ВВЕДЕНИЕ нологичности являются синтезаторы частоты (СЧ) В современных и перспективных радиотехнических с косвенным синтезом, принцип работы которых и телекоммуникационных системах к спектральной связан с системой фазовой автоподстройки частоты чистоте сигналов предъявляются всё более высокие (ФАПЧ). Они позволяют сформировать сетку высо- требования. От того, насколько спектр радиосигна- костабильных дискретных частот, которая, однако, лов будет близок к идеальному, зависят качественные не всегда удовлетворяет требованиям по спектраль- параметры радиотехнических устройств, такие как ной чистоте. чувствительность и селективность приёмников, а Система ФАПЧ содержит в себе ряд элементов, также уровень внеполосных излучений передатчи- которые вносят свой вклад в уровень фазовых шу- ков. мов выходного сигнала СЧ. Одним из основных ис- Наиболее перспективными и массовыми источни- точников шумов является генератор, управляемый ками радиочастотных сигналов с точки зрения тех- напряжением (ГУН). 48 ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ |1|2025 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ КОЛЬЦО КОМПЕНСАЦИИ ШУМОВ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Рисунок 1 ПО ЧАСТОТЕ Частотно-фазовый детектор Известны многочисленные методы снижения фа- зовых шумов в СЧ. Чаще всего они основаны на многокольцевых структурах [1]. Одним из таких ко- лец может быть кольцо обратной связи по частоте (ОСЧ). Такой метод был впервые описан уже доста- точно давно [2, 3], суть его заключается в создании обратной связи по частоте с выхода ГУН на его вход, которая должна частично компенсировать выделен- ные в частотном детекторе (ЧД) шумы с выхода СЧ. В качестве ЧД предполагалось использовать фазо- вый детектор (ФД) с линией задержки (ЛЗ). Однако он не получил должного развития из-за сложностей реализации ЛЗ, которые могут привести к тому, что кольцо ОСЧ не улучшит, а наоборот, ухудшит пара- метры всего кольца ФАПЧ. Рисунок 2 Одним из вариантов реализации ЛЗ является ис- Фильтр нижних частот на выходе ЧФД пользование коаксиального кабеля. В таком виде ЛЗ имеет довольно большие габариты, а также уязвима к влиянию на нее электромагнитных колебаний. Кро- ме того, в длинном коаксиальном кабеле происходит сильное ослабление сигнала, ввиду дополнительного активного сопротивления, что вызывает необходи- мость усложнять конструкцию малошумящими уси- лителями. Другим способом реализации является использование элементов на поверхностных акусти- Рисунок 3 Структурная схема кольца ФАПЧ с добавленным к нему ческих волнах (ПАВ). Они выигрывают у коаксиаль- кольцом ОСЧ ных линий по габаритам, однако точно так же уяз- вимы к электромагнитным колебаниям и точно так же вносят в сигнал сильное затухание. Кроме того, элементы ПАВ очень чувствительны к вибрации. Всё это в совокупности не даёт эффективно использовать ПАВ-фильтры в качестве линий задержки. Однако в последние годы появилась возможность реализации ЛЗ на оптоволокне с преобразованием радиосигнала в оптический путем модуляции, а затем Рисунок 4 обратно в радиосигнал (детектирование) [4]. Этим Математическая модель кольца ФАПЧ с кольцом ОСЧ способом удаётся реализовать задержку сигнала вплоть до десятков микросекунд при сравнительно небольших габаритах устройства. Кроме того, оп- тический кабель невосприимчив к вибрационным и электромагнитным воздействиям. В наши дни существуют генераторы радиочастот- ных сигналов фиксированной частоты, в которых успешно используют стабилизирующие свойства ЛЗ на оптоволокне. В таких генераторах удалось