Зачем нужен синтезатор частоты

Синтезатор частот

Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность обычно достигается применением фазовой автоподстройки частоты или прямого цифрового синтеза (DDS) с использованием опорного генератора с кварцевой стабилизацией. Синтез частот обеспечивает намного более высокую точность и стабильность, чем традиционные электронные генераторы с перестройкой изменением индуктивности или ёмкости, очень широкий диапазон перестройки без-каких-либо коммутаций и практически мгновенное переключение на любую заданную частоту.

Аналоговые синтезаторы

Основной функцией абсолютно любого синтезатора является преобразование опорного сигнала (reference) в требуемое количество выходных сигналов. Аналоговые синтезаторы (Direct Analog Synthesizers) реализуются путем смешения отдельных базовых частот с их последующей фильтрацией. Базовые частоты могут быть получены на основе низкочастотных (кварцевые и ПАВ-резонаторы) или высокочастотных(диэлектрический, сапфировый, волноводный, керамический резонаторы) генераторов посредством умножения, деления или фазовой автоподстройки частоты.

Главным преимуществом аналоговых синтезаторов является чрезвычайно высокая скорость переключения, лежащая в микро или даже наносекундном диапазоне. Еще одно преимущество использование компонентов (например, смесителей) с исключительно малым уровнем собственных шумов по сравнению с источниками базовых частот. Т.е., шумы аналогового синтезатора определяются в основном шумами используемых базовых источников и могут быть весьма низкими.

Основной недостаток указанной топологии – ограниченные диапазон и разрешение по частоте. Количество генерируемых сигналов можно увеличить, введя большее число базовых частот и/или смесительных каскадов. Однако такой подход требует большего числа компонентов и, следовательно, усложняет систему. Эффективным решением является использование цифрового синтезатора (Direct Digital Synthesizer – DDS) для увеличения минимального частотного шага, требуемого от аналоговой части.Еще одна серьезная проблема – множество нежелательных спектральных составляющих, которые генерируют смесительные каскады. Они должны быть тщательно отфильтрованы. Необходимо также обеспечить изоляцию переключаемых фильтров. Существует немало различных схем организации смесителей и фильтров, все они, как правило, требуют большого числа компонентов для обеспечения малого частотного шага и широкого диапазона частот. Таким образом, хотя аналоговые синтезаторы и предлагают исключительно высокую скорость перестройки и малые шумы, их использование ограничено из-за довольно высоких стоимостных характеристик.

Цифровые синтезаторы.

В отличие от традиционных (аналоговых) решений, цифровые синтезаторы используют цифровую обработку для получения требуемой формы выходного сигнала из базового (тактового) сигнала. Сначала с помощью фазового аккумулятора создается цифровое представление сигнала, а затем генерируется и сам выходной сигнал (синусоидальной или любой другой желаемой формы) посредством цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).Скорость генерации цифрового сигнала ограничена цифровым интерфейсом, но весьма высока и сопоставима с аналоговыми схемами. Цифровые синтезаторы также обеспечивают довольно малый уровень фазовых шумов. Однако основным достоинством цифрового синтезатора является исключительно высокое разрешение по частоте (ниже 1 Гц), определяемое длиной фазового аккумулятора. Главные недостатки – ограниченный частотный диапазон и большие искажения сигнала. В то время как нижняя граница рабочего диапазона частот цифрового синтезатора находится близко к нулю герц, его верхняя граница, в соответствии с теоремой Котельникова, не может превышать половины тактовой частоты. Кроме того, реконструкция выходного сигнала невозможна без фильтра нижних частот, ограничивающего диапазон выходного сигнала приблизительно до 40% тактовой частоты.

Другая серьезная проблема – высокое содержание нежелательных спектральных составляющих из-за ошибок преобразования в ЦАП. С этой точки зрения цифровой синтезатор ведет себя как частотный смеситель, генерирующий побочные составляющие на комбинационных частотах. В то время как частотное местоположение этих составляющих можно легко вычислить, их амплитуда гораздо менее предсказуема. Как правило, искажения более низкого порядка имеют наиболее высокую амплитуду. Тем не менее, искажения высокого порядка также приходится учитывать при разработке архитектуры конкретного синтезатора. Амплитуда паразитных спектральных составляющих увеличивается и с увеличением тактовой частоты, что также ограничивает диапазон генерируемых частот. Практические значения верхней границы диапазона находятся в районе от нескольких десятков до нескольких сотен мегагерц при уровне дискретных спектральных продуктов -50…-60 дБн. Очевидно, прямое умножение выходного сигнала частотного синтезатора невозможно из-за дальнейшей деградации спектрального состава.

Существует много аппаратных и программных решений, призванных улучшить спектральный состав цифрового синтезатора. Аппаратные методы обычно основаны на переносе сигнала цифрового синтезатора вверх по частоте и его последующем делении.

Этот метод уменьшает содержание нежелательных спектральных продуктов на 20 дБ/октаву. К сожалению, при этом также уменьшается диапазон генерируемых частот. Для расширения диапазона частот на выходе синтезатора приходится увеличивать число базовых частот и фильтров – подобно тому, как это делается в аналоговых схемах.

