Синтезатор частот

Синтезатор частот — это электронная схема , которая генерирует диапазон частот из одной опорной частоты. Синтезаторы частот используются во многих современных устройствах, таких как радиоприемники , телевизоры , мобильные телефоны , радиотелефоны , рации , радиоприемники CB , преобразователи кабельного телевидения , спутниковые приемники и системы GPS . Синтезатор частот может использовать методы умножения частот , деления частот , прямого цифрового синтеза , смешивания частот и контуров фазовой автоподстройки частоты для генерации своих частот. Стабильность и точность выходного сигнала синтезатора частоты связаны со стабильностью и точностью его входного сигнала опорной частоты. Следовательно, синтезаторы используют стабильные и точные опорные частоты, например, те, которые обеспечивают кварцевый генератор .

Типы

Можно выделить три типа синтезаторов. Первый и второй тип обычно встречаются как автономные архитектуры: прямой аналоговый синтез (также называемый смешивания-фильтра-разделения). архитектурой как это было в HP 5100A 1960-х годов ) и более современный синтезатор прямого цифрового синтеза (DDS) ( поиск по таблице ). Третий тип обычно используется в качестве ИС строительных блоков косвенной цифровой ( ФАПЧ ), системы связи: синтезаторы включая целочисленные и дробные N. Недавно появившийся TAF-DPS также представляет собой прямой подход. Он непосредственно формирует форму каждого импульса в последовательности тактовых импульсов.

Дигифазный синтезатор

В чем-то он похож на DDS, но имеет архитектурные отличия. Одним из его больших преимуществ является обеспечение гораздо более высокого разрешения, чем у других типов синтезаторов с заданной опорной частотой.

Прямой синтез периода времени, средней частоты (TAF-DPS)

Недавно в семействе синтезаторов частот появился новый метод, получивший название «Прямой синтез периода времени, средней частоты» (TAF-DPS). Основное внимание уделяется генерации частоты для тактового сигнала, управляющего интегральной схемой . В отличие от всех других методов, он использует новую концепцию средней по времени частоты. Его цель — решить две давние проблемы в области генерации тактовых сигналов на кристалле: генерацию 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 может более эффективно решать проблемы генерации произвольной частоты и мгновенного переключения частоты. Первой схемной технологией, использующей концепцию TAF (хотя и подсознательно), является « архитектура частотного синтеза Flying-Adder или « Flying-Adder PLL », которая была разработана в конце 1990-х годов. С момента появления концепции TAF в 2008 году официально началась разработка технологии синтеза частот, работающей на TAF. Подробное описание этой технологии можно найти в тех же книгах. и этот короткий урок . По мере развития постепенно становится ясно, что TAF-DPS является средством внедрения инноваций на уровне схемы. Его можно использовать во многих областях, помимо генерации тактового сигнала. Его влияние существенно, поскольку тактовый сигнал является наиболее важным сигналом в электронике, определяющим течение времени внутри электронного мира. Это глубокое влияние проявляется в изменении направления закона Мура от пространства к времени.

История

До широкого распространения синтезаторов для приема станций на разных частотах радио- и телевизионные приемники полагались на ручную настройку гетеродина , в котором использовался резонансный контур , состоящий из катушки индуктивности и конденсатора , а иногда и резонансных линий передачи; чтобы определить частоту. Приемник настраивался на разные частоты либо с помощью переменного конденсатора, либо с помощью переключателя, который выбирал правильную настроенную схему для желаемого канала, например, с помощью револьверного тюнера, который обычно использовался в телевизионных приемниках до 1980-х годов. Однако резонансная частота настроенного контура не очень стабильна; Изменения температуры и старение компонентов вызвали дрейф частоты , в результате чего приемник отклонился от частоты станции. Автоматический контроль частоты (AFC) решает часть проблемы дрейфа, но часто требуется ручная перенастройка. Поскольку частоты передатчика стабилизированы, проблему решил бы точный источник фиксированных, стабильных частот в приемнике.

Кварцевые резонаторы на много порядков более стабильны, чем LC-цепи , и при использовании для управления частотой гетеродина обеспечивают достаточную стабильность, позволяющую поддерживать настройку приемника. Однако резонансная частота кристалла определяется его размерами и не может изменяться для настройки приемника на разные частоты. Одно из решений состоит в том, чтобы использовать множество кристаллов, по одному для каждой желаемой частоты, и включить в схему правильный. Этот метод «грубой силы» практичен, когда требуется лишь несколько частот, но во многих приложениях быстро становится дорогостоящим и непрактичным. Например, диапазон FM-радио во многих странах поддерживает 100 отдельных частот канала примерно от 88 до 108 МГц ; возможность настройки на каждый канал потребует 100 кристаллов. Кабельное телевидение может поддерживать еще больше частот или каналов в гораздо более широком диапазоне. Большое количество кристаллов увеличивает стоимость и требует большего места.