достичь уровней фазовых шумов до –140 дБн на частотах до 10 ГГц при отстройках 10 кГц [5, 6]. Это даёт надежду для простейшей системы ФАПЧ первого порядка с на возможность использования таких ЛЗ для реали- ФД типа выборка-запоминание (В-З). Однако в по- зации ЧД и кольца ОСЧ [7, 8]. следние десятилетия СЧ косвенного типа преиму- Известны работы по анализу частотных характе- щественно строятся с использованием частотно- ристик (ЧХ) кольца импульсно-фазовой автопод- фазовых детекторов (ЧФД), которые предполагают стройки частоты (ИФАПЧ) совместно с кольцом использование петлевых фильтров нижних частот ОСЧ [5], однако в этих работах исследования про- (ФНЧ) не ниже второго порядка. ЧФД чаще всего изводились либо по упрощенной модели ЛЗ, либо реализуется на двух D-триггерах и токовых ключах 49 ELSV.RU (рис. 1), совмещая в себе сразу и Рисунок 5 ЧД, и ФД, что позволяет суще- Частотные характеристики кольца ИФАПЧ с кольцом ОСЧ для воздействия ственно облегчить обеспечение по входу устойчивости системы ИФАПЧ. Фильтр на выходе частотно-фа- зового детектора представляет со- бой преобразователь импульсного тока, создающий управляющее напряжение для ГУН при замы- кании соответствующих ключей. Схема частотно-фазового детек- тора приведена на рис. 1, а типо- вого ФНЧ – на рис. 2. Структурная схема СЧ на ос- Рисунок 6 нове ИФАПЧ с ЧФД и делителем Частотные характеристики кольца ИФАПЧ с кольцом ОСЧ для шумов ГУН с переменным коэффициентом деления (ДПКД) с добавлением кольца ОСЧ будет иметь вид, по- казанный на рис. 3. На рис. 4 представлена модель, которая описывает схему, пока- занную на рис. 3. В эту модель по сравнению с классической систе- мой ИФАПЧ добавлена цепь об- ратной связи по частоте, сигнал на выходе которой вычитается из сигнала на входе управления ГУН. Ф ильтр верхних частот (ФВЧ) ис- Рисунок 7 ключает сдвиг частоты за счёт по- Частотные характеристики кольца ФАПЧ для разных значений постоянной стоянной составляющей с выхода времени ФВЧ в кольце ОСЧ ФД цепи ОСЧ, ФНЧ2 отражает инерционность цепи управления и обеспечивает подавление про- дуктов преобразования, усилитель в цепи ОСЧ задает коэффициент передачи кольца обратной связи по частоте. РАСЧЁТ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЬЦА ФАПЧ С КОЛЬЦОМ ОСЧ Для расчёта частотных характери- стик относительно воздействий по входу и выходу СЧ необходимо произвести ряд замен (см. рис. 4): XXX (((p)=WWW (((p), где WWW (((р) – 1 ффнч1 ффнч1 передаточная функция ФНЧ в общем кольце ФАПЧ, определя- емая формулой W (р)(cid:2) K 0 (1(cid:8)R1 C1 p)(1(cid:8)R2 C2 p) , жающий комплексную частоту; KKK 0 – нормированный коэффициент фнч (cid:11) (R1(cid:8)R2)C1 C2 (cid:14) передачи фильтра. p(cid:13)1(cid:8) p(cid:16)(cid:16) (cid:12) C1(cid:8)C2 (cid:15) Расчет элементов фильтра выполняется с применением показателя колебательности ММ [9, 10], который используется при синтезе импульс- где R1, C1, R2, CCC2 – параметры ных систем и определяется как отношение максимума амплитудно- фильтра, приведенного на рис. 2; частотной характеристики (АЧХ) замкнутой системы к значению этой p = j – оператор Лапласа, отра- характеристики при нулевой частотной отстройке от несущей ( =0). 