Программные методы основываются на том, что частоты побочных искажений синтезатора являются функцией частоты дискретизации ЦАП. Таким образом, для каждой конкретной выходной частоты синтезатора побочные искажения могут быть сдвинуты по частоте (а в дальнейшем и отфильтрованы) путем изменения частоты дискретизации ЦАП. Этот метод особенно эффективен, если тактовые импульсы для ЦАП генерировать с использованием систем на основе ФАПЧ. Следует отметить, что программный метод работает достаточно эффективно для подавления искажений относительно малого порядка. К сожалению, плотность дискретных спектральных продуктов обычно увеличивается пропорционально их порядку. Поэтому программным методом удается отфильтровать искажения только до уровня -70…-80 дБн.

Таким образом, из-за ограниченного диапазона частот и высокого содержания нежелательных спектральных продуктов цифровые синтезаторы редко используются для непосредственного генерирования СВЧ сигнала. В то же время их широко применяют в более сложных аналоговых и ФАПЧ системах, чтобы обеспечить высокое разрешение по частоте.

Синтезаторы с ФАПЧ

Типичный однопетлевой синтезатор с ФАПЧ включает в себя перестраиваемый генератор, управляемый напряжением (ГУН), сигнал которого после требуемого (программируемого) деления по частоте доставляется ко входу фазового детектора (PD) Другой вход фазового детектора подключен к источнику опорного сигнала (reference), частота которого равна требуемому частотному шагу. Фазовый детектор сравнивает сигналы на обоих входах и генерирует сигнал ошибки, который после фильтрации и усиления (при необходимости) подстраивает частоту ГУН к

где λPD – пересчитанный ко входу фазового детектора суммарный уровень фазовых шумов опорного сигнала, фазового детектора, фильтра и усилителя цепи обратной связи. Таким образом, фазовый шум зависит от коэффициента деления частотного делителя, который, чтобы обеспечить требуемое разрешение по частоте, может быть довольно большим. Так, для получения сигнала на частоте 10 ГГц с разрешением 1 МГц коэффициент деления должен быть равен 10000, что соответствует увеличению фазового шума на 80 дБ. Кроме того, программируемые делители используются на относительно низких частотах, что требует введения дополнительного высокочастотного делителя с фиксированным коэффициентом деления (prescaler – PS). В результате увеличивается суммарный коэффициент деления петли обратной связи и, как следствие, возрастает фазовый шум. Очевидно, такая простая схема не позволяет использовать шумовые возможности современных малошумящих генераторов опорного сигнала. В итоге однопетлевые схемы с ФАПЧ применяются редко, а именно, в системах с низкими требованиями к качеству генерируемого сигнала.

Основные характеристики синтезатора можно значительно улучшить, включив частотный преобразователь (смеситель) в цепь обратной связи. При этом сигнал ГУН переносится вниз по частоте, что позволяет значительно уменьшить коэффициент деления цепи обратной связи. Опорный сигнал смесителя генерируется с помощью дополнительной петли ФАПЧ (многопетлевые схемы) или умножителя частоты. Удачным решением является применение смесителя гармоник, который использует многочисленные гармоники опорного сигнала, генерируемые встроенным в смеситель диодом. Смеситель гармоник позволяет значительно упростить конструкцию синтезатора. При этом следует отметить исключительно высокую чувствительность данного типа смесителя к параметрам отдельных элементов схемы, оптимизация которых – далеко не тривиальная задача. В зависимости от конкретных требований к фазовым шумам и разрешению по частоте возможно введение большего числа смесительных каскадов, что, однако, усложняет конструкцию синтезатора. Другой проблемой, связанной с применением схем, основанных на частотном преобразовании, является ложный захват частоты (например, при использовании зеркального канала смесителя). Поэтому необходимо предварительно достаточно точно настроить частоту ГУН, например с помощью ЦАП. Это, в свою очередь, требует исключительно высокой линейности (и повторяемости) зависимости выходной частоты ГУН от управляющего напряжения в рабочем температурном диапазоне, а также точной калибровки ГУН для компенсации температурного дрейфа данной зависимости. Кроме того, цифро-аналоговые преобразователи обычно отличаются повышенным уровнем шумов, что влияет на шумовые характеристики синтезатора и требует выведения ЦАП из петли ФАПЧ после предварительной настройки на требуемую частоту.

Снизить суммарный коэффициент деления можно и путем использования дробных коэффициентов деления – делением частоты на N+1 каждые М периодов сигнала и делением на N в течение остального промежутка времени. В этом случае усредненный коэффициент деления равен

где N и М – целые числа. Для заданного размера частотного шага схемы с дробным коэффициентом деления позволяют использовать более высокую частоту сравнения на входе фазового детектора, что приводит к уменьшению фазового шума и увеличению скорости перестройки синтезатора. Основной недостаток техники дробного деления – повышенное содержание негармонических спектральных составляющих из-за фазовых ошибок, присущих механизму дробного деления.

Основные элементы цифрового синтезатора частот.

