Frekvencia szintetizátor

Frekvenciaszintetizátor - bizonyos frekvenciájú periodikus jelek (harmonikus rezgések vagy elektromos órajelek) előállítására szolgáló eszköz lineáris ismétlődések (szorzás, összegzés, különbség) segítségével egy vagy több referenciaoszcillátoron. A frekvenciaszintetizátorok stabil (frekvenciás) rezgések forrásaiként szolgálnak rádióvevőkben , rádióadókban , frekvenciamérőkben , tesztjel- generátorokban és más olyan eszközökben, amelyek széles tartományban és a kiválasztott frekvencia nagy stabilitásával különböző frekvenciákra hangolnak. A stabilitás általában fáziszárt hurok vagy közvetlen digitális szintézis (DDS) alkalmazásával érhető el, kristályvezérelt referenciaoszcillátor használatával. A frekvenciaszintézis sokkal nagyobb pontosságot és stabilitást biztosít, mint a hagyományos elektronikus oszcillátorok induktivitás vagy kapacitás hangolással, nagyon széles hangolási tartományt kapcsolás nélkül, és szinte azonnali kapcsolást bármely adott frekvenciára.

Analóg szintetizátorok

Minden szintetizátor fő funkciója a referenciajel (referencia) szükséges számú kimeneti jellé alakítása. Az analóg szintetizátorok (közvetlen analóg szintetizátorok) úgy valósulnak meg, hogy az egyes alapfrekvenciákat összekeverik az azt követő szűréssel. Az alapfrekvenciák kisfrekvenciás (kvarc- és SAW-rezonátorok) vagy nagyfrekvenciás (dielektromos, zafír, hullámvezető, kerámia rezonátorok) oszcillátorokból nyerhetők szorzáson, osztáson vagy fáziszárt hurkon keresztül.

Az analóg szintetizátorok fő előnye a rendkívül gyors kapcsolási sebesség, amely mikro- vagy akár nanoszekundumos tartományba esik. További előny: az alapfrekvenciás forrásokhoz képest kivételesen alacsony önzajú komponensek (pl. keverők) alkalmazása. Vagyis az analóg szintetizátor zaját főként a mögöttes források zaja határozza meg, és meglehetősen alacsony is lehet.

Ennek a topológiának a fő hátránya a korlátozott tartomány és frekvenciafelbontás. A generált jelek száma növelhető több alapfrekvencia és/vagy keverési fokozat bevezetésével. Ez a megközelítés azonban több összetevőt igényel, és ezért bonyolítja a rendszert. Hatékony megoldás a Digital Synthesizer (Direct Digital Synthesizer – DDS) használata az analóg résztől szükséges minimális frekvencialépcső növelésére.További komoly probléma a sok nem kívánt spektrális komponens, amit a keverési fokozatok generálnak. Gondosan szűrni kell őket. A kapcsolható szűrőket is le kell választani. Számos különféle keverő- és szűrőelrendezés létezik, amelyek mindegyike általában nagyszámú komponenst igényel kis frekvencialépések és széles sávszélesség biztosításához. Így bár az analóg szintetizátorok kivételesen gyors hangolási sebességet és alacsony zajszintet kínálnak, használatuk korlátozott a meglehetősen magas költségjellemzőik miatt.

Digitális szintetizátorok

A hagyományos (analóg) megoldásokkal ellentétben a digitális szintetizátorok digitális feldolgozást használnak a kívánt kimeneti hullámforma létrehozására az alap (órajel) jelből. Először a jel digitális ábrázolása jön létre egy fázisakkumulátor segítségével, majd magát a kimeneti jelet (szinuszos vagy bármilyen más kívánt alakú) egy digitális-analóg konverter (DAC) segítségével állítják elő. A digitális jelgenerálás sebességét a digitális interfész korlátozza, de nagyon magas, és az analóg áramkörökéhez hasonlítható. A digitális szintetizátorok meglehetősen alacsony fáziszajt is biztosítanak. A digitális szintetizátor fő előnye azonban a rendkívül nagy (1 Hz alatti) frekvenciafelbontás, amelyet a fázisakkumulátor hossza határoz meg. A fő hátrányok a korlátozott frekvenciatartomány és a nagy jeltorzítások. Míg a digitális szintetizátor működési frekvenciatartományának alsó határa közel nulla hertz, a felső határa a Kotelnyikov-tételnek megfelelően nem haladhatja meg az órajel frekvenciájának felét. Ezenkívül a kimeneti jel rekonstrukciója nem lehetséges aluláteresztő szűrő nélkül, amely a kimeneti jel tartományát az órajel frekvenciájának körülbelül 40%-ára korlátozza.