50 ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ |1|2025 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ На основании эксперимен- где KKK1 – петлевой коэффициент передачи кольца ФАПЧ, учитывающий тальных данных этот показатель коэффициент деления ДПКД NNN, K1 определяется как обычно выбирается в пределах от E K 1,1 до 2,1. При М =1,5…1,7 обе- K1 d 0 , спечивается оптимальное бы- Nmax стродействие. Значение М =1 где EE – статический коэффициент передачи ЧФД, определяемый как dd соответствует устранению коле- Im бательного характера переходных E (cid:2) ; d 2" процессов, но такое существенное «демпфирование» систем трудно 1 достижимо на практике и приво- X (p)W (p) , 3 vco p дит к ухудшению быстродействия; при M >1,7 в системе c ФД с В-З где W (((p) – передаточная функция ГУН; vco возникают неприемлемые и дли- X (p)(cid:2)W (p)(cid:2)e(cid:7)%p, тельные колебательные переход- 4 dl ные процессы. где WW (((p) – передаточная функция ЛЗ; dl Элементы R1, C1 и ССС2 можно X (p)(cid:2)GW9 (p)W9 (p)S, определить через коэффициент 5 hpf lpf колебательности МММ, крутизну ха- где GG – коэффициент усиления кольца ОСЧ; W (p) – передаточная hpf рактеристики перестройки ГУН функция фильтра верхних частот в кольце ОСЧ;W (p) – передаточная lpf по частоте S, амплитуду тока ЧФД функция фильтра нижних частот в кольце ОСЧ. Im, максимальный коэффициент Частотные характеристики для воздействий на входе и выходе коль- деления ДПКД NNNmax и период ца ФАПЧ с кольцом ОСЧ можно получить, заменяя при построении дискретизации системы TT по сле- графиков p на j: дующим формулам: (cid:11) (cid:14) h(cid:2) 1(cid:8)e (cid:7) T 1 2 , W 1 (p)(cid:2)10lg (cid:12) (cid:13) (cid:13) 1(cid:8)X (p)X (p) X X 1 ( ( p p )X )(cid:8) 2 ( X p) ( X p 3 ) ( (1 p) (cid:7)X (p))X (p) (cid:15) (cid:16) (cid:16) ; (cid:7)1 1 2 3 3 4 55 1(cid:7)e T 2 где TTT – нормированная к периоду (cid:11) 1 (cid:14) диск 2 ретизации ЧФД постоянная W 2 (p)(cid:2)10lg (cid:12) (cid:13) (cid:13) 1(cid:8)X (p)X (p)X (p)(cid:8)X (p)(1(cid:7)X (p))X (p) (cid:15) (cid:16) (cid:16) . времени; 1 2 3 3 4 5 На рис. 5 и 6 в качестве примера приведены зависимости АЧХ WWW(((p) и ImST2 1 K  ; WWW (((p) от величины коэффициента усиления кольца ОСЧGG при =100 нс norm Nmax (вр 2 емя задержки ЛЗ) и М =1,5. Отметим, что все дальнейшие расчё- ты будут проведены также для М =1,5, при котором исходная система 4M(h(cid:8)T(M (cid:7)1)2) R1 (cid:2) ; ИФАПЧ обладает максимальным быстродействием и достаточно глад- norm h3(M (cid:8)1)2 кими АЧХ (величина выброса не превышает 1,5) T h2(M (cid:8)1)2 Как видно из рис. 5 и 6, кольцо ОСЧ оказывает существенное влияние C1 (cid:2) 2 ; на способность системы ИФАПЧ подавлять внешние и внутренние norm 4M(h(cid:8)T (M (cid:7)1)) 2 шумы. УсилениеGG в 10 раз даёт выигрыш на 10 дБ как для частотной характеристики по входу, так и для частотной характеристики по выходу h3(M (cid:8)1)2 C2 (cid:2) ; в широкой области частотных отстроек. Частотные характеристики с norm 4M(M (cid:7)1) G=0 являются исходными для кольца ИФАПЧ без ОСЧ, с ними про- исходит сравнение всех остальных характеристик при G > 0. C1C1 K ; norm norm Однако помимо улучшения, в определенных областях (в окрест- ностях значения частоты с периодом, кратным значениям времени C2C2 K ; norm norm задержки) наблюдается подъем АЧХ. Кольцо ОСЧ при увеличенииG R1 T увеличивает основной выброс (подъем частотной характеристики зам- R1 norm ; кнутого кольца ИФАПЧ с кольцом ОСЧ), зависящий от параметров K norm кольца ИФАПЧ, одновременно сдвигая его по частоте ближе к несущей и создавая другие выбросы на частотах, соответствующих периоду, со- 1 K (cid:2) ; поставимому со временем задержки. 