Поясним, что под термином «цифровой синтезатор частот», применительно к системам импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП) (или [Impulse] Phase Locked Loop — PLL), мы понимаем цифровые, использующие в основном цифровую схемотехнику, элементы кольца ИФАП:

• тракт формирования частоты опорного сигнала;
• тракт приведения частоты перестраиваемого генератора (ГУН) или Voltage Controlled Oscillator (VCO);
• частотно-фазовый детектор (ЧФД) или Phase Frequency Detector with Charge Pump.

Тракт формирования частоты опорного сигнала представляет собой делитель с фиксированным целочисленным коэффициентом деления (ДФКД) или Reference Divider, а его коэффициент деления может устанавливаться внешним управляющим словом, например, от 1 до 16384.

Тракт приведения частоты перестраиваемого генератора — это делитель с переменным коэффициентом деления в раз (ДПКД) или Divider with a float factor of division, integer-N Divider, его коэффициент деления также устанавливается внешним кодом и может изменяться с единичным шагом.

В низкочастотных синтезаторах (например, в ADF4001) тракт деления частоты ГУН в N раз выполнен на обычных счетчиковых делителях частоты ДПКД, поскольку используемая технология КМОП (CMOS) позволяет реализовывать триггеры счетчика со временем переключения до 4–6 нс.

Поэтому и тракт деления частоты опорного генератора ДФКД обеспечивает надежную работу синтезатора до значений .

— модуль прескалера;
— коэффициент деления счётчика В;
— коэффициент деления счётчика A (0 ≤ A < В);
— коэффициент деления опорного делителя.

Любой прескалер состоит из поглощающего счетчика Swallowing Counter и схемы поглощения импульса . Суммарная задержка переключения этих узлов не должна быть кратной периоду входного колебания, то есть активные перепады входных и управляющих импульсов не должны совпадать. В противном случае возникает эффект «состязаний» и устройство начинает работать со сбоями. На практике стараются, чтобы величина суммарной задержки в прескалере не превышала минимального периода входного колебания. Иными словами, задержка в прескалере определяет максимальную рабочую частоту микросхемы.

Интересной особенностью работы прескалера в синтезаторах ADF4110(1/2/3) является так называемый режим ресинхронизации, или восстановления синхронизации входной радиочастоты на выходе прескалера — resynchronizing the prescaler output.

В режиме синхронизации работы прескалера моменты его переключения из режима «деление на » в режим «деление на » стробируются частотой входного сигнала RF. Стробирование уменьшает фазовый шум -делителя (джиттер), но предъявляет более жесткие требования к величине и стабильности внутренних задержек микросхемы. Поэтому максимальная входная частота на входе RF, при которой синтезатор надежно работает, может уменьшиться.

Ссылки

• Стариков О. Метод ФАПЧ и принципы синтезирования высокочастотных сигналов.
• Макаренко В. Синтезаторы частоты прямого цифрового синтеза.
• Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи.
• Манассевич В.Синтезаторы частот. Теория. Проектирование.
• Шахтарин Б.И.Синтезаторы частот.
• Синтезатор RD3AY ч/б графический.

• Радиотехника
• Генератор (электроника)

Широкополосные синтезаторы ФАПЧ со встроенными ГУН: могут ли они заменить дискретное решение?

Практически в каждой ВЧ- и СВЧ-системе необходим синтезатор частоты. Синтезатор частоты генерирует сигнал гетеродина, который подается на смесители, модуляторы, демодуляторы и многие другие ВЧ- и СВЧ-компоненты. Одним из способов реализации синтезатора, который отвечает за «сердцебиение» системы, является использование синтезатора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ).

Традиционно простая петля ФАПЧ делит частоту выходного сигнала генератора, управляемого напряжением (ГУН), сравнивает полученный сигнал с опорным сигналом, а затем подстраивает управляющее напряжение ГУН с целью подстройки его выходной частоты. В течение многих лет петля ФАПЧ и ГУН представляли собой две отдельные микросхемы — дискретное решение. ГУН формирует выходные сигналы, петля ФАПЧ следит за этими выходными сигналами и подстраивает ГУН так, чтобы его выходной сигнал был синхронизирован относительно известного опорного сигнала.

Существует несколько преимуществ дискретного решения:

• Каждая дискретная микросхема может быть спроектирована так, чтобы обеспечивать наилучшие характеристики.
• Физическая дистанция между ФАПЧ и ГУН уменьшает перекрестные наводки и минимизирует появление нежелательных паразитных гармоник на выходе.
• Если одна микросхема в цепи будет повреждена, то понадобится заменить меньшее количество компонентов

Долгое время дискретные решения доминировали в индустрии синтезаторов, но у них были и недостатки. Один из основных недостатков заключался в том, что для дискретного решения требуется много места на плате, поскольку в данном случае нужно разместить две микросхемы и все сопутствующие компоненты. В результате конечный продукт может быть больших размеров, а его стоимость высокой.