Egy másik komoly probléma a nem kívánt spektrális komponensek magas tartalma a DAC átalakítási hibái miatt. Ebből a szempontból a digitális szintetizátor frekvenciakeverőként viselkedik, hamis komponenseket generálva a kombinált frekvenciákon. Míg ezeknek az összetevőknek a frekvenciahelye könnyen kiszámítható, amplitúdójuk sokkal kevésbé kiszámítható. Általában az alacsonyabb rendű torzításoknak van a legnagyobb amplitúdója. Egy adott szintetizátor architektúrájának tervezésekor azonban a nagyfokú torzítást is figyelembe kell venni. A parazita spektrális komponensek amplitúdója is nő az órajel frekvenciájának növekedésével, ami szintén korlátozza a generált frekvenciák tartományát. A tartomány felső határának gyakorlati értékei a több tíz és több száz megahertz közötti tartományban vannak a diszkrét spektrumtermékek szintjén -50…-60 dBc. Nyilvánvaló, hogy a frekvenciaszintetizátor kimeneti jelének közvetlen szorzása lehetetlen a spektrális összetétel további romlása miatt.

Számos hardver és szoftver megoldás létezik a digitális szintetizátor spektrális tartalmának javítására. A hardveres módszerek általában a digitális szintetizátor jelének frekvenciájának növelésén, majd felosztásán alapulnak.

Ez a módszer 20 dB/oktávval csökkenti a nem kívánt spektrumtermékeket. Sajnos ez csökkenti a generált frekvenciák tartományát is. A szintetizátor kimenetének frekvenciatartományának bővítéséhez növelni kell az alapfrekvenciák és a szűrők számát - ugyanúgy, mint az analóg áramkörökben.

A szoftveres módszerek azon a tényen alapulnak, hogy a szintetizátor hamis torzítási frekvenciái a DAC mintavételi gyakoriságának függvényei. Így a szintetizátor minden egyes kimeneti frekvenciájánál a hamis torzítások frekvenciája eltolható (és tovább szűrhető) a DAC mintavételi frekvenciájának megváltoztatásával. Ez a módszer különösen hatékony, ha a DAC órajelet PLL-alapú rendszerekkel állítják elő. Meg kell jegyezni, hogy a szoftveres módszer meglehetősen hatékonyan képes elnyomni egy viszonylag kis rendelés torzulásait. Sajnos a diszkrét spektrumtermékek sűrűsége rendszerint a sorrendjükkel arányosan növekszik. Ezért a szoftveres módszer csak -70 ... -80 dBc szintig képes kiszűrni a torzításokat.

Így a korlátozott frekvenciatartomány és a nem kívánt spektrális termékek magas tartalma miatt a digitális szintetizátorokat ritkán használják mikrohullámú jel közvetlen előállítására. Ugyanakkor széles körben használják összetettebb analóg és PLL rendszerekben a nagyfrekvenciás felbontás biztosítására.

PLL szintetizátorok

Egy tipikus egyhurkos PLL szintetizátor egy változó feszültségű vezérelt oszcillátort (VCO) tartalmaz, amelynek jele a szükséges (programozható) frekvenciaosztás után a fázisdetektor (PD) bemenetére kerül, a kívánt frekvencialépéssel megegyezően . A fázisérzékelő összehasonlítja a jeleket mindkét bemeneten, és hibajelet generál, amely szűrés és erősítés (ha szükséges) után a VCO frekvenciáját a megfelelőre állítja.

ahol FREF a referenciajel frekvenciája a fázisérzékelő bemenetén.