Решением этой проблемы стала разработка схем, которые могли генерировать несколько частот из «опорной частоты», создаваемой кварцевым генератором. Это называется синтезатор частоты. Новые «синтезированные» частоты будут иметь стабильность частоты задающего кварцевого генератора, поскольку они получены из него.

За прошедшие годы было разработано множество методов синтеза частот. Некоторые подходы включают в себя фазовую автоподстройку контура , двойное смешивание, тройное смешивание, гармонический, двойное разделение смеси и прямой цифровой синтез (DDS). Выбор подхода зависит от нескольких факторов, таких как стоимость, сложность, размер шага частоты, скорость переключения, фазовый шум и паразитные выходные сигналы.

Когерентные методы генерируют частоты, полученные от одного стабильного задающего генератора. В большинстве приложений обычно используется кварцевый генератор , но можно использовать и другие резонаторы и источники частоты. Некогерентные методы извлекают частоты из набора из нескольких стабильных осцилляторов. Подавляющее большинство синтезаторов в коммерческих приложениях используют когерентные методы из-за простоты и низкой стоимости.

Синтезаторы, используемые в коммерческих радиоприемниках, в основном основаны на системах фазовой автоподстройки частоты или системах ФАПЧ. Многие типы синтезаторов частоты доступны в виде интегральных схем , что позволяет снизить стоимость и размер. В высокотехнологичных приемниках и электронном испытательном оборудовании используются более сложные методы, часто в сочетании.

Системный анализ и проектирование

Хорошо продуманная процедура проектирования считается первым важным шагом на пути к успешному проекту синтезатора. При проектировании системы синтезатора частоты, утверждает Манасевич, существует столько «лучших» процедур проектирования, сколько имеется опытных проектировщиков синтезаторов. Системный анализ синтезатора частоты включает диапазон выходных частот (или полосу частот, или диапазон настройки), приращение частоты (или разрешение, или настройку частоты), стабильность частоты (или стабильность фазы, сравнение побочных выходных сигналов), характеристики фазового шума (например, спектральную чистоту). , время переключения (сравните время установления и время нарастания ), а также размер, потребляемую мощность и стоимость. Джеймс А. Кроуфорд говорит, что это взаимопротиворечащие требования.

В число влиятельных ранних книг по методам синтеза частот входят книги Флойда М. Гарднера (его методы фазовой синхронизации 1966 года ). и Венцеслав Ф. Крупа (его «Синтез частот» 1973 года ).

Математические методы, аналогичные механическим соотношениям передаточного числа, можно использовать в синтезе частоты, когда коэффициент синтеза частоты представляет собой отношение целых чисел. Этот метод позволяет эффективно планировать распределение и подавлять спектральные выбросы.

Синтезаторы с переменной частотой, включая DDS , обычно разрабатываются с использованием арифметики по модулю N для представления фазы.

Принцип синтезаторов ФАПЧ

См. основную статью: Фазовая автоподстройка частоты

Фазовая автоподстройка частоты представляет собой систему управления с обратной связью. Он сравнивает фазы двух входных сигналов и выдает сигнал ошибки , пропорциональный разнице между их фазами. Затем сигнал ошибки фильтруется низкими частотами и используется для управления генератором, управляемым напряжением (ГУН), который создает выходную частоту. Выходная частота подается через делитель частоты обратно на вход системы, создавая петлю отрицательной обратной связи . Если выходная частота дрейфует, сигнал фазовой ошибки будет увеличиваться, перемещая частоту в противоположном направлении, чтобы уменьшить ошибку. Таким образом, выходной сигнал синхронизируется с частотой другого входа. Этот другой вход называется опорным и обычно поступает от кварцевого генератора, частота которого очень стабильна. На блок-схеме ниже показаны основные элементы и устройство синтезатора частоты на основе ФАПЧ .

Блок-схема распространенного типа синтезатора с ФАПЧ.

Ключом к способности синтезатора частоты генерировать несколько частот является делитель, расположенный между выходом и входом обратной связи. Обычно это цифровой счетчик , выходной сигнал которого действует как тактовый сигнал . Счетчик предварительно настроен на некоторое начальное значение счета и ведет обратный отсчет при каждом цикле тактового сигнала. Когда он достигает нуля, выход счетчика меняет состояние, и значение счетчика перезагружается. Эту схему легко реализовать с помощью триггеров , и, поскольку она является цифровой по своей природе, ее очень легко взаимодействовать с другими цифровыми компонентами или микропроцессором . Это позволяет легко управлять выходной частотой синтезатора с помощью цифровой системы.