0 C1(cid:8)C2 Параметры ФВЧ в кольце ОСЧ существенно влияют на величину выброса в области НЧ. Это характерно как дляWWW (((p), так и дляWWW (((p). X (p)K1, 1 2 2 На рис. 7 приведены ЧХ кольца ИФАПЧ с кольцом ОСЧ при разных 51 ELSV.RU Рисунок 8 шой Tlpfff, выбросы, созданные ЛЗ Частотные характеристики кольца ФАПЧ для разных значений постоянной к кольце ОСЧ, сдвигаются по ча- времени ФНЧ в кольце ОСЧ стоте в сторону ее уменьшения. Слишком большая постоянная времени Tlpfff, как и в случае ФВЧ, снижает еще и полезный эффект компенсации кольца. Кроме того, любое увеличение инерционности неизбежно скажется на динами- ческих характеристиках системы (устойчивость, время переходных процессов). Учет такого влияния представляет собой отдельную за- дачу анализа. В системе ИФАПЧ с ОСЧ оба кольца оказывают взаимное вли- яние друг на друга. Рассмотрим влияние изменения показателя колебательности ММ на вид АЧХ Рисунок 9 комбинированной системы при Частотные характеристики кольца ФАПЧ для разных значений коэффициента М G=10, Thpf =1 мкс, Tlpf =100 нс. Можно заметить, что измене- ние коэффициента ММ оказывает довольно существенное влияние на подавление фазовых шумов ГУН. Однако одновременно с этим снижается способность си- стемы подавлять возмущения по входу (к которым сводятся шумы опорного генератора (ОГ), ЧФД, ДПКД). В классическом кольце ИФАПЧ с В-З значение М >2 при- водит к неустойчивости. Однако потенциально кольцо ОСЧ может повысить устойчивость комбини- рованной системы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ значениях постоянной времени ФВЧ Thpff в кольце ОСЧ при G=10 и Если сравнивать частотные ха- других параметрах, таких же, как для графиков на рис. 5 и 6. рактеристики системы ИФАПЧ с Можно заметить, что ФВЧ при определенных параметрах успешно кольцом ОСЧ и без него, можно подавляет основной выброс кольца ИФАПЧ. Однако, если постоянная сделать вывод, что кольцо ОСЧ времени ФВЧ окажется слишком маленькой, то помимо снижения вы- позволяет добиться значительно- броса, снижается полезный эффект кольца компенсации шумов. Та- го подавления шумов различных ким образом, важной задачей является поиск оптимального значения элементов синтезатора частоты, параметров фильтра для конкретной реализации СЧ с учётом вклада прежде всего – фазовых на вы- шумов его элементов в различных областях частотных отстроек. ходе ГУН в областях частотных Также необходимо решить проблему выбросов в области больших отстроек, превышающих частоту частотных отстроек от несущей частоты, создаваемых кольцом ОСЧ. дискретизации ЧФД. Но важно Для этого рассмотрим влияние ФНЧ в кольце ОСЧ на уровень таких помнить о необходимости под- выбросов. На рис. 8 приведены зависимости WWW (((p), WWW (((p) при G=10, бора параметров кольца ОСЧ, 1 2 Thpf =1 мкс при разных значениях постоянной времени ФНЧ2 Tlpfff. поскольку в ряде случаев кольцо Из рис. 8 видно, что внесение ФНЧ в кольцо ОСЧ приводит к умень- ОСЧ может не только не улуч- шению величин выбросов. Однако с ростом постоянной времени Tlpf шить работу кольца ФАПЧ, но и происходит подъем АЧХ в промежутках между выбросами. Помимо ухудшить некоторые его показа- этого, поскольку ФНЧ также вносит задержку, то при достаточно боль- тели. 52 ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ |1|2025 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ Таким образом, для конкретных применений синтезатора. Помимо этого, с учётом наличия в синтезатора частоты такого типа необходимо каж- такой сложной динамической системе ряда инер- дый раз подбирать оптимальное сочетание пара- ционных и нелинейных элементов, стоит важная метров, обеспечивающих требуемые спектральные задача исследования её устойчивости и быстродей- характеристики с учётом шумов всех элементов ствия. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ченакин, А.