Другой серьезный недостаток заключается в том, что стандартные ГУН имеют узкий диапазон выходных частот. Стандартная ширина полосы ГУН составляет 50–500 МГц. Есть возможность увеличить частоту до 2 ГГц, но тогда потребуется активный фильтр на основе операционного усилителя. Это довольно сложная задача для тех, кто хочет реализовать систему с более широким частотным диапазоном, для чего необходимо несколько петель ФАПЧ, несколько ГУН, вспомогательные компоненты, фильтры, высокочастотные переключатели и источники питания. Это экспоненциально увеличивает занимаемую на плате площадь и стоимость конечного устройства. Помимо занимаемого места на плате, дискретные решения требуют большого объема дополнительной работы: настройки и тестирования, написания программного обеспечения, контроля за складскими запасами компонентов для каждого устройства.

Около 10 лет назад в индустрии синтезаторов на основе ФАПЧ произошел прорыв. На рынке начали появляться первые интегрированные петли ФАПЧ с ГУН. Это означало, что платы могут быть меньше, затраты ниже, а объем дополнительных работ значительно сокращен. Интегрированное решение также предполагает, что архитектуру ГУН можно менять, чтобы создать широкополосный синтезатор на основе одного компонента. Давайте рассмотрим архитектуру ГУН и то, как переход к интегрированным ГУН открыл путь к созданию высококачественных синтезаторов.

Традиционные ГУН представляют собой простые устройства. На их вывод настройки частоты подается напряжение, и в зависимости от этого напряжения на выходе ГУН формируется определенная частота. С увеличением напряжения выходная частота повышается, и, наоборот, с уменьшением напряжения выходная частота также снижается. На рис. 1 показан пример зависимости выходной частоты от напряжения настройки арсенид-галлиевого ГУН. Для обеспечения диапазона настройки 13 В потребуется активный фильтр или петля ФАПЧ с высоковольтной накачкой заряда.

Рис. 1. Зависимость выходной частоты от напряжения настройки традиционного ГУН

В интегрированном решении с ФАПЧ/ГУН используется архитектура ГУН другого типа, основанная на традиционной архитектуре. В интегрированном решении с ФАПЧ/ГУН эффективным образом объединено несколько традиционных ГУН, образующих такой генератор с очень широкой полосой. Каждый отдельный ГУН, формируемый путем включения и выключения конденсаторов, отвечает за свои полосы. Интеграция петли ФАПЧ и ГУН в одну микросхему делает возможной реализацию многополосной архитектуры. Каждый раз, когда необходимо перейти на новую частоту, устройство запускает процесс калибровки ГУН, при этом микросхема быстро сортирует полосы ГУН и выбирает оптимальную полосу для требуемой выходной частоты. После выбора полосы ГУН петля ФАПЧ замыкается и поддерживает на выходе желаемую частоту.

Микросхемы с ФАПЧ/ГУН первого поколения имели полосу пропускания более 4 ГГц. Сравните это с полосой пропускания дискретных решений, которая составляет 100–300 МГц. Такой частотный диапазон стал возможен лишь с появлением миниатюрных микросхем, а не наборов петель ФАПЧ, ГУН, фильтров и высокочастотных ключей. На рис. 2 показана зависимость выходной частоты от напряжения настройки многополосного интегрированного решения с ФАПЧ/ГУН. В этом примере основной диапазон выходных частот ГУН составляет 2200–4400 МГц. В данном случае на выходе ГУН установлен блок внутренних делителей, который позволяет уменьшить частоту до 35 МГц. В итоге полоса пропускания этого интегрированного решения в корпусе 5×5 мм составит более 4 ГГц.

Рис. 2. Зависимость выходной частоты от напряжения настройки многополосного ГУН

Несмотря на то что эта инновационная технология стала огромным шагом вперед в расширении частотного диапазона, сокращения занимаемой на плате площади, снижения стоимости и уменьшения объема дополнительных работ, все еще были недостатки, которые мешали интегрированному решению полностью превзойти дискретное. Во многих высокочастотных устройствах наиболее важной характеристикой (помимо частотного диапазона) является фазовый шум.

Почему фазовый шум так важен? Представьте себе систему, в которой сигнал передается в чистом эфире. Предположим, отношение сигнал/шум передаваемого сигнала на передающей антенне составляет 50 дБ. Это означает, что сигнал, который должен принять приемник, на 50 дБ сильнее, чем шум с обеих сторон передаваемого сигнала, то есть на соседних более высоких и более низких частотах. Допустим, этот сигнал может передаваться на 15 км до того, как он превратится в шум и передача будет потеряна. Теперь предположим, что фазовый шум синтезатора передатчика улучшен на 3 дБ. Это означает, что отношение сигнал/шум передаваемого сигнала составит 53 дБ. В результате мощность передаваемого сигнала по отношению к шуму будет в два раза выше, чем в предыдущем случае, и, следовательно, этот сигнал может быть передан на большее расстояние, прежде чем превратится в шум. Увеличение расстояния означает, что для передачи сигнала понадобится меньшее количество ретрансляторов/передатчиков, что позволит снизить затраты.

Помимо этого примера можно привести еще один довод от экспертов в области электронного контрольно-измерительного оборудования в пользу важности фазового шума. Независимо от того, какие показатели фазового шума являются приемлемыми в области радиосвязи, в контрольно-измерительном оборудовании необходимы лучшие показатели фазового шума, чтобы можно было анализировать различные протоколы связи.