Пример

Предположим, что опорный сигнал составляет 100 кГц, а делитель может быть установлен на любое значение от 1 до 100. Сигнал ошибки, создаваемый компаратором, будет равен нулю только тогда, когда выходной сигнал делителя также равен 100 кГц. Для этого ГУН должен работать на частоте, равной 100 кГц, умноженной на значение счетчика делителя. Таким образом, он будет выдавать выходной сигнал 100 кГц при счете 1, 200 кГц при счете 2, 1 МГц при счете 10 и так далее. Обратите внимание, что с помощью простейших целочисленных делителей N можно получить только целые числа, кратные опорной частоте. Делительные делители N легко доступны.

Практические соображения

Philips TDA6651TT — смеситель/генератор 5 В и малошумящий синтезатор с ФАПЧ для гибридного наземного тюнера

На практике синтезатор частоты этого типа не может работать в очень широком диапазоне частот, поскольку компаратор будет иметь ограниченную полосу пропускания и может страдать от проблем с наложением частот . Это может привести к ложным ситуациям блокировки или к невозможности блокировки вообще. Кроме того, сложно создать высокочастотный ГУН, работающий 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, нам нужен не огромный диапазон, а скорее конечное число в некотором определенном диапазоне, например, количество радиоканалов в определенном диапазоне.

Многие радиоприложения требуют частот, которые выше тех, которые могут быть непосредственно введены в цифровой счетчик. Чтобы преодолеть эту проблему, весь счетчик можно сконструировать с использованием высокоскоростной логики, такой как ECL , или, чаще, с использованием быстрого начального этапа деления, называемого прескалером , который снижает частоту до управляемого уровня. Поскольку прескалер является частью общего коэффициента деления, фиксированный прескалер может вызвать проблемы при проектировании системы с узкими разносами каналов, что обычно встречается в радиоприложениях. Эту проблему можно преодолеть с помощью двухмодульного прескалера .

Дальнейшие практические аспекты касаются 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, помещенный между выходом компаратора частоты и входом ГУН. Обычно выходной сигнал компаратора частоты имеет форму коротких импульсов ошибки, но на входе ГУН должно быть плавное, свободное от шумов напряжение постоянного тока. (Любой шум в этом сигнале естественным образом вызывает частотную модуляцию ГУН.) Сильная фильтрация заставит ГУН медленно реагировать на изменения, вызывая дрейф и медленное время отклика, но легкая фильтрация приведет к появлению шума и другим проблемам с гармониками . Таким образом, конструкция фильтра имеет решающее значение для производительности системы и фактически является основной областью, на которой разработчик сосредоточится при создании системы синтезатора.

Использование в качестве частотного модулятора

Многие синтезаторы частоты с ФАПЧ также могут генерировать частотную модуляцию (ЧМ). Модулирующий сигнал добавляется к выходу контурного фильтра, напрямую изменяя частоту ГУН и выходной сигнал синтезатора. Модуляция также появится на выходе фазового компаратора, уменьшенная по амплитуде при любом делении частоты. Любые спектральные компоненты модулирующего сигнала, слишком низкие для блокировки контурным фильтром, возвращаются на вход ГУН с полярностью, противоположной модулирующему сигналу, тем самым подавляя их. (Контур фактически воспринимает эти компоненты как шум ГУН, который необходимо отслеживать.) Компоненты модуляции выше частоты среза контурного фильтра не могут вернуться на вход ГУН, поэтому они остаются на выходе ГУН. Таким образом, эта простая схема не может напрямую обрабатывать низкочастотные (или постоянные) модулирующие сигналы, но это не проблема для многих FM-передатчиков видео и аудио, связанных по переменному току, которые используют этот метод. Такие сигналы также могут быть помещены на поднесущую выше частоты среза контурного фильтра ФАПЧ.

Синтезаторы частоты с ФАПЧ также могут модулировать низкую частоту и вплоть до постоянного тока, используя двухточечную модуляцию, чтобы преодолеть вышеуказанное ограничение. Модуляция применяется к ГУН, как и раньше, но теперь также применяется к синтезатору в цифровом виде в соответствии с аналоговым FM-сигналом с использованием быстрого дельта-сигма АЦП.

