Comparative Analysis of Noise Characteristics in High-Frequency Signal Generators Using Digital-to-Analog Converters

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The advancement of modern digital technology, the increase in productivity and operating clock frequency, and the development of specialized architectures for generating output signals have led to the creation of high-speed digital-to-analog converters (DACs). These converters are a crucial component of digital computing synthesizers, which are used to develop digital radio frequency signal generators. Goal. This paper aims at comparing methods for constructing digital signal generators based on high-speed DACs and analyze their noise characteristics. Methodology. The study presents various configurations for designing digital signal generators using high-speed DACs, including configurations with a mixer, a quadrature modulator, and special operating modes that enhance the efficiency of utilizing reference frequency images. Results. Analysis of simulation results indicates that the third configuration – a digital generator based on a high-speed DAC operating in special modes – exhibits the lowest level of phase noise. In RFZ3 mode, this configuration shows a phase noise level that is 10-14 dBn/Hz lower than that of the quadrature modulator-based generator and approximately 6-8 dBn/Hz lower than the mixer-based configuration. In RFZ4 mode, when utilizing the third positive image, a reduction of 15-22 dBn/Hz below the power spectral density (PSD) phase noise of the quadrature modulator-based generator and about 15-20 dBn/Hz below the mixer-based configuration is achieved. Additionally, the highest efficiency in utilizing images is obtained in higher Nyquist zones, where the increase in the output signal spectrum's envelope in special modes surpasses that in the DAC's primary NRZ mode. Conclusion. To effectively employ a digital signal generator based on high-speed DACs, frequency planning and the selection of optimal modes for analog signal restoration according to the image number used are necessary. Practical significance. The evaluation of the noise characteristics of the considered configurations, based on the proposed models, demonstrates that the use of the special operating modes of the DAC can significantly reduce the phase noise level of signal generators. Moreover, the use of high-speed DACs allows for the exclusion of analog elements from the signal generator structure, thereby significantly enhancing energy efficiency.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Vladimir V. Romashov

Murom Institute (branch) of Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov

Author for correspondence.
Email: romashovmurom@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7672-7164
SPIN-code: 6930-2111

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Orlovskaya st., Murom, 602264

Kirill A. Yakimenko

Murom Institute (branch) of Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov

Email: romashovmurom@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7985-4479
SPIN-code: 4740-1262

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Orlovskaya st., Murom, 602264

Andrey N. Doctorov

Murom Institute (branch) of Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov

Email: romashovmurom@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6074-6400
SPIN-code: 6557-8166

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Orlovskaya st., Murom, 602264

Igor D. Groshkov

JSC "Murom Radio Measuring Instruments Plant"

Email: romashovmurom@mail.ru
SPIN-code: 9264-7732

Design Engineer of the 1st category

Russian Federation, 2, Karacharovskoe highway, Murom, 602267

Natalya A. Sochneva

Murom Institute (branch) of Vladimir State University named after Alexander Grigorievich and Nikolai Grigorievich Stoletov

Email: romashovmurom@mail.ru
SPIN-code: 4866-0215

PhD student at the Department of Radio Engineering

Russian Federation, 23, Orlovskaya st., Murom, 602264

References

  1. Kroupa V. F. Direct Digital Frequency Synthesizers. USA, New-York: John Wiley & Sons; 1998. 396 p.
  2. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Chernov A.A. Theoretical bases of the method of the direct digital synthesis of radio signals for digital communication systems. Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Radio Engineering and Info-communication Systems. 2012;(1):3-34. (In Russ.).
  3. Ivanov D.V., Ivanov V.A., Mihadarova O.V. et al. Table, interpolation and iteration functional converters for the method of direct digital frequency synthesis. Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2017;(3):29-46. (In Russ.) doi: 10.15350/2306-2819.2017.3.29
  4. Ryabov I.V., Degtyarev N.V., Klyuzhev E.S., Strelnikov I.V. Formation of frequency-modulated signals using the direct digital synthesis method. Radioengineering. 2021;85(3):78−85. (In Russ.) DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202103-08
  5. Ryabov I.V. Digital synthesis of precision signals: Monograph. Yoshkar-Ola, Mari State Technical University; 2005. 152 p. (In Russ.).
  6. Romashov V.V., Yakimenko K.A., Doktorov A.N., Groshkov I.D. Radar hybrid signal generators based on high-speed digital-to-analog converters. Russian open Armandovskie chtenija. Modern problems of remote sounding, radar, propagation and diffraction of waves. Proceedings of the Russian Open Scientific Conference. Murom: Murom Institute; 2021:390–394. (In Russ.).
  7. Kalcher M., Fulde M., Gruber D. Fully-digital transmitter architectures and circuits for the next generation of wireless communications. Elektro-technik&Informationstechnik. 2018;(135/1):89–98.
  8. Bicici C., Ozdur I., Cerezci O. Analysis of oscillator phase noise effect on high order QAM links. Analog Integrated Circuits and Signal Pro-cessing. 2020;105(1):1–6. doi: 10.1007/s10470-020-01701-1
  9. Romashov V.V., Yakimenko K.A., Doctorov A.N. et al. Hybrid frequency synthesizer based on high-speed digital-to-analog converter. Radio-tehnicheskie i Telekommunikacionnye Sistemy. 2022;4(48):51-59. (In Russ.) doi: 10.24412/2221-2574-2022-4-51-59.
  10. Kroupa V. F. Noise properties of PLL systems. IEEE Trans. 1982;30(10):2244–2252.
  11. Ryzhkov A.V., Popov V.N. Frequency synthesizers in radio communication technology. Мoscow, Radio i Svyaz; 1991. 256 p. (In Russ.).
  12. Rubiola E. Phase Noise and Frequency Stability in Oscillators. UK, Cambridge: Cambridge University Press; 2009. 203 p.
  13. Yakimenko K.A., Romashov V.V., Khramov et al. The research of phase noise of frequency synthesizers based on high-speed direct-to-analog converters. Radioengineering. 2023;87(11):180-191. (In Russ.) doi: 10.18127/j00338486-202311-23.
  14. Romashov V.V., Khramov K.K., Doktorov A.N. et al. Improving the efficiency of the use of higher nyquist zones in direct digital synthesis of high-frequency signals. Radioengineering. 2022;86(5):135-144. (In Russ.) doi: 10.18127/j00338486-202205-16

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Block diagrams of the analyzed digital signal generators

Download (548KB)
3. Fig. 2. Generalized circuit of a quadrature modulator in digital up conversion mode

Download (234KB)
4. Fig. 3. Power spectral density of self-phase noise of the SMA100A reference frequency oscillator: a) at a signal frequency of 375 MHz; b) at a signal frequency of 1000 MHz

Download (508KB)
5. Fig. 4. Power spectral density of phase noise in signal generators, RF mode

Download (644KB)
6. Fig. 5. Power spectral density of phase noise in signal generators, RFZ3 mode

Download (649KB)
7. Fig. 6. Power spectral density of phase noise in signal generators, RFZ4 mode

Download (652KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».