Verbesserte DAC-Phasenrauschmessungen ermöglichen DDS-Anwendungen mit ultrageringem Phasenrauschen - beam-Verlag
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Messtechnik
Verbesserte DAC-Phasenrauschmessungen ermöglichen
DDS-Anwendungen mit ultrageringem Phasenrauschen
In Radaranwendungen Entwickler solcher Hochleis-
ist das Phasenrauschen tungssysteme wählen Oszilla-
toren mit sehr geringem Phasen-
eine wichtige rauschen. Das Ziel der Signal-
Leistungskennzahl ketten, aus Sicht des Rauschens,
für Systeme mit hoher besteht darin, das Oszillator-
Phasenrauschprofil nur mini-
Stör-Dämpfung. mal zu beeinträchtigen. Dies
Phasenrauschen betrifft verlangt Residual-/Additive-
alle Funksysteme. Phasenrauschmessungen der
verschiedenen Komponenten in
Allerdings können der Signalkette.
speziell Radarsysteme,
Vor kurzem vorgestellte Hoch-
bei kleineren Offsets geschwindigkeits-D/A-Wand-
zur Trägerfrequenz, ler eignen sich bestens für die
ein niedrigeres Erzeugung von Signalverläufen
Phasenrauschen als ein und Frequenzen für alle LOs,
die in Frequenzwandlungsstu-
Kommunikationssystem fen notwendig sind. Die Radar-
erforderlich machen. Ziele jedoch stellen hohe Anfor-
Bild 1: Verbesserung des Phasenrauschens beim AD9164 derungen an das DAC-Phasen-
rauschen.
Der Artikel zeigt gemessene Ver-
besserungen von über 10 dB bei
10-kHz-Offsets und dem Ein-
satz des DAC-Modells AD9164.
Bild 1 zeigt die Verbesserung,
und im Folgenden wird erläu-
tert, wie die Ergebnisse mit einer
Kombination aus Auswahl des
Stromversorgungsreglers und
Verbesserungen beim Testauf-
bau erzielt wurden.
Phasenrauschen –
Definition
Phasenrauschen ist ein Maß für
die Abweichung eines perio-
Bild 2: Plot-Methode bei Phasenrauschmessungen dischen Signals vom korrekten
Wert beim Nulldurchgang. Man
stelle sich einen Cosinusverlauf
mit Phasenschwankungen vor
x(t) = cos(2πft + Φ(t))
f = augenblickliche Frequenz
Φ(t) = wahllos schwankende
Phase in Radianten
Das Phasenrauschen ergibt sich
aus der Leistungsspektraldichte
der Phasenschwankungen
Analog Devices Bild 3. Der DDS-Testaufbau für absolutes Phasenrauschen enthält
www.analog.com sowohl das DAC- als auch das Oszillatorrauschen
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Messtechnik
Bild 4a: Messung des DDS-Residual-Phasenrauschens mit der Bild 4b: Messung des DDS-Residual-Phasenrauschens mit der
Phasendetektormethode Cross-Correlation-Methode
lute Phasenrauschen gegenüber
Linear betrachtet ist das Einsei- Messmethoden DAC kommuniziert. In moder-
dem Residual Phasenrauschen.
ten-Phasenrauschen definiert als nen DDS-Designs lassen sich
Absolutes Phasenrauschen ist Die Bilder in diesem Abschnitt digitale Phasenfehler wesentlich
das gesamte Phasenrauschen, zeigen Testaufbauten für DDS- kleiner als DAC-Fehler machen,
gemessen im System. Residual Phasenrauschen. Für DAC- und die DDS-Phasenrauschmes-
Phasenrauschen ist das additive Phasenrauschmessungen wird sungen werden typischerweise
Das Phasenrauschen wird nor- angenommen, dass der DAC durch die DAC-Leistungsfähig-
Phasenrauschen des zu testenden
malerweise in den Einheiten als Teil eines DDS-Subsystems keit begrenzt.