См. также

• Супергетеродинный приемник
• Генератор с цифровым управлением
• Двухмодульный прескалер
• Уодли Луп

Ссылки

• Банерджи, Дин (2006), Справочник по производительности, моделированию и проектированию ФАПЧ (4-е изд.), National Semiconductor , заархивировано из оригинала 21 ноября 2008 г. , получено 20 октября 2008 г. Также PDF-версия .
• Кроуфорд, Джеймс А. (1994), Справочник по проектированию синтезатора частоты , Artech House, ISBN  0-89006-440-7
• Иган, Уильям Ф. (2000), Синтез частот с помощью фазовой синхронизации (2-е изд.), John Wiley & Sons, ISBN  0-471-32104-4
• Гарднер, Флойд М. (1966), Методы фазовой синхронизации , Джон Уайли и сыновья
• Крупа, Венцеслав Ф. (1999), Прямые цифровые синтезаторы частоты , IEEE Press , ISBN  0-7803-3438-8
• Крупа, Венцеслав Ф. (1973), Синтез частот: теория, проектирование и приложения , Гриффин, ISBN  0-470-50855-8
• Манасевич, Вадим (1987), Синтезаторы частоты: теория и конструкция (3-е изд.), John Wiley & Sons, ISBN  0-471-01116-9
• Попель-Горский, Ежи (1975), Синтез частот: методы и приложения , IEEE Press, ISBN  0-87942-039-1
• Оуэн, Дэвид (2001), Синтезаторы с дробным коэффициентом деления , Microwave Journal
• Сю, Лимин (2012), Синтез нанометровой частоты за пределами фазовой автоподстройки частоты , август 2012 г., John Wiley IEEE press (серия IEEE Press по микроэлектронным системам), ISBN   978-1-118-16263-7 .
• Сю, Лимин (2015), От частоты к средней по времени частоте: сдвиг парадигмы в проектировании электронных систем , май 2015 г., John Wiley IEEE press (серия IEEE Press по микроэлектронным системам), ISBN   978-1-119-02732-4 .

Дальнейшее чтение

• Ульрих Л. Роде «Цифровые синтезаторы частоты с ФАПЧ – теория и проектирование», Prentice-Hall, Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, январь 1983 г.
• Ульрих Л. Роде «СВЧ и беспроводные синтезаторы: теория и конструкция», John Wiley & Sons, август 1997 г., ISBN   0-471-52019-5

Внешние ссылки

• HP 5100A - Проект памяти HP (настраиваемый синтезатор прямой частоты с разрешением 0,01 Гц , представленный в 1964 году; для HP прямой синтез означал, что ФАПЧ не используется, а косвенный означал, что ФАПЧ использовалась)
• Hewlett-Packard (декабрь 1965 г.). Синтезатор модели 5100A (PDF) . Руководство по эксплуатации и обслуживанию.
• Hewlett-Packard (август 1965 г.). Драйвер синтезатора модели 5110A (PDF) . Руководство по эксплуатации и обслуживанию.
• Патент США № 3555446 на синтезатор частот , Браймер, Нью-Йорк, (12 января 1971 г.)
• Оливер, Бернард М. (май 1964 г.). «Цифровой синтез частот» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 15 (9): 1. Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2022 г. Проверено 14 мая 2017 г.
• Ван Дузер, Виктор Э. (май 1964 г.). «Синтезатор частоты 0–50 МГц с превосходной стабильностью, быстрым переключением и высоким разрешением» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 15 (9): 1–6. Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2022 г. Проверено 14 мая 2017 г. . HP 5100A Прямой синтезатор: гребенчатый генератор; отфильтровать, смешать, разделить. Учитывая 3,0bcd МГц, смешайте с 24 МГц и отфильтруйте, чтобы получить 27,0bcd МГц, смешайте с 3,a МГц и отфильтруйте, чтобы получить 30,0bcd МГц; разделите на 10 и отфильтруйте, чтобы получить 3,0abcd МГц; перейдите на следующий этап, чтобы получить еще одну цифру, или смешайте до 360,abcd МГц и начните смешивание и фильтрацию с другими частотами с шагом 1 МГц (30–39 МГц) и 10 МГц (350–390 МГц). Побочные сигналы составляют -90 дБ (п. 2).
• Ван Дузер, Виктор Э. (май 1964 г.). «Заметки по применению синтезаторов частоты» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 15 (9): 7–8. Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2022 г. Проверено 14 мая 2017 г.
• Катлер, Леонард С. (декабрь 1963 г.). «Исследование атомных спектральных линий цезиевой лучевой трубки с помощью синтезатора частоты HP» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 15 (4). Архивировано из оригинала (PDF) 9 декабря 2022 г. Проверено 17 мая 2017 г.
• Шанахан, Джон. С. (декабрь 1971 г.). «Объединение генерации сигналов и синтеза сигналов: разработано одновременное решение проблем генерации и использования сигналов с оптимизацией как для стендового, так и для автоматического использования» (PDF) . Журнал Hewlett-Packard . 23 (4): 2–13. Архивировано из оригинала (PDF) 14 августа 2022 г. Проверено 14 мая 2017 г. . Синтезатор HP 8660A/B Multiloop PLL.