Синтезатор частот — это электронная схема , которая генерирует диапазон частот из одной опорной частоты. Синтезаторы частот используются в таких устройствах, как радиоприемники , телевизоры , мобильные телефоны , радиотелефоны , рации , радиостанции CB , преобразователи кабельного телевидения , спутниковые приемники и системы GPS . Синтезатор частот может использовать методы умножения частот , деления частот , прямого цифрового синтеза , смешения частот и фазовой автоподстройки частоты для генерации своих частот. Стабильность и точность выходного сигнала синтезатора частот связаны со стабильностью и точностью его входного опорного сигнала. Следовательно, синтезаторы используют стабильные и точные опорные частоты, такие как те, которые предоставляются кварцевым генератором .
Можно выделить три типа синтезаторов. Первый и второй типы обычно встречаются как автономная архитектура: прямой аналоговый синтез (также называемый архитектурой смешивания-фильтрования-разделения [1] , как было обнаружено в 1960-х годах, например, HP 5100A [2] и более современный прямой цифровой синтезатор (DDS) ( табличный поиск ). Третий тип обычно используется как строительные блоки ИС систем связи : косвенные цифровые ( PLL ) синтезаторы, включая целочисленные и дробные N. [3] Недавно появившийся TAF-DPS также является прямым подходом. Он напрямую конструирует форму волны каждого импульса в последовательности тактовых импульсов.
Синтезатор дигифазы в некотором роде похож на DDS, но имеет архитектурные отличия. Одним из его преимуществ является возможность гораздо более тонкого разрешения, чем у других типов синтезаторов с заданной опорной частотой. [4] [5]
Недавно появился новый член семейства синтезаторов частот — метод под названием Time-Average-Frequency Direct Period Synthesis (TAF-DPS). Он фокусируется на генерации частоты для тактового сигнала, управляющего интегральной схемой . В отличие от всех других методов, он использует новую концепцию Time-Average-Frequency. [6] Его цель — решить две давние проблемы в области генерации тактового сигнала на кристалле: генерация произвольной частоты и мгновенное переключение частоты.
Начиная с базовой единицы времени, TAF-DPS сначала создает два типа циклов T A и T B . Эти два типа циклов затем используются в чередующемся режиме для создания последовательности тактовых импульсов. В результате TAF-DPS способен более эффективно решать проблемы генерации произвольной частоты и мгновенного переключения частоты. Первой схемной технологией использования концепции TAF (хотя и подсознательно) является «архитектура синтеза частот Flying-Adder» или «Flying-Adder PLL», которая была разработана в конце 1990-х годов. С момента введения концепции TAF в 2008 году официально стартовала разработка технологии синтеза частот, которая работает на TAF. Подробное описание этой технологии можно найти в этих книгах [7] [8] и в этом кратком руководстве. По мере развития постепенно становится ясно, что TAF-DPS является средством на уровне схемы для инноваций на системном уровне. [9] Его можно использовать во многих областях, помимо генерации тактовых сигналов. Его влияние существенно, поскольку тактовый сигнал является самым важным сигналом в электронике, устанавливающим течение времени внутри электронного мира. Это глубокое влияние наблюдается в этом направленном изменении закона Мура от пространства ко времени. [10]
До широкого распространения синтезаторов, для того чтобы поймать станции на разных частотах, радио- и телевизионные приемники полагались на ручную настройку локального генератора , который использовал резонансный контур, состоящий из индуктора и конденсатора , или иногда резонансных линий передачи, для определения частоты. Приемник настраивался на разные частоты либо с помощью переменного конденсатора, либо с помощью переключателя, который выбирал соответствующую настроенную схему для нужного канала, например, с помощью тюнера-башня, обычно использовавшегося в телевизионных приемниках до 1980-х годов. Однако резонансная частота настроенной схемы не очень стабильна; изменения температуры и старение компонентов вызывали дрейф частоты , заставляя приемник смещаться с частоты станции. Автоматическая регулировка частоты (AFC) решает часть проблемы дрейфа, но часто требовалась ручная перенастройка. Поскольку частоты передатчика стабилизированы, точный источник фиксированных, стабильных частот в приемнике решил бы эту проблему.
