МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ С УЧЕТОМ ПОРЯДКА ПЕТЛЕВОГО ФИЛЬТРА
Аннотация
Представлены модели синтезаторов частот с фазовой автоподстройкой частоты
(ФАПЧ) для диапазона 4,4…4,99 ГГц, который является наиболее перспективным для сис-
тем связи 5G в Российской Федерации. Рабочая полоса 4,4…4,99 ГГц предназначена для
обеспечения беспроводной связи стандарта 5G в пределах города и не используется други-
ми беспроводными сетями связи гражданского или военного назначения. Целью данной
работы является определение оптимальных параметров системы ФАПЧ, позволяющих
обеспечить максимальное ослабление паразитных составляющих спектра (ПСС) при ми-
нимальном времени установления заданной частоты на выходе синтезатора в полосе вы-
деленной для систем связи 5G. В соответствии с поставленной целью в статье были ре-
шены следующие задачи: математическое описание системы ФАПЧ с петлевыми фильт-
рами различных порядков; анализ частотных характеристик системы ФАПЧ с петлевымифильтрами различных порядков; определение оптимальных параметров системы ФАПЧ.
В качестве параметров оптимизации использовались отношение постоянных времени пет-
левого фильтра и запас устойчивости системы ФАПЧ. Для решения поставленных задач
был проведен расчет зависимостей ослабления ПСС от параметров оптимизации для слу-
чаев применения петлевых фильтров 2-го, 3-го и 4-го порядков. Кроме того, был выполнен
анализ зависимостей времени установления заданной частоты от оптимизируемых пара-
метров в трехмерном координатном базисе и определены минимальные значения времени
установления частоты для каждого из используемых петлевых фильтров. Показано, что
применение петлевых фильтров высокого порядка с оптимальными параметрами позволя-
ет существенно повысить уровень ослабления высших ПСС и одновременно уменьшить
время установления заданной частоты. В частности, петлевой фильтр 4-го порядка по-
зволяет обеспечить ослабление высших ПСС на 18 дБ больше и время установления задан-
ной частоты на 12,5% меньше, чем петлевой фильтр 2-го порядка. Кроме того, примене-
ние фильтра 4-го порядка позволяет повысить ослабление основной ПСС на 5 дБ по срав-
нению с петлевым фильтром 2-го порядка.
Литература
Specification Group Radio Access Network, 3rd Generation Partnership Project, 2022.
2. Fang D., Qian Y., Hu R.Q. Security for 5G Mobile Wireless Networks, IEEE Access, 2018,
Vol. 6, pp. 4850-4874.
3. Movchan A.K., Rogozhnikov E.V., Dmitriev E.M., Novichkov S.A., Lakontsev D.V. Raschet
oslableniya signala setey sotovoy svyazi 5G dlya chastot diapazona FR1 [Calculation of signal
attenuation of 5G cellular networks for frequencies of the FR1 band], Doklady TUSUR [Proceedings
of TUSUR University], 2022, Vol. 25, No. 1, pp. 17-23. DOI: 10.21293/1818-0442-
2021-25-1-17-23.
4. 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. DOI: 10.1109/RSEMW52378.2021.9494078.
5. 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. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998453.
6. Besekerskiy V.L., Popov E.P. Teoriya sistem avtomaticheskogo upravleniya [Theory of automatic
control systems]. 4th ed. Saint Petersburg: Izd-vo «Professiya», 2003, 752 p.
7. Banerjee D. PLL Performance, Simulation and Design. 5th ed. Dog Ear Publishing, LLC,
2017, 500 p.
8. Kharni O., Ioffe D. Razrabotka tochnoy petli fazovoy avtopodstroyki chastoty s vysokovol'tnym
GUN [Designing High-Performance Phase-Locked Loops with High-Voltage VCOs], Komponenty
i tekhnologii [Components & Technologies], 2010, No. 7 (108), pp. 138-142.
9. Chenakin A. Frequency Synthesizers: Concept to Product. Norwood, MA: Artech House,
2011, 214 p.
10. Pilipenko A.M. Parameter Optimization of Frequency Synthesizers for 5G Communication Systems,
2023 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). – Divnomorskoe, Russian
Federation, 2023, pp. 276-279. DOI: 10.1109/RSEMW58451.2023.10202136.
11. 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.
12. Best R.E. Phase-Locked Loops Design, Simulation and Applications. 6th ed. New York:
McGraw-Hill, 2007, 490 p.
13. Shakhtarin B.I., Prokhladin G.N., Ivanov A.A., Bykov A.A., Chechulina A.A., Grechishchev
D.Yu. Sintezatory chastot: ucheb. posobie [Frequency synthesizers: tutorial]. Moscow:
Goryachaya liniya – Telekom, 2007, 128 p.
14. Pilipenko A.M., Kol'tsov A.A. Analiz perekhodnykh protsessov v sintezatorakh chastot s
razlichnymi kharakteristikami nelineynogo zvena v konture fazovoy avtopodstroykoy chastoty
[Analysis of transient processes in PLL frequency synthesizers with various characteristics of
nonlinear link], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2021, No. 6 (223), pp. 52-63. DOI: 10.18522/2311-3103-2021-6-52-63.
15. Press W H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipes: The Art of
Scientific Computing. 3rd ed. New York: Cambridge University Press, 2007, 1235 p.
16. D'yakonov V.P. Entsiklopediya Mathcad 2001i i Mathcad 11 [Encyclopedia Mathcad 2001i
and Mathcad 11]. Moscow: SOLON-Press, 2004, 832 p.
17. Kuai L., Hong W., Chen J., Zhou H. A Frequency Synthesizer for LO in Millimeter-wave 5G
Massive MIMO System, 2019 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). Singapore,
2019, pp. 1014-1016.
18. HMC586LC4B Wideband MMIC VCO w/ Buffer Amplifier, 4–8 GHz, Data Sheet, Analog Devices,
2017. Available at: https://www.micro-semiconductor.com/datasheet/ee-HMC586LC4BTRR5.
pdf.
19. PLL Frequency Synthesizer ADF4106, Data Sheet, Analog Devices, 2012. Available at:
https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/670927/AD/ADF4106BCPZ.html.
20. 74HCT9046A PLL with band gap controlled VCO. Product data sheet. Rev. 9. Nexperia B.V.
2020.
21. 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 (176), S. 15-30.
