CC BY
334
УДК 621.37.037
ВЛИЯНИЕ ДЖИТТЕРА НА РАБОТУ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
А.С.Королев
INFLUENCE OF JITTER ON MODERN HIGH-SPEED DIGITAL DEVISES FOR SIGNAL PROCESSING
A.S.Korolev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
Современные радиотехнические системы трудно представить без устройств, реализующих цифровую обработку сигналов, таких как аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Новейшие устройства АЦП, разработанные и применяемые в научно-исследовательской лаборатории цифровой обработки сигналов Новгородского университета, предъявляют все более жесткие требования по сигналу тактирования. В статье исследовано влияние джиттера (фазового шума) тактового сигнала на работу высокоскоростных цифровых устройств обработки сигналов. Определенны зависимости между величиной критического джиттера, разрядностью АЦП и тактовой частотой. Работа также включает в себя описание разработанного устройства — синтезатора тактового сигнала с низким уровнем фазовых шумов. Ключевые слова: джиттер, фазовый шум, цифровые устройства, цифровая обработка сигналов
It is difficult to realize modern radiosystems without digital devices for signal processing, such as the analog-to-digital converter (ADC) and digital-to-analog converter (DAC). Latest ADC device designed and used in the research laboratory of digital signal processing, in Novgorod State University, impose more stringent requirements to the timing signal. In this paper, we investigated the influence of jitter (phase noise) of timing signal on modern high-speed digital devises for signal processing. We determined the relations between the value of critical jitter, digit capacity of ADC and timing frequency. The work also includes the description of developed device - the timing signal synthesizer with ultralow phase noise. Keywords: jitter, phase noise, digital devices, digital signal processing
Введение
Современные цифровые устройства, обладающие высоким быстродействием и точностью, позволяют решать все более сложные задачи. До недавнего времени значительная часть разработчиков не принимала во внимание явление джиттера [1] (фазового шума) в цифровых системах, что объясняется отсутствием до недавнего времени измерительной аппаратуры, позволяющей проводить подобные измерения [2] или тем, что задачи были низкоскоростными и джиттер не оказывал значимого влияния на работу цифровых устройств.
С улучшением характеристик цифровых устройств появилась необходимость учитывать влияние джиттера на работу цифровых систем. Именно с такой действительностью столкнулись разработчики научно-исследовательской лаборатории цифровой обработки сигналов (НИЛ ЦОС) НовГУ.
Поэтому определение и исследования влияния джиттера на работу современных цифровых устройств цифровой обработки сигналов является весьма актуальным.
Целью работы является исследование влияния джиттера в системе тактирования АЦП EV10AQ190A от компании E2V и синтезатора тактовой частоты с низким уровнем фазовых шумов на основе микросхемы LMK04828 от компании Texas Instruments.
Требования к фазовому шуму тактового сигнала на примере современного АЦП EV10AQ190A от компании E2V
Исследуемая однокристальная микросхема включает четыре канала 10-разрядных АЦП с частотой выборки 1,25 Гвыб./с с возможностью объединить в два канала с частотой выборки 2,5 Гвыб./с или в одноканальном режиме при выборке 5 Гвыб./с.
Такие высокие показатели разрядности и частоты выборки предъявляют особенно жесткие требования к джиттеру тактового сигнала. Главной проблемой в работе АЦП, которая возникает из-за джиттера, является флуктуация (неопределенность) захвата номинального значения аналогового сигнала (рис.1).
Опшбк] 11ХМ1В шплптул!
Рис.1. Флуктуация захвата аналогового сигнала
Вследствие наличия джитттера в системе тактирования необходимо, чтобы величина этого джиттера была не выше определенного значения, при котором можно говорить о корректной работе системы. Максимально допустимый джиттер, обеспечивающий корректную работу систему при заданных разрядности и частоте дискретизации, определяется выражением:
At
29-л-/с
где q — разрядность; / — частота дискретизации.
Для рассматриваемого 10-разрядного АЦП рассчитан максимально допустимый джиттер, значения которого для корректной работы в различных режимах представлены в табл. 1.
Таблица 1 Максимально допустимый джиттер при различных режимах АЦП EV1CAQ19CA
Частота
1,25 Гвыб./с 2,5 Гвыб./с 5 Гвыб./с
дискретизации
Допустимый 248,7 фс 124,3 фс 62,2 фс
джиттер
Разработка модуля синтезатора тактового сигнала с низким уровнем фазовых шумов
Для использования в высокоскоростных цифровых устройствах АЦП EV10AQ190A возникает необходимость в тактовом сигнале, обладающим низким уровнем фазовых шумов. Для этой цели был разработан синтезатор тактового сигнала с низким уровнем фазовых шумов на основе микросхемы LMK04828B от компании Texas Instruments. Синтез заданной выходной частоты с низким значением выходного джиттера достигается благодаря двойной петле фазовой автоподстройки частоты [3].