Кварцевые резонаторы на много порядков более стабильны, чем LC-цепи , и при использовании для управления частотой локального генератора обеспечивают достаточную стабильность для поддержания настройки приемника. Однако резонансная частота кристалла определяется его размерами и не может изменяться для настройки приемника на разные частоты. Одним из решений является использование множества кристаллов, по одному на каждую желаемую частоту, и включение нужного в цепь. Этот метод «грубой силы» практичен, когда требуется всего несколько частот, но быстро становится дорогостоящим и непрактичным во многих приложениях. Например, диапазон FM-радио во многих странах поддерживает 100 отдельных частот каналов от примерно 88 до 108 МГц ; для настройки на каждый канал потребуется 100 кристаллов. Кабельное телевидение может поддерживать еще больше частот или каналов в гораздо более широком диапазоне. Большое количество кристаллов увеличивает стоимость и требует больше места.
Решением этой проблемы стала разработка схем, которые могли генерировать несколько частот из «опорной частоты», вырабатываемой кварцевым генератором. Это называется синтезатором частот. Новые «синтезированные» частоты будут иметь частотную стабильность главного кварцевого генератора, поскольку они были получены из него.
За эти годы было разработано множество методов синтеза частот. Некоторые подходы включают в себя контуры фазовой автоподстройки частоты , двойное смешивание, тройное смешивание, гармонику, двойное смешивание деления и прямой цифровой синтез (DDS). Выбор подхода зависит от нескольких факторов, таких как стоимость, сложность, размер шага частоты, скорость переключения, фазовый шум и побочный выход.
Когерентные методы генерируют частоты, полученные от одного стабильного задающего генератора. В большинстве приложений распространен кварцевый генератор , но могут использоваться и другие резонаторы и источники частот. Некогерентные методы выводят частоты из набора нескольких стабильных генераторов. [11] Подавляющее большинство синтезаторов в коммерческих приложениях используют когерентные методы из-за простоты и низкой стоимости.
Синтезаторы, используемые в коммерческих радиоприемниках, в основном основаны на фазовых автоподстройках частоты (ФАПЧ). Многие типы синтезаторов частот доступны в виде интегральных схем , что снижает стоимость и размер. Высококачественные приемники и электронное испытательное оборудование используют более сложные методы, часто в сочетании.
Хорошо продуманная процедура проектирования считается первым значительным шагом к успешному проекту синтезатора. [12] В системном проектировании синтезатора частот, утверждает Манассевич, существует столько же «лучших» процедур проектирования, сколько и опытных разработчиков синтезаторов. [12] Системный анализ синтезатора частот включает в себя диапазон выходных частот (или полосу пропускания частот или диапазон настройки), приращения частоты (или разрешение или настройку частоты), стабильность частоты (или стабильность фазы, сравните паразитные выходы), характеристики фазового шума (например, спектральную чистоту), время переключения (сравните время установления и время нарастания ), а также размер, энергопотребление и стоимость. [13] [14] Джеймс А. Кроуфорд говорит, что это взаимно противоречивые требования. [14]
Влиятельные ранние книги по методам синтеза частот включают книги Флойда М. Гарднера (его методы фазовой синхронизации, 1966 г. ) [15] и Венцеслава Ф. Крупы (его синтез частот , 1973 г. ) [16] .
Математические методы, аналогичные соотношениям передаточного числа механической передачи , могут быть использованы в синтезе частот, когда коэффициент синтеза частот представляет собой отношение целых чисел. [16] Этот метод позволяет эффективно планировать распределение и подавление спектральных помех.
Синтезаторы переменной частоты, включая DDS , обычно проектируются с использованием арифметики Modulo-N для представления фазы.
Фазовая автоподстройка частоты — это система управления с обратной связью. Она сравнивает фазы двух входных сигналов и выдает сигнал ошибки , пропорциональный разнице между их фазами. [17] Затем сигнал ошибки фильтруется фильтром нижних частот и используется для управления генератором, управляемым напряжением (ГУН), который создает выходную частоту. Выходная частота подается через делитель частоты обратно на вход системы, создавая отрицательную обратную связь. Если выходная частота дрейфует, сигнал фазовой ошибки увеличится, перемещая частоту в противоположном направлении, чтобы уменьшить ошибку. Таким образом, выход синхронизируется с частотой на другом входе. Этот другой вход называется опорным и обычно выводится из кварцевого генератора, который очень стабилен по частоте. На приведенной ниже блок-схеме показаны основные элементы и устройство синтезатора частот на основе ФАПЧ .
Ключом к способности синтезатора частот генерировать несколько частот является делитель, размещенный между выходом и входом обратной связи. Обычно он имеет форму цифрового счетчика , при этом выходной сигнал действует как тактовый сигнал . Счетчик предварительно установлен на некоторое начальное значение счета и ведет обратный отсчет на каждом цикле тактового сигнала. Когда он достигает нуля, выход счетчика меняет состояние, и значение счета перезагружается. Эту схему легко реализовать с помощью триггеров , и поскольку она является цифровой по своей природе, ее очень легко соединить с другими цифровыми компонентами или микропроцессором . Это позволяет легко управлять выходной частотой синтезатора с помощью цифровой системы.