Хотя во многих случаях возможно было перейти от дискретного к интегрированному решению, сэкономив при этом миллионы долларов, показатели фазового шума в системах с ФАПЧ/ГУН первого поколения не были достаточно хороши, чтобы заменить интегрированным решением многие дискретные системы с низким фазовым шумом. Помимо неприемлемого уровня фазового шума частотный диапазон интегрированных решений также был довольно узким по сравнению с частотным диапазоном, который имели дискретные наборы петель ФАПЧ и ГУН.

Частотный диапазон можно расширить с помощью удвоителей и умножителей частоты, но для их работы требуется много энергии, они занимают дополнительное место на плате, а стоимость решения увеличивается.

К счастью, в то время как эти интегрированные решения стали появляться на рынке, уже начались работы по переходу к новым технологическим процессам создания микросхем, позволившим снизить уровень фазового шума и расширить частотный диапазон.

Таким образом, на тот момент рынок был подготовлен к появлению второго поколения интегрированных решений с ФАПЧ/ГУН. Требования к новым устройствам были следующие:

• выходная частота выше 4,4 ГГц;
• показатели фазового шума должны быть сопоставимы с показателями фазового шума дискретных решений;
• интегрированные петли ФАПЧ и ГУН должны располагаться в одном компактном корпусе;
• стоимость должна быть ниже стоимости дискретных решений.

В конце 2014 года было представлено второе поколение интегрированных решений с ФАПЧ/ГУН. На рынке начали появляться продукты с диапазоном выходной частоты, превышающим 10 ГГц, фазовым шумом, сравнимым с фазовым шумом дискретных ГУН, компактными корпусами размером 5×5 мм и более низкой стоимостью, чем у аналогичных дискретных решений с петлями ФАПЧ и ГУН (которые к тому же имели более узкий частотный диапазон).

Например, микросхемы семейства ADF4355 компании Analog Devices удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым ко второму поколению:

• Диапазон выходных частот: 50 МГц — 13,6 ГГц (≤ 6,8 ГГц от одного порта, ≥ 6,8 ГГц от другого).
• Фазовый шум:
• традиционный дискретный ГУН при 10 ГГц: –110 дБн/Гц при отстройке 100 кГц и –135 дБн/Гц при отстройке 1 МГц. В дискретном ГУН при сужении диапазона частот улучшаются показатели фазового шума;
• семейство ADF4355 при 10 ГГц: –106,5 дБн/Гц при отстройке 100 кГц и –130 дБн/Гц при отстройке 1 МГц.
• Корпус LFCSP размером 5×5 мм.
• Цены варьируются в зависимости от конкретных компонентов семейства, но все равно ниже, чем у дискретных решений.

Теперь пользователь может получить преимущество от низкого уровня фазового шума, свойственного дискретному решению, а также другие преимущества, которые предлагают интегрированные решения. Здесь следует отметить, что технология петли ФАПЧ также развивалась на протяжении многих лет, так что второе поколение устройств с ФАПЧ/ГУН еще предлагает преимущества в виде улучшенных характеристик петли ФАПЧ.

В устройствах с ФАПЧ/ГУН первого поколения блоки ФАПЧ имели максимальные частоты фазочастотных детекторов около 32 МГц, а разрешение делителя с дробным коэффициентом деления, как правило, не превышало 12 бит. Такая комбинация обеспечивала стандартное разрешение канала в десятки килогерц. Максимальные частоты фазочастотных детекторов устройств с ФАПЧ/ГУН второго поколения превышают 100 МГц, а делители с дробным коэффициентом деления имеют разрешение 25 бит или даже до 49 бит. Это дает два основных преимущества: более высокая частота фазочастотных детекторов позволяет снизить фазовый шум ФАПЧ (при каждом удвоении частоты фазочастотного детектора значение делителя частоты может быть уменьшено вдвое, что снижает вносимый делителем шум на 3 дБ); разрешение в 25 бит и выше позволяет точнее генерировать частоту с разрешением менее 1 Гц.

Паразитные помехи

Помимо прочего. существует еще один важный аспект интегрированных решений с ФАПЧ/ГУН, который необходимо рассмотреть. К преимуществам дискретного решения следует отнести то, что физическая изоляция между двумя микросхемами минимизирует перекрестные наводки между петлей ФАПЧ и ГУН и, следовательно, снижает уровень нежелательных паразитных сигналов. Если петля ФАПЧ и ГУН интегрированы в один корпус, то уровень перекрестных наводок по сравнению с дискретным решением увеличивается. Некоторые компоненты, представленные сегодня на рынке, вопреки этой тенденции обладают удивительно низким уровнем перекрестных наводок между петлей ФАПЧ и ГУН. В качестве примера можно назвать HMC830. Для других же компонентов со встроенными петлями ФАПЧ и ГУН, применяемых в высококачественном оборудовании, нужны дополнительные средства, чтобы снизить уровень перекрестных наводок.

Изменение частоты фазочастотного детектора с целью устранения целочисленных граничных паразитных гармоник (Integer Boundary Spurs)

Один из методов заключается в изменении частоты фазочастотного детектора ФАПЧ с использованием алгоритма частотного планирования, что позволит переместить паразитные сигналы, генерируемые блоком фазочастотного детектора, в область, где они не оказывают сильного воздействия и подавляются практически полностью. Это подробно описано в статье [1].

