением частоты в постоянный ток.
Рисунок 4b. Измерение остаточного фазового шума DDS с использованием метода взаимной корреляции
На рисунке 4b показан метод, использующий кросс-корреляционный анализ фазового шума. В этом случае DDS2 и DDS3 используются для перевода тактового вклада в порты LO измерения, их вклад удаляется в алгоритмах кросс-корреляции, и в измерении получается остаточный фазовый шум DDS1.
Блоки питания
В низкошумном аналоговом и радиочастотном исполнении шум питания является хорошо известным фактором. Пульсация питания, которая периодически модулируется на несущей радиочастоты и создает шпоры на радиочастотной несущей при смещениях частоты, равной частоте пульсаций. Шум регулятора 1 / f также модулирует на RF-несущую и способствует профилю фазового шума. На рисунке 5 показаны принципы.
Рисунок 5. Недостатки электропитания, модулированные на несущей RF
Измеренные результаты
В ходе исследования истинных характеристик фазового шума ЦАП были рассмотрены как тестовые установки, так и характеристики шума регулятора.
Начальная плата оценки ЦАП включала регулятор ADP1740 для аналогового и тактового напряжения. Спектральная плотность шума сравнивалась с недавно выпущенными сверхнизкими регуляторами шума, и был выбран ADM7155. На рисунке 6 показано сравнение плотностей шума, как показано в технических паспортах продуктов. Модификация источника питания состояла только в том, чтобы использовать ADM7155 как для часов AD9164 (выводы данных VDD12_CLK), так и для аналогового напряжения (выводы VDD12A).
Рисунок 6. Сравнение плотности шума регулятора. Обратите внимание на единицы оси Y - ADM7155 на порядок улучшен
Затем были рассмотрены параметры тестовой установки для измерений остаточного фазового шума. Метод взаимной корреляции был выбран с использованием FSWP Rohde и Schwarz в первую очередь из-за доступности и удобства. Используемая тестовая установка показана на рисунке 7.
Рисунок 7. Тестовые настройки для измерений фазового шума AD9164
Рисунок 8. AD9164 Измерение фазового шума на выходе 800 МГц
Рисунок 8 - измерение трех случаев. Первоначальная оценка оценочной платы, принятая с использованием метода абсолютного фазового шума, показана как красная кривая. Светло-голубая кривая также является абсолютным измерением, но с улучшением регулятора. Синяя кривая представляет собой измерение остаточного фазового шума, которое также включает улучшение регулятора.
Измерение показывает три общие области ограничений в начальном измерении, которые не были очевидны в начале исследования. Частоты ниже 1 кГц были ограничены близким шумом источника синхронизации. Частоты от 1 кГц до 100 кГц были ограничены выбором регулятора. Частоты выше 100 кГц были ограничены источником синхронизации. Резкое падение выше 10 МГц является вкладом источника тактового сигнала, поскольку используемые часы были умноженным кварцевым генератором для создания 6 ГГц, а спуск от радиочастотных фильтров, используемых на этапах умножения.
Измерения остаточного фазового шума с улучшением регулятора были приняты на дополнительных частотах ЦАП, а некоторые из них приведены на рисунке 9. Изменения были дублированы на нескольких оценочных платах, и все случаи показали одинаковые улучшенные результаты.
Рисунок 9. Измерения остаточного фазового шума AD9164 с улучшением малошумящего регулятора
Семейство сверхнизких регуляторов шума с аналогичной плотностью шума показано в таблице 1. Как было продемонстрировано, влияние на фазовый шум ЦАП является значительным, и это также рекомендуется для рассмотрения в любых областях радиочастотной системы, требующих оптимальных характеристик фазового шума.
Резюме
Был предоставлен обзор фазового шума для фундаментального определения, абсолютного или остаточного фазового шума, установок измерения фазового шума ЦАП и вкладов шума регулятора.
Улучшения фазового шума ЦАП были продемонстрированы для включения как методов тестирования остаточного фазового шума, так и оптимального выбора регулятора. Конечным результатом является то, что AD9164 теперь является средством для сверхнизких фазовых шумов, основанных на DDS, когда аналоговые напряжения и тактовые напряжения питаются от малошумящих регуляторов Analog Devices.
Рекомендации
Бержерон, Джарра. «Анализ и управление воздействием шума питания и джиттера на высокоскоростном фазовом шуме ЦАП». Analog Dialogue, Vol. 51, 2017.
Калоссо, Клаудио Э., Янник Грусон и Энрико Рубиола. «Фазовый шум и амплитудный шум в DDS». Симпозиум по управлению частотой IEEE, 2012.
Джаямохан, Умеш. «Включение GSPS или RF Sampling ADCs; Switcher vs LDO». Analog Dialogue, Vol. 50, 2016.
«Примечание по изделию 11729B-1, характеристика фазового шума микроволновых генераторов: метод фазового детектора». Agilent, май 2007 г.
Ридер, Роб. «Проектирование блоков питания для высокоскоростного АЦП». Analog Devices, Inc., 2012
Стены, Уоррен Ф. «Поперечные корреляционные измерения уровня шума». Симпозиум по управлению частотой IEEE, 1992.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.