Предположим, что опорный сигнал равен 100 кГц, а делитель может быть предварительно установлен на любое значение от 1 до 100. Сигнал ошибки, вырабатываемый компаратором, будет равен нулю только тогда, когда выход делителя также равен 100 кГц. Для этого VCO должен работать на частоте, которая составляет 100 кГц x значение счетчика делителя. Таким образом, он будет выдавать выходной сигнал 100 кГц для счетчика 1, 200 кГц для счетчика 2, 1 МГц для счетчика 10 и так далее. Обратите внимание, что с помощью простейших целочисленных делителей N можно получить только целые кратные опорной частоты. Дробные делители N легко доступны. [18]
На практике этот тип синтезатора частот не может работать в очень широком диапазоне частот, поскольку компаратор будет иметь ограниченную полосу пропускания и может страдать от проблем с наложением спектров . Это приведет к ложным ситуациям блокировки или невозможности блокировки вообще. Кроме того, трудно сделать высокочастотный ГУН, который работает в очень широком диапазоне. Это связано с несколькими факторами, но основным ограничением является ограниченный диапазон емкости варакторных диодов . Однако в большинстве систем, где используется синтезатор, мы не ищем огромный диапазон, а скорее конечное число в некотором определенном диапазоне, например, число радиоканалов в определенной полосе.
Многие радиоприложения требуют частот, которые выше, чем те, которые могут быть напрямую введены в цифровой счетчик. Чтобы преодолеть это, весь счетчик может быть построен с использованием высокоскоростной логики, такой как ECL , или, что более распространено, с использованием быстрого начального этапа деления, называемого предделителем , который снижает частоту до управляемого уровня. Поскольку предделитель является частью общего коэффициента деления, фиксированный предделитель может вызвать проблемы при проектировании системы с узкими интервалами между каналами — обычно встречающимися в радиоприложениях. Это можно преодолеть с помощью двухмодульного предделителя . [18]
Дальнейшие практические аспекты касаются количества времени, в течение которого система может переключаться с канала на канал, времени блокировки при первом включении и уровня шума на выходе. Все это является функцией контурного фильтра системы, который представляет собой фильтр нижних частот, размещенный между выходом частотного компаратора и входом VCO. Обычно выход частотного компаратора имеет форму коротких импульсов ошибки, но вход VCO должен быть гладким, свободным от шума постоянным напряжением. (Любой шум в этом сигнале, естественно, вызывает частотную модуляцию VCO.) Сильная фильтрация заставит VCO медленно реагировать на изменения, вызывая дрейф и медленное время отклика, но легкая фильтрация приведет к появлению шума и других проблем с гармониками . Таким образом, конструкция фильтра имеет решающее значение для производительности системы и, по сути, является основной областью, на которой разработчик будет концентрироваться при построении системы синтезатора. [18]
Многие синтезаторы частоты ФАПЧ также могут генерировать частотную модуляцию (ЧМ). Модулирующий сигнал добавляется к выходу контурного фильтра, напрямую изменяя частоту VCO и выход синтезатора. Модуляция также появится на выходе фазового компаратора, уменьшенная по амплитуде любым делением частоты. Любые спектральные компоненты в модулирующем сигнале, слишком низкие для того, чтобы быть заблокированными контурным фильтром, возвращаются на вход VCO с противоположной полярностью модулирующему сигналу, тем самым отменяя их. (Контур фактически видит эти компоненты как шум VCO, который нужно отследить.) Компоненты модуляции выше частоты среза контурного фильтра не могут вернуться на вход VCO, поэтому они остаются на выходе VCO. [19] Следовательно, эта простая схема не может напрямую обрабатывать низкочастотные (или постоянного тока) модулирующие сигналы, но это не является проблемой во многих связанных по переменному току видео- и аудиопередатчиках FM, которые используют этот метод. Такие сигналы также могут быть размещены на поднесущей выше частоты среза контурного фильтра ФАПЧ.
Синтезаторы частоты ФАПЧ также могут модулироваться на низкой частоте и вплоть до постоянного тока с помощью двухточечной модуляции для преодоления вышеуказанного ограничения. [20] Модуляция применяется к VCO, как и раньше, но теперь также применяется в цифровом виде к синтезатору в соответствии с аналоговым FM-сигналом с использованием быстрого дельта-сигма АЦП.