Внешний вид модуля представлен на рис.2. Структурная схема LMK04828B представлена на рис.3.
Кроме микросхемы LMK04828, на печатной плате модуля расположены: усилитель уровня выходного сигнала; петлевой интегрирующий фильтр (ПИФ); регуляторы напряжения, обеспечивающие высокую стабильность питающего напряжения.
Использование данного модуля предполагает его установку на несущую плату для запуска, инициализации микросхемы LMK04828, загрузки управ-
Рис.2. Внешний вид синтезатора тактового сигнала
Рис.3. Структурная схема LMK04828B
, 10.00 dem dB/dhr: 15.0 dO Ü ROW: 1.00 Hz . Mí
I Autosale | ^ CF: 106.2500 MHz
Span: 100.0 kHz
Рис.4. Спектр выходного сигнала
ляющих регистров, а также для обратной связи, с целью принимать сигналы о состояние модуля и микросхемы LMK04828. Для этой цели в данном исследовании была использована разработанная в НИЛ ЦОС отладочная плата, позволяющая решать все выше описанные функции.
Характеристики выходной частоты синтезатора тактового сигнала на основе LMK04828B
Проанализируем выходные характеристики разработанного устройства. Был получен спектр и измерены фазовые шумы выходного сигнала. Для этого использовался спектроанализатор фирмы Tektronix, модель RSA5i06A. Спектр выходного сигнала, изображенный на рис.4, представляет набор гармоник на основной частоте и кратных частотах.
Как видно на рис.4, в спектре сигнала в полосе i00 кГц от несущей, равной i06,25 МГц, имеются побочные спектральные составляющие, не влияющие на устойчивость сигнала, поскольку их уровень составляет порядка -90 дБ.
Для измерения джиттера в используемом спек-троанализаторе имеется специальная внутренняя функция измерения фазовых шумов. Полученный график представлен на рис.5.
Данный график показывает по оси абсцисс отстройку частоты от 100 кГц до 1 МГц, по оси ординат откладывается фазовый шум в дБ/Гц. Как видно, чем больше отстройка от несущей частоты, тем меньше значение фазового шума.
В табл.2 представлены значения джиттера на различных выходных частотах.
Таблица 2
Значения джиттера на различных выходных частотах
Выходная частота, МГц i20 i80 280 420 630 i260 2520
Джиттер, пс 5,89 6,49 6,73 6,32 6,36 6,63 6,53
Основные выводы по тактированию АЦП EV10AQ190A
Проведенные исследования позволили оценить уровень джиттера тактового сигнала, сформированного синтезатором на LMK04828B, и определить ограничения по тактированию АЦП EV10AQ190A величиной 60 МГц. Дальнейшее снижение джиттера требует оптимизации устройства синтеза и введения в выходной каскад формирователя тактового сигнала устройства подавления фазовых шумов (jitter-cleaner).
Рис.5. Фазовые шумы выходного сигнала в полосе 100 кГц
1. ГОСТ 17657-79: Передача данных. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 1980. 25 с.
2. Бакланов И.Г., Лебедев А.Г., Сондак С.Ю. Несколько серьезных слов о джиттере // Метрология и измерительная техника в отрасли связь. 2005. №№2.
3. Кузменков А.С., Поляков А.Е., Стрыгин Л.В. Обзорный анализ современных архитектур синтезаторов частот с ФАПЧ // Труды МФТИ. 2013. Т.5. №3. С.121-130.
References
1. GOST 17657-79. Peredacha dannykh. Terminy i opredeleniia [Data transmission. Terms and definitions]. Moscow, Stan-dartinform Publ., 1980. 25 p.
2. Baklanov I.G., Lebedev A.G., Sondak S.Iu. Neskolko ser'eznykh slov o dzhittere [A few words on the jitter], Metrologiia i izmer-itel'naia tekhnika v otrasli sviaz', 2005, no. 2.
3. Kuzmenkov A.S., Poliakov A.E., Strygin L.V. Obzornyi analiz sovremennykh arkhitektur sintezatorov chastot s FAPCh [Review of state-of-the-art architectures of the PLL frequency synthesizers]. Trudy MFTI, 2013, vol. 5, no. 3, pp. 121-130.