A PLL-alapú áramkörök fő előnyei a tisztább kimeneti spektrum az aluláteresztő szűrő (LPF) hatékony használatának köszönhetően, valamint az eszköz sokkal kisebb bonyolultsága az analóg szintetizátorokhoz képest. A fő hátrány a hosszabb hangolási idő és az analóg áramkörökhöz képest lényegesen magasabb fáziszaj. A szintetizátor fáziszaja a PLL szűrő áteresztősávján belül van

ahol λPD a referenciajel, a fázisérzékelő, a szűrő és a visszacsatoló áramkör erősítőjének fáziszaj teljes szintje, a fázisérzékelő bemenetére újraszámítva. Így a fáziszaj függ a frekvenciaosztó osztási tényezőjétől, amely elég nagy lehet a szükséges frekvenciafelbontás biztosításához. Így ahhoz, hogy 1 MHz-es felbontású 10 GHz-es jelet kapjunk, az osztási tényezőnek 10000-nek kell lennie, ami a fáziszaj 80 dB -lel történő növekedésének felel meg . Ezenkívül a programozható osztókat viszonylag alacsony frekvenciákon használják, amihez egy további, rögzített osztási arányú nagyfrekvenciás osztó (prescaler - PS) bevezetése szükséges. Ennek eredményeként nő a visszacsatoló hurok teljes osztási tényezője, és ennek következtében nő a fáziszaj. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen egyszerű áramkör nem teszi lehetővé a modern alacsony zajszintű referenciajel-generátorok zajképességének kihasználását. Ennek eredményeként az egyhurkos PLL áramköröket ritkán használják, nevezetesen olyan rendszerekben, amelyeknél alacsony a generált jel minőségére vonatkozó követelmények.

A szintetizátor főbb jellemzői jelentősen javíthatók, ha a visszacsatoló áramkörbe frekvenciaváltót (keverőt) építünk be. Ebben az esetben a VCO jel frekvenciája lefelé kerül átvitelre, ami jelentősen csökkentheti a visszacsatoló hurok osztási tényezőjét. A keverőreferencia egy opcionális PLL (többhurkos áramkörök) vagy egy frekvenciaszorzó segítségével jön létre. Jó megoldás a harmonikus keverő használata, amely a keverőbe épített dióda által generált referenciajel több felharmonikusát használja fel. A harmonikus keverő lehetővé teszi, hogy jelentősen leegyszerűsítse a szintetizátor kialakítását. Ugyanakkor meg kell jegyezni, hogy az ilyen típusú keverők rendkívül érzékenyek az egyes áramköri elemek paramétereire, amelyek optimalizálása korántsem triviális feladat. A fáziszaj és a frekvenciafelbontás konkrét követelményeitől függően lehetőség van nagyobb számú keverési fokozat bevezetésére, ami azonban megnehezíti a szintetizátor tervezését. A frekvenciakonverzión alapuló sémák használatával kapcsolatos másik probléma a hamis frekvencia rögzítés (például a keverő képcsatornájának használatakor). Ezért először pontosan be kell hangolni a VCO frekvenciáját, például egy DAC segítségével. Ez viszont megköveteli a VCO kimeneti frekvencia vezérlőfeszültségtől való függésének rendkívül nagy linearitását (és ismételhetőségét) az üzemi hőmérsékleti tartományban, valamint a VCO pontos kalibrálását, hogy kompenzálja e függés hőmérsékleti eltolódását. Ezenkívül a digitális-analóg konverterek általában zajosak, ami befolyásolja a szintetizátor zajjellemzőit, és a kívánt frekvenciára történő előhangolás után a DAC-t ki kell venni a PLL hurokból.

Lehetőség van a teljes osztási tényező csökkentésére tört osztási tényezők használatával is - úgy, hogy minden M jelperiódusban elosztjuk a frekvenciát N + 1-gyel, és elosztjuk N-vel az időintervallum többi részében. Ebben az esetben az átlagos osztási tényező egyenlő

ahol N és M egész számok. Adott frekvencialépés-méret esetén a törtosztási sémák lehetővé teszik magasabb referenciafrekvencia használatát a fázisdetektor bemenetén, ami csökkenti a fáziszajt és megnöveli a szintetizátor hangolási sebességét. A törtosztásos technika fő hátránya a nem-harmonikus spektrális komponensek megnövekedett tartalma a törtosztási mechanizmusban rejlő fázishibák miatt.