Изоляция ФАПЧ и ГУН

Как упоминалось ранее, близкое расположение цепей ФАПЧ и ГУН может привести к появлению нежелательных перекрестных наводок. Чтобы минимизировать этот эффект, можно использовать состоящее из двух микросхем решение для физического разделения цепей ФАПЧ и ГУН. Благодаря этому можно получить свойственное дискретным решениям преимущество, заключающееся в поддержании малого уровня паразитных помех, и свойственное интегрированным решениям преимущество, обеспечивающее широкий диапазон выходных частот.

Дискретный синтезатор ФАПЧ с дробным коэффициентом деления HMC704 компании Analog Devices оптимален для этой задачи. В данном решении один из выходных сигналов ГУН ADF4355 (у всех представителей семейства имеется два выходных канала) подается на HMC704 (установка дополнительного аттенюатора на 10 дБ поможет еще больше снизить уровни паразитных гармоник). Петля ФАПЧ ADF4355 используется для завершения калибровки ГУН и захвата требуемой частоты. Затем каскад ФАПЧ в ADF4355 можно отключить, переведя в высокоимпедансное состояние схему накачки заряда и удерживая счетчики в состоянии сброса, устраняя таким образом появление любых паразитных гармоник в петле ФАПЧ, при этом HMC704 будет поддерживать контур замкнутым. У подобного подхода есть несколько преимуществ:

• использование петли ФАПЧ отдельно от микросхемы с ГУН снижает уровень паразитных гармоник;
• HMC704 изначально обладает более низким уровнем паразитных гармоник, чем петля ФАПЧ ADF4355, следовательно, уровень гармоник сокращается еще больше;
• HMC704 имеет более низкий уровень нормализованного фазового шума, чем у петли ФАПЧ ADF4355, поэтому шум на выходе синтезатора становится еще ниже.

Для того чтобы замкнуть контур, выход генератора накачки HMC704 подключается к петлевому фильтру. Выход этого фильтра должен быть подсоединен к выводу VTUNE микросхемы ADF4355. Когда контур замкнут, HMC704 функционирует исключительно как петля ФАПЧ, а ADF4355 работает исключительно как ГУН. Поскольку петля ФАПЧ ADF4355 не используется, то для полного подавления паразитных гармоник в ней необходимо вход опорного сигнала ADF4355 подключить к «земле». К счастью, у HMC704 есть простой способ реализовать это. HMC704 имеет вывод выхода общего назначения (GPO), который может быть подсоединен непосредственно к выводу входного опорного сигнала ADF4355. Когда для ADF4355 требуется опорный сигнал, необходимый для калибровки ГУН, HMC704 может генерировать такой опорный сигнал на выводе GPO. Если нужно вход опорного сигнала ADF4355 подключить к «земле», то вывод GPO HMC704 также можно запрограммировать для этой задачи. На рис. 3 показана данная схема.

Рис. 3. Захват частоты ADF4355 с помощью внешнего синтезатора с ФАПЧ HMC704 для минимизации паразитных гармоник

Компания Analog Devices выпустила четыре основных компонента семейства ADF4355 с характеристиками второго поколения интегрированных решений с ФАПЧ/ГУН. Три из них во многом схожи за исключением частотного диапазона, а один компонент характеризуется низким энергопотреблением;

• ADF4355–2 — интегрированное решение с ФАПЧ/ГУН и диапазоном выходных частот от 53 до 4400 МГц;
• ADF4355 — интегрированное решение с ФАПЧ/ГУН и диапазоном выходных частот от 53 до 6800 МГц;
• ADF5355 — интегрированное решение с ФАПЧ/ГУН и диапазоном выходных частот от 53 до 13600 МГц.
• ADF4355–3 — интегрированное решение с ФАПЧ/ГУН, низким энергопотреблением и диапазоном выходных частот от 51 до 6600 МГц.

Все компоненты доступны на сайте analog.com, где можно найти их технические описания, заказать образцы и оценочные платы, загрузить управляющее программное обеспечение, программное обеспечение для моделирования, руководства пользователя, а также задать вопросы в сообществе EngineerZone и многое другое;

• analog.com/ru/adf4355–2
• analog.com/ru/adf4355
• analog.com/ru/adf5355
• www.analog.com/ru/adf4355–3

1. Роберт Бреннан. Анализ, оптимизация и устранение целочисленных граничных паразитных гармоник в схемах ФАПЧ с ГУН на частотах до 13,6 ГГц.

Прямой цифровой синтез (DDS)

Прямой цифровой синтез — относительно новый метод синтеза частоты, появившийся в начале 70-х годов прошлого века. Все описанные методы синтеза доступны разработчикам уже десятилетия, но только в последнее время DDS уделяется пристальное внимание. Появление дешевых микросхем с DDS и удобных средств разработки делает их сегодня привлекательными для разных сфер применения.