Bauteils (DUT).
dBc/Hz von 10log(L(f)) ausge- (Direct Digital Synthesizer) ver-
drückt. Die Daten des Phasen Dieser Unterschied ist, bei Test wendet wird. Ein DDS wird mit Den einfachsten und weitest
rauschens werden dann bei Off- aufbauten und der Ermittlung einem digitalen Sinusverlauf zu verbreiteten Testaufbau zeigt
setfrequenzen relativ zum HF- von Beiträgen zum Phasenrau- einem DAC implementiert, der Bild 3. Für den DDS wird eine
Träger aufgetragen. schen auf Komponentenebene, in einem monolithischen IC oder Taktquelle verwendet, das
Eine wichtige weitere Definition in einem System von großer einem FPGA oder ASIC gespei- DDS-Ausgangssignal wird in
von Phasenrauschen ist das abso- Bedeutung. chert sein könnte, das mit einem einen Cross-Correlation-Pha-
Bild 5. Mängel von Stromversorgungen werden auf den HF-Träger moduliert
hf-praxis 2/2018 55
Messtechnik Bild 6: Regler-Rauschdichtenvergleich. Man beachte die Einheiten der Y-Achse — der ADM7155 ist um eine Größenordnung verbessert senrauschanalysator einge- Oszillators zu extrahieren und phasenrauschen aus der Messung Vorteil ein wesentlich besse- speist. Dies lässt sich einfach nur das DDS-Phasenrauschen zu beseitigen und eine Residual- rer Indikator des DAC-Phasen- implementieren, da nur ein DDS zu zeigen. Rauschmessung zu erhalten. Der rauschbeitrags, der in System- benötigt wird. Allerdings gibt Nachteil dieser Messungen ist, Level-Analyse-Budgets ange- es bei diesem Testaufbau keine Bild 4 zeigt zwei gebräuchliche dass der Testaufbau zusätzliche wandt werden kann. Bild 4a zeigt Methode, um den Beitrag des Methoden, um das Oszillator- DACs erfordert. Jedoch ist der die Phasendetektormethode. In Bild 7: Testaufbauten für AD9164 Phasenrauschmessungen 56 hf-praxis 2/2018
Messtechnik
Bild 9. AD9164 Residual-Phasenrauschmessungen mit den
Verbesserungen durch rauscharmen Regler
schließlich nur noch das DDS1- ter Störfaktor, der berücksich-
Residual-Phasenrauschen in der tigt werden muss. Stromver-
Bild 8: Vergleiche des Ausgangsphasenrauschens des AD9164 Messung enthalten ist. sorgungs-Ripple, der periodisch
bei 800 MHz
verläuft, moduliert den HF-Trä-
ger und erzeugt Störungen auf
diesem Fall kommen zwei DACs senrauschanalyse verwendet. In Beiträge zum dem HF-Träger bei Frequenzoff-
zum Einsatz, und der Oszillator- diesem Fall werden DDS2 und sets ähnlich der Ripple-Fre-
beitrag wird von beiden DUTs Stromversorgungs
DDS3 eingestzt, um den Taktbei- quenz. Das 1/f-Rauschen von
in der Abwärtswandlung zu DC trag zu den LO-Ports der Mes-
rauschen Reglern moduliert sich ebenfalls
subtrahiert. sung zu übersetzen. Ihr Beitrag In rauscharmen Analog- und auf den HF-Träger und trägt zum
Bild 4b zeigt eine Methode, wel- wird mit den Cross-Correlation- HF-Designs ist das Stromver- Phasenrauschprofil bei. Bild 5
che die Cross-Correlation- Pha- Algorithmen entfernt, so dass sorgungsrauschen ein bekann- veranschaulicht die Prinzipien.
Tabelle 1: Reglerfamilie mit einer Rauschdichte nach dem neuesten Stand der Technik
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Messtechnik
Messergebnisse • Frequenzen über 100 kHz hin-
gegen wurden durch die Takt- Autoren
Bei der Untersuchung des DAC- quelle begrenzt.
Phasenrauschens wurden die totypen, Fertigungsabdeckung,
Testaufbauten sowie das Reg- • Der steile Abfall über 10 MHz Feldinstallationen und Koor-
lerrauschen berücksichtigt. ist der Beitrag der Taktquelle, dination vieler Engineering-
Das ursprüngliche DAC-Eva- da es sich bei dem verwende- Bereiche.
luierungsboard verwendet den ten Takt um einen Multiplied-
Regler ADP7140 für die Ana- Quarzoszillator (MXO) han-
log- und Taktspannungen. Spek- delt, der 6 GHz erzeugt.
trale Rauschdichten wurden mit
kürzlich vorgestellten, äußerst • Der Roll-Off stammt von den
rauscharmen Reglern verglichen HF-Filtern in den Multiplika-
und der ADM7155 gewählt. tionsstufen.