A digitális frekvenciaszintetizátor alapelemei

Magyarázzuk el, hogy a "digitális frekvenciaszintetizátor" kifejezésen az impulzus-fáziszáras hurok (IFAP) (vagy [impulzus] fáziszárt hurok - PLL) rendszereknél a digitális, főként digitális áramkört használó elemeit értjük. IFAP gyűrű:

• referenciajel frekvencia generálási útja;
• hangolható oszcillátor (VCO) vagy feszültségvezérelt oszcillátor (VCO) frekvenciacsökkentési útvonala;
• fázisfrekvencia érzékelő (PFD) vagy fázisfrekvencia érzékelő töltőszivattyúval.

A referenciafrekvencia-generálási útvonal egy Fixed Integer Divider (FIDF) vagy Reference Divider, és ennek osztási tényezője beállítható egy külső vezérlőszóval, például 1-től 16384-ig.

A hangolható oszcillátor frekvenciakonverziós útja változótényezős osztó (CVD) vagy osztás lebegőtényezős osztója, egész-N osztó, osztási tényezőjét szintén külső kód állítja be, és egységlépésekben változtatható. Alacsony frekvenciájú szintetizátorokban (például az ADF4001-ben) a VCO N-szoros frekvenciaosztási útja a hagyományos DPCD számlálófrekvenciaosztókon történik, mivel az alkalmazott CMOS technológia lehetővé teszi a számláló triggerek megvalósítását kapcsolással. idő akár 4-6 ns. Ezért a DPCD referenciaoszcillátor frekvenciaosztási útja MHz-es értékekig biztosítja a szintetizátor megbízható működését (például ADF4106-ban). Meg kell jegyezni, hogy minden ADF4000 sorozatú szintetizátor rendelkezik egy minimális referenciafrekvencia-osztási tényezővel . Az „előskálázó” vagy kétmodulos előskálázó bevezetése lehetővé tette a DPCD működési frekvenciájának a modern értékekre való emelését (például az ADF4113 szintetizátornál 4 GHz-ig, a 6 GHz-ig a ADF4106 szintetizátor). A minimális előskálázó modul lehetővé teszi az NMIN = 56 biztosítását. A szintetizátor kimeneti frekvenciája a következő képlettel határozható meg:

ahol: a szintetizátor kimeneti frekvenciája; — előskálázó modul; - a B számláló osztási tényezője; — az A számláló osztási tényezője (0 ≤ A < B); a referencia oszcilláció frekvenciája; a referenciaosztó osztási tényezője.

Minden előskálázó egy nyelésszámlálóból és egy impulzuselnyelő áramkörből áll . Ezeknek a csomópontoknak a teljes kapcsolási késleltetése nem lehet többszöröse a bemeneti oszcilláció periódusának, vagyis a bemeneti és vezérlőimpulzusok aktív esései nem eshetnek egybe. Ellenkező esetben a „verseny” hatása lép fel, és a készülék hibásan kezd működni. A gyakorlatban arra törekednek, hogy az előskálázóban a teljes késleltetés értéke ne haladja meg a bemeneti oszcilláció minimális időtartamát. Más szavakkal, az előskálázó késleltetése határozza meg a mikroáramkör maximális működési frekvenciáját.

Az ADF4110(1/2/3) szintetizátorok előskálázó működésének érdekessége az úgynevezett újraszinkronizálási mód, vagy az előskálázó kimenetének újraszinkronizálása.

Az előskálázó működésének szinkronizálási módjában az „osztás ” módból az „osztás ezzel” módba való átváltásának pillanatait az RF bemeneti jel frekvenciája zárja le. A kapuzás csökkenti az osztó fáziszaját (jitter), de szigorúbb követelményeket támaszt a mikroáramkör belső késleltetéseinek nagyságával és stabilitásával kapcsolatban. Ezért az RF bemeneten a maximális bemeneti frekvencia, amelyen a szintetizátor megbízhatóan működik, csökkenhet.

Linkek

• Starikov O. PLL módszer és a nagyfrekvenciás jelek szintetizálásának elvei.
• Makarenko V. Közvetlen digitális szintézis frekvenciaszintetizátorai.  (nem elérhető link)
• Ryzhkov A.V., Popov V.N. Frekvenciaszintetizátorok a rádiókommunikációs technológiában. - M .: Rádió és kommunikáció, 1991 - 264 s - ISBN 5-256-00623-1
• Manassevych V. Frekvenciaszintetizátorok. Elmélet. Tervezés.
• Shakhtarin B.I. Frekvencia szintetizátorok.