DDS уникальны своей цифровой определенностью — генерируемый ими сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Простейший DDS выглядит так: двоичный счетчик формирует адрес для ПЗУ, куда записана таблица одного периода функции sin, отсчеты с выхода ПЗУ поступают на ЦАП, который формирует на выходе синусоидальный сигнал, подвергающийся фильтрации в ФНЧ и поступающий на выход. Для перестройки выходной частоты используется делитель с переменным коэффициентом деления, на вход которого поступает тактовый сигнал с опорного генератора.

Частота, амплитуда и фаза сигнала в любой момент времени точно известны и подконтрольны. DDS практически не подвержены температурному дрейфу и старению. Единственным элементом, который обладает свойственной аналоговым схемам нестабильностью, является ЦАП. Высокие технические характеристики стали причиной того, что в последнее время DDS вытесняют обычные аналоговые синтезаторы частот. Основные преимущества DDS:

• очень высокое разрешение по частоте и фазе, управление которыми осуществляется в цифровом виде;
• экстремально быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных со временем установления;
• архитектура, основанная на DDS, ввиду очень малого шага перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность параметрической температурной компенсации;
• цифровой интерфейс позволяет легко реализовать микроконтроллерное управление;
• для квадратурных синтезаторов имеются DDS с I и Q выходами, которые работают согласованно.

Частотное разрешение DDS составляет сотые и даже тысячные доли герца при выходной частоте порядка десятков мегагерц. Такое разрешение недостижимо для иных методов синтеза. Другой характерной особенностью DDS является очень высокая скорость перехода на другую частоту. Синтезаторы на основе PLL используют обратную связь и фильтрацию сигнала ошибки, что замедляет процесс перестройки частоты. Для DDS скорость перестройки ограничена практически только быстродействием цифрового управляющего интерфейса. Более того, все перестройки по частоте в DDS происходят без разрыва фазы выходного сигнала. Поскольку выходной сигнал синтезируется в цифровом виде, очень просто можно осуществить модуляцию различных видов.

Параметры синтезатора частоты очень важны для аппаратуры связи. Являясь сердцем системы настройки, синтезатор в основном определяет потребительские свойства конкретного аппарата. Как с технической, так и с экономической стороны DDS удовлетворяет большинству критериев идеального синтезатора частоты: простой, высокоинтегрированный, с малыми габаритами. Кроме того, многие параметры DDS программно-управляемые, что позволяет заложить в устройство новые возможности. Современные DDS используют субмикронную CMOS-технологию, трехвольтовую логику, миниатюрные корпуса. Одновременно постоянно снижаются цены на них. Все это делает DDS очень перспективными приборами.

Материалы по теме:

• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)
• Частотная модуляция (ЧМ)
• Фазовая модуляция (ФМ)
• Амплитудная модуляция (АМ)
• Амплитудная манипуляция (АМн)

8 Синтезаторы частот

Синтезатор частоты — устройство, формирующее заданный набор частот из одной или нескольких опорных частот путем использования операций сложения, вычитания, деления и умножения.

По способу формирования выходного сигнала синтезаторы делятся на пассивные и активные. Иногда эти способы называют прямым и непрямым синтезом частот.

В синтезаторах активного типа фильтрация нужной частоты из набора осуществляется обычно с помощью активного фильтра, например кольцом ФАПЧ, включающим в себя перестраиваемый автогенератор.

В синтезаторах пассивного типа выходной сигнал формируется путем многократного преобразования исходного опорного колебания и фильтрации нужного колебания пассивными фильтрами.

Как правило, чистота спектра у пассивного синтезатора хуже, чем у активного.

8.1 Пассивные некогерентные синтезаторы

Простейший пример пассивного синтеза рассмотрим на примере интерполяционной схемы, изображенной на рис. 8.1.

Почему так своеобразно выбраны наборы частот кварцевых резонаторов?

Дело в том, что на выходе каждого смесителя образуются комбинации частот: . Если комбинационная частота какого-то порядка попала в полосу пропускания фильтра, стоящего после смесителя, она уже не может быть отфильтрована и присутствует в выходном сигнале синтезатора.

Известно, что уровень комбинационной составляющей тем меньше чем выше ее номер. Задача разработчика так выбрать частоты на входах смесителей, чтобы уровень комбинационных попадающих в полосу фильтра был меньше допустимого по техническому заданию. Для приведенной схемы в полосу пропускания первого фильтра попадает комбинационная составляющая 11-того порядка:—nf₁+mf₂= —55мГц + 66 МГц= 11 МГц, ее уровень в хорошо спроектированных смесителях не превышает – 90 дБ (рис. 8.2).

В синтезаторах рассмотренного типа требуется большое количество кварцевых резонаторов, что усложняет задачу термостатирования. Кроме того, выходное колебание не является когерентным, так как это сумма колебаний нескольких независимых генераторов.

8.2 Пассивные когерентные синтезаторы

8.2.1 Синтезатор с идентичными декадами

Схема синтезатора приведена на рис. 8.3.

Частоты, которые формируются в различных точках структурной схемы, представлены в таблице 8.1.

Пример. Пусть синтезатор состоит из пяти декад k = 5. Последняя декада как и на рис. 7.8 неполная. Пусть также все переключатели находятся в последнем десятом положении:n₅=n₄=n₃=n₂=n₁=9. Опорная частотаf = 1 МГц.