Bild 6 veranschaulicht den Ver- Residual Phasenrauschmes-
gleich der Rauschdichten, wie sungen mit der Reglerverbesse- Peter Delos [peter.delos@
in den Datenblättern gezeigt. rung wurden bei weiteren DAC- analog.com] ist technischer Jarrett Liner [jarret.liner@
Die Stromversorgungsmodi- Frequenzen durchgeführt, einige Leiter in der Aerospace and analog.com] ist HF-System-
fikation diente lediglich dazu, davon sind in Bild 9 zu sehen. Defense Group von Ana- Applikationsingenieur in der
den ADM7155 sowohl für den Die Modifikationen wurden auf log Devices Inc. Er hat Aerospace and Defense Group
AD9164-Takt (Datenblatt Pins mehrere Evaluierungsboards sein B.S.E.E. im Jahr 1990 von Analog Devices Inc. in
VDD12_CLK) als auch die Ana- dupliziert. In allen Fällen zeigten vom Virginia Tech und sein Greensboro, NC. Er verfügt
logspannung (Datenblatt Pins sich die gleichen verbesserten M.S.E.E. vom NJIT im Jahr über beachtliche Erfahrungen
VDD12A) zu nutzen. Ergebnisse. 2004 erhalten. Von 1990 bis bei der Entwicklung von HF-
Als nächstes wurden mögliche 1997 arbeitete er im Naval Systemen und Komponenten.
Testaufbauten für Residual Pha- Die Familie mit äußerst rausch- Nuclear Power Programm. Vor dieser Tätigkeit war Jar-
senrauschmessungen überlegt. armen Reglern mit ähnlicher Diese Tätigkeit beinhaltete den rett Liner Applikationsinge-
Die Cross-Correlation-Methode Rauschdichte zeigt Tabelle 1. Abschluss des Naval Nuclear nieur für GaN-on-SiC-Ver-
mit dem Rohde & Schwarz Wie demonstriert, ist der Einfluss Power School Officer’s Pro- stärker für den Militär- und
FSWP wurde primär wegen der auf das DAC-Phasenrauschen gramm sowie Arbeit als Aus- Luftfahrtsektor. Zu seinen
Verfügbarkeit und Bequemlich- erheblich. Diese Regler wer- bilder in einem U-Boot-Werk früheren Erfahrungen gehört
keit gewählt. Bild 7 zeigt den den für alle Bereiche eines HF- und als leitender Electrical auch die Entwicklung und der
Testaufbau. Systems empfohlen, die optima- Field Ingenieur bei Seawolf Test von RF IC WLAN-Lei-
les Phasenrauschen benötigen. Class Submarines in Groton, stungsverstärkern und Front-
Bild 8 zeigt die Kurven der CT. 1997 übernahm er eine End-Modulen, denen er 13
Ergebnisse einer Messung für Zusammenfassung Position bei Lockheed Mar- Jahre lang nachging. Jarrett
drei Fälle: tin in Moorestown, NJ, und Liner diente sechs Jahre lang
• D ie ursprüngliche Evalu- Eine Überprüfung des Phasen- begann eine erfolgreiche in der United States Navy als
ierungsboard-Messung mit rauschens wurde für die grund- Karriere bei der Entwicklung Elektroniker.
einem absoluten Phasenrausch- legende Definition absolutes von Empfängern/Erregern
konzept ist als rote Kurve dar- gegenüber Residual Phasenrau- und Synthesizern für mehrere Sein B.S.E.E. hat er 2004 von
gestellt. schen, Testaufbauten für DAC- Radar- und EW-Programme. der North Carolina Agricultu-
Phasenrauschmessungen und Diese Erfahrung umfasste ral and Technical State Uni-
• Die hellblaue Kurve ist eben- Beiträge durch Reglerrauschen Architekturdefinition, detail- versity in Greensboro, NC,
falls eine absolute Messung, erläutert. liertes Design, schnelle Pro- erhalten.
jedoch mit der Reglerverbes-
serung. Verbesserungen des DAC-Pha-
• Die dunkelblaue Kurve ist eine senrauschens wurden demons-
Residual Phasenrauschmes- triert und zwar sowohl mit Test-
sung, die auch die Reglerver- methoden zur Messung von
besserung beinhaltet. Residual Phasenrauschen, als
auch für die optimale Regleraus-
Die Messung lässt drei generelle wahl. Das Endresultat ist, dass
Einschränkungsbereiche bei der der AD9164 jetzt das Design von
anfänglichen Messung erkennen, DDS-basierten Applikationen
die zu Beginn der Untersuchung mit äußerst geringem Phasen-
nicht so offensichtlich waren: rauschen ermöglicht, wenn die
• Frequenzen unter 1 kHz wur- Analogspannungen und Takt-
den durch das Close-in-Rau- spannungen über die rausch-
schen der Taktquelle begrenzt. arme Reglerfamilie von Analog
Devices versorgt werden.
• Frequenzen von 1 bis 100 kHz
wurden durch die Regleraus- ■ Analog Devices
wahl begrenzt. www.analog.com
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