АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИНТЕЗАТОРАХ ЧАСТОТ С РАЗЛИЧНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НЕЛИНЕЙНОГО ЗВЕНА В КОНТУРЕ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ
Аннотация
Рассмотрены синтезаторы частот на основе системы фазовой автоподстройки
частоты (ФАПЧ), в которых используются фазовые детекторы (ФД) с различными нели-
нейными передаточными характеристиками. Целью данной работы является оценка бы-
стродействия синтезаторов частот в зависимости от вида нелинейности ФД и матема-
тическое описание нелинейной характеристики ФД, обеспечивающей максимальное быст-
родействие синтезатора частот. В соответствии с поставленной целью в статье были
решены следующие задачи: разработана обобщенная модель синтезатора частот с
ФАПЧ; описаны математические модели статических характеристик нелинейного звена
системы ФАПЧ при использовании различных видов известных ФД и модифицированногоФД с апериодической характеристикой; выполнен анализ динамики системы ФАПЧ при
изменении статической характеристики нелинейного звена. Модифицированный ФД обес-
печивает релейное управление процессами установления заданной частоты в синтезаторе
при возникновении большого фазового рассогласования. Получены численные оценки быст-
родействия синтезатора частот в зависимости от начального отклонения частоты при
использовании известных ФД и модифицированного ФД. Показано, что применение моди-
фицированного ФД позволяет уменьшить время установления частоты примерно в 1,5
раза по сравнению с наилучшим по быстродействию известным ФД. Определены опти-
мальные значения управляющего сигнала, обеспечивающие максимальное быстродействие
синтезатора частот с модифицированном ФД при заданных отклонениях частоты в ре-
жиме больших возмущений. Результаты данной работы справедливы для синтезаторов
частот на основе ФАПЧ UHF, L, S и С-диапазонов (от 300 МГц до 8 ГГц), использующихся
в беспроводных системах связи четвертого поколения (4G) и пятого поколения (5G).
Литература
Massive MIMO System, 2019 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). Singapore,
2019, pp. 1014-1016.
2. Phase Locked Loop (PLL) Synthesizer & Translation Loop. Analog Devices, Inc. Retrieved
17:50, March 22, 2021. Available at: http://www.analog.com/en/parametricsearch/11322.
3. Fang D., Qian Y., Hu R. Q. Security for 5G Mobile Wireless Networks, IEEE Access, 2018,
Vol. 6, pp. 4850-4874.
4. Zaitsev A.A. Nelineynoe kombinirovannoe upravlenie v sisteme impul'snoy fazovoy
avtopodstroyki chastoty [The compound nonlinear mode of operation of the pulse phaselocked-
loop frequency control system], Trudy Moskovskogo fiziko-tekhnicheskogo instituta
[Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology], 2009, Vol. 1, No. 2, pp. 48-53.
5. Best R.E. Phase-Locked Loops Design, Simulation and Applications. 6th ed., New York:
McGraw-Hill, 2007, 490 p.
6. Chenakin A. Frequency Synthesizers: Concept to Product. Norwood, MA: Artech House,
2011, 214 p.
7. Golub V. Sistema FAPCh i ee primeneniya [PLL system and its applications], ChipNews,
2000, No. 4, pp. 3-12.
8. Jansen K., Kennedy M.P. Comparison of Mathematical and Physical Phase Noise Performance
in Fractional-N Synthesizers, 2020 31st Irish Signals and Systems Conference (ISSC).
Letterkenny, Ireland, 2020, pp. 1-6.
9. 74HCT9046A PLL with band gap controlled VCO. Product data sheet. Rev. 9. Nexperia B.V.
2020.
10. D'yakonov V.P. Ehntsiklopediya Mathcad 2001i i Mathcad 11 [Encyclopedia Mathcad 2001i
and Mathcad 11]. Moscow: SOLON-Press, 2004, 832 p.
11. Pan J., Yoshihara T. A Fast Lock Phase-Locked Loop Using a Continuous-Time Phase Frequency
Detector, 2007 IEEE Conference on Electron Devices and Solid-State Circuits. Tainan,
Taiwan, 2007, pp. 393-396.
12. Pilipenko A.M. Simulation and parameters optimization of hybrid frequency synthesizers for
wireless communication systems, 2017 International Siberian Conference on Control and
Communications (SIBCON). Astana, Kazakhstan, 2017, pp. 1-6.
13. Pilipenko A.M. Issledovanie bystrodeystviya gibridnykh sintezatorov chastot [Research of
performance of hybrid frequency synthesizers], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 3, pp. 15-30.
14. Vaucher C.S. Architectures for RF Frequency Synthesizers. New York, Kluwer Academic
Publishers, 2002, 250 p.
15. Rohde U.L., Rubiola E., Whitaker J.C. Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and
Design. 2nd ed., Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2021, 816 p.
16. Besekerskiy V.A., Popov E.P. Teoriya sistem avtomaticheskogo upravleniya [Theory of automatic
control systems]. St. Petersburg: Professiya, 2004, 752 p.
17. D'yakonov V.P. MATLAB i SIMULINK dlya radioinzhenerov [MATLAB and SIMULINK
for radio engineers]. Moscow: DMK Press, 2013, 975 p.
18. Pilipenko A.M. Testing of Numerical Simulation Methods for Hybrid Frequency Synthesizers,
2019 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). Divnomorskoe, Russia,
2019, pp. 384-387.
19. Pilipenko A.M. Vybor optimal'nykh parametrov sintezatorov chastot dlya sistem svyazi
standarta LTE Advanced [Choice of optimal parameters of frequency synthesizers for communications
systems of LTE Advanced standard], Komp'yuternye i informatsionnye tekhnologii v
nauke, inzhenerii i upravlenii (KomTekh-2017): Mater. Vserossijskoy nauchno-tekhnicheskoy
konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Computer and information technologies in science,
engineering and management (ComTech-2017): Materials of the All-Russian Scientific and
Technical Conference with International Participation], 2017, pp. 115-119.
20. Pilipenko A.M. Increasing Operation Speed of Frequency Synthesizers Using Nonlinear Control
in Phase-Locked Loop System, 2021 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves
(RSEMW). Divnomorskoe, Russia, 2021. pp. 385-388.