Если все переключатели установлены в нулевое положение,

Таблица 8.1 — Частоты в схеме синтезатора

Номер декады

На выходе фильтра

На выходе делителя

Нижняя частота синтезатора равна f_н = 10f. Верхняя частота равнаf_в  10f+10f . Коэффициент перекрытия по частоте можно определить из соотношения 9f+9f 10f, откудаf f/9 или 1,1.

8.3 Синтезаторы на основе фапч

Основным недостатком синтезаторов пассивного типа является невозможность фильтрации нежелательных комбинационных составляющих ниже уровня – (60—70) дБ. Это определяется возможностями пассивных фильтров.

8.3.1 Простейшим активным фильтром, обеспечивающим фильтрацию более высокого уровня, является система ФАПЧ. На фазовый детектор (рис. 8.4) поступают напряжения от выходного генератора G₂и импульсной последовательности от опорного генератораG₁. Если частоты напряжений на входах ФД равны, его выходное напряжение пропорционально разности их фаз. Это напряжение через управитель частоты поддерживает частоту генератораG₂равной частоте генератораG₁. Условие синхронизма может выполняться, если частота генератораG₂будет кратна частоте генератораG₁. Управителем частоты чаще всего является варикап, включенный в контур генератораG₂. Так как варикап изменяет свою емкость при изменении постоянного управляющего напряжения, проложенного к его обкладкам, то генераторG₂часто называют генератором управляемым напряжением (ГУН).

В схеме простейшего цифрового синтезатора с ФАПЧ (рис. 8.5) для перестройки частоты ГУНа между ним и ФД включают делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД).

Условие синхронизма в этом случае запишется следующим образом:

(8.1)

Следовательно, изменяя коэффициент деления ДПКД на единицу можно переключить (перестроить) частоту ГУН на величину равную f₁/m. Эта величина называется шагомfсинтезатора.

8.3.2 Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ

Из структурной схемы (рис. 8.5) следует, что на входах ФД суммируются фазовые шумы ОГ и ГУНа, продукты детектируются, фильтруются, усиливаются и управляют частотой ГУНа, то есть определяют его спектр. Этому соответствует структурная схема по фазовым шумам (рис. 8.6).

Здесь: К1— коэффициент передачи ФД;

К2— коэффициент передачи ФНЧ;

К3— коэффициент передачи управителя ГУН;

U_Ш0— шумы на выходе ГУНа;

U_Ш0Г— шумы опорного генератора.

Для шумов, спектр которых лежит в полосе ФНЧ, можно записать:

(8.2)

знак «–» означает, что обратная связь в кольце ФАПЧ отрицательная. Из (8.2) следует:

(8.3)

Если К1=К2=К3, что возможно при отсутствии ФНЧ

(8.4)

Это уравнение ФНЧ первого порядка или интегратора.

1 Фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания петли ФАПЧ определяются фазовыми шумами опорного генератора.

2 Если частота ГУНа в n-раз выше частоты ОГ (или частоты сравнения), то фазовые шумы синтезатора на 20 lgnвыше фазовых шумов ОГ. То есть медленные изменения частоты РГ полностью отрабатываются кольцом ФАПЧ, увеличиваясь на выходе вn-раз.

Для шумов, лежащих выше полосы фильтра, в частности для шумов ГУНа, запишем:

(8.5)

То есть за полосой пропускания петли ФАПЧ шумы определяются только собственными шумами ГУНа.

8.3.3 Выбор частоты сравнения

Поскольку шаг сетки частот определяется частотой сравнения (8.1), малый шаг требует малой частоты сравнения. При этом ухудшаются две характеристики синтезатора:

— время перехода с частоты на частоту не может быть меньше постоянной времени ФНЧ (последняя определяется условием необходимой фильтрации продуктов частоты сравнения);

— большой коэффициент умножения частоты в петле ФАПЧ означает большое увеличение (на 20 lgn) шумов опорного генератора на выходе синтезатора.

Поэтому однопетлевые синтезаторы применяют только в простейших случаях.

8.3.4 Пример синтезатора приемника CR-300 (Швеция)

Схема была разработана в конце 70-х годов и элементная база того времени наложила ограничение на принятые решения. В частности ДПКД работали на частотах не более 50 МГц, поэтому пришлось сдвигать с помощью смесителей (СМ) сигналы в область их устойчивой работы. Для получения шага сетки 100 Гц и необходимого быстродействия в третьем кольце ФАПЧ выбрана частота сравнения 1 кГц, а после ГУНа поставлен делитель f/10, позволивший уменьшить шаг до 100 Гц. В этом приемнике использована первая ПЧ с частотойf = 139,3 МГц. При указанных на рис. выходных частотах синтезатора (140,8—169,3) МГц, это обеспечивает работу приемника в диапазоне (1,5—30) МГц и малый уровень комбинационных составляющих на выходе смесителя.

Похожие публикации:

1. Автоваз как работает на следующей неделе
2. Какой штраф за непоставленный на учет квадроцикл
3. Подушки двигателя какой фирмы лучше брать
4. Сколько стоит бмв м5 е39