В. Практическое построе- et al. // Journal of the Optical Society of 8. Романов, С.К. Системы импульсно-фа- ние синтезаторов частот СВЧ-диапазона / America B. – 2008. – Vol. 25, Issue 12. – зовой автоподстройки в устройствах син- А.В. Ченакин, А.В. Горевой. – М.: Горячая P. 2140-2150. теза и стабилизации частот / С.К. Романов, линия – Телеком, 2023. – 280 с. 5. Борцов, А.А. Лазерные оптоэлектрон- Н.М. Тихомиров, А.В. Леньшин. – М.: Радио 2. Stokes, V.O. Techniques of frequency ные генераторы с накачкой квантовораз- и Связь, 2010. – 328 с. synthesis / V.O. Stokes // Proceedings of the мерным лазерным диодом: дис. ... докт. 9. Пестряков, А.В. Анализ спектральных Institution of Electrical Engineers. – 1973. – тех. наук: 05.12.04 / Борцов Александр характеристик системы ФАПЧ с допол- Vol. 120, Issue 10R. – P. 1057-1077. Анатольевич. – М., 2014. – 402 с. нительной обратной связью по частоте / 3. Рыжков, А.В. Синтезаторы частот 6. Bortsov, A.A. Laser Optoelectronic А.В. Пестряков // Электросвязь. – 1990. – в технике радиосвязи / А.В. Рыжков, Oscillators / A.A. Bortsov, Y.B. Il’in, № 5. В.Н. Попов. – М.: Радио и связь, 1991. – S.M. Smolskiy. – Springer, 2020. – 522 p. 10. Иванов, В.А. Теория дискретных си- 264 с. 7. Левин, В.А. Синтезаторы частот с стем автоматического управления: учебное 4. Volyanskiy, K. Applications of the системой импульсно-фазовой автопод- пособие / В.А. Иванов, А.С. Ющенко. – М.: optical fi ber to the generation and to the стройки / В.А. Левин, В.Н. Малиновский, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, measurement of low-phase-noise microwave С.К. Романов. – М.: Радио и связь, 1989. – 2015. – 348 с. signals / K. Volyanskiy, J. Cussey, H. Tavernier 232 с. Получено 23.12.24 Frequency characteristics of a frequency synthesizer with a noise compensation ring A.E. Mikenin, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI), postgraduate; a.e.mikenin@mtuci.ru A.V. Pestryakov, MTUCI, professor, Dr.Sci.(Tech.); a.v.pestriakov@mtuci.ru Abstract.This article describes the problem of noise compensation in indirect-type frequency synthesizers. An existing method of phase noise compensation using a frequency feedback ring is reviewed. The frequency characteristics are calculated for the input effects, as well as for the voltage-controlled oscillator noise. The article provides a comparison of the changes in these characteristics depending on the parameters of various elements of the compensation ring. Keywords: frequency synthesizer, phase noise, oscillator, noise compensation, frequency characteristics. 53 ELSV.RU ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Диагностические сети для обеспечения информационной безопасности телекоммуникационного оборудования И.Б. Саенко,Санкт-Петербургский филиал ФГБУ НИИР – «ЛОНИИР», старший научный сотрудник, Военная академия связи им. маршала Советского Союза С.М. Буденного, профессор, д.т.н.; ibsaen@mail.ru А.В. Васин, Государственный университет морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова (ГУМРФ), зав. кафедрой прикладной математики, доцент, д.т.н.; VasinAV@gumrf.ru В.Е. Марлей, ГУМРФ, профессор кафедры вычисл ительных систем и информатики, д.т.н.; vmarley@mail.ru Н.Н. Крамской, Специальный технологический центр, начальник направления разработки и производства средств защиты информации; kram.com@mail.ru А.В. Ермаков, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, советник ректора, Санкт-Петербургски й филиал ФГБУ НИИР – «ЛОНИИР», начальник отдела, доцент, к.э.н.; ermakov-it@yandex.ru