eng
Работа радиотехнических систем основана на извлечении информации из радиосигналов с высокостабильными собственными параметрами: частотой, фазой, формой огибающей. Для достижения таких параметров необходимы как источники опорных колебаний, устойчивые к различным дестабилизирующим воздействиям, так и технические возможности управления ими. Но эти задачи противоречивы. Решаются они при помощи синтезаторов частоты (СЧ), преобразующих колебания опорного генератора, принимаемые за эталонные, в сигналы желаемого номинала частоты с незначительной потерей эталонных свойств. Наибольший интерес разработчиков электронной аппаратуры привлекают СЧ, реализованные в виде одной или нескольких микросхем, которые могут быть встроены в новые изделия. Что же сегодня представлено на мировом рынке моделей и модификаций микросхем, составляющих СЧ?
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Синтезатор частоты – устройство, преобразующее гармоническое колебание опорного источника u0(t), частота f0 которого принимается за эталонную, в почти гармоническое колебание uвых(t) с частотой fвых. Преобразование выполняется при допустимых значениях погрешности установки среднего значения частоты fвых, уровня мешающих дискретных и шумовых составляющих спектра, отклонения формы выходного колебания от гармонической и отклонения параметров под действием дестабилизирующих факторов. Иногда при переходе от одного значения средней частоты к другому требуется высокое быстродействие, а иногда необходимо формировать в СЧ модулированные колебания с малыми погрешностями средней частоты и параметров модуляции [3].
При высоких требованиях к стабильности и чистоте спектра выходного сигнала используют следующие два типа СЧ.
Прямой цифровой синтезатор (Direct Digital Synthesizer – DDS), называемый также цифровым вычислительным синтезатором – ЦВС. В ЦВС выходной сигнал формируется на выходе цепочки из последовательно включенных накопителя кода частоты (НКЧ), накопителя кода фазы (НКФ), модулятора кода фазы (МКФ), фазо-амплитудного преобразователя кодов (ПК) и ЦАП (рис.1). При фиксированных значениях частоты и фазы выходного сигнала с каждым импульсом тактовой частоты fт в НКФ к текущему коду фазы Кj прибавляется код частоты Кf. Частота повторения циклов переполнения счетчика НКФ пропорциональна коду частоты
...
где R – объем счетчика НКФ. Погрешность связана с ошибками дискретизации при некратных значениях R и Кf . Минимальный шаг по частоте Df = fт/R задается разрядностью шины Kf .
НКЧ используется в режиме автоматической перестройки частоты. При этом скорость изменения Kf на соседних тактах суммирования задается кодом Kb. Модуляция фазы выходного сигнала кодом Кjмод вводится в МКФ. В блоке памяти ПК по коду фазы Кj считываются коды синусного Кs и/или косинусного Кc отсчетов выходного сигнала, которые ЦАП преобразует в выходные напряжения us(t) и/или uс(t).
ЦВС обеспечивает малые погрешности установки параметров, имеет широкие возможности по модуляции, характеризуется малым временем перехода от одной частоты к другой. Но значения его выходной частоты ограничены быстродействием цифровых узлов.
Синтезатор на основе фазовой автоматической подстройки частоты – ФАПЧ. Выходной сигнал такого СЧ – колебание генератора, управляемого напряжением (ГУН), частота которого синхронизирована по опорному источнику при помощи цепи обратной связи. Выходная частота СЧ с ФАПЧ практически не ограничена. Но его настройка сложнее, чем ЦВС, и его функциональные возможности не столь широки. СЧ с ФАПЧ могут быть выполнены с целочисленным или дробно-переменным коэффициентом деления частоты.
В базовой схеме СЧ с целочисленным коэффициентом деления (Integer-N Divider) ГУН охвачен кольцом автоматической подстройки частоты, содержащим фазовый дискриминатор (ФД), опорный делитель частоты ёM, делители частоты в кольце ёN и ёP и цепь обратной связи с фильтром нижних частот (ФНЧ) (рис.2). Делитель частоты ёP работает на частоте fгун с фиксированным коэффициентом деления, кратным степени 2, а делитель ёN работает как управляемый счетчик с произвольным коэффициентом деления. Иногда он может иметь двухмодульное исполнение, и тогда его коэффициент деления устанавливается равным N или N+1. Это позволяет снизить погрешность установки заданного номинала выходной частоты СЧ fвых при фиксированной частоте опорного генератора f0. Вне кольца ФАПЧ может быть включен умножитель частоты ґК, предназначенный для повышения выходной частоты и дополнительного ослабления влияния нестабильности нагрузки на ГУН.
ФД на частоте f0/M сравнивает приведенные фазы опорного и подстраиваемого генераторов. Если в кольце ФАПЧ установился режим фазовой синхронизации, приведенные частоты совпадают, и тогда разность фаз колебаний на ФД, напряжение на его выходе ефд и напряжение еу на выходе ФНЧ постоянны. Коэффициент пропорциональности частот опорного генератора и ГУН представляет собой отношение целых чисел:
...
При различных значениях M и N частота ГУН может принимать дискретные значения с шагом Df = f0/M. Для перехода на другую рабочую частоту необходимо переключить коэффициенты M и/или N. Это вызывает переходный процесс в кольце авторегулирования ФАПЧ, длительность которого t равна 30–50 периодам частоты сравнения, t » 30M/f0 .
В СЧ типа, приведенного на рис.2, возникает противоречие между стремлением иметь малый шаг сетки частот Df для уменьшения погрешности установки частоты и длительностью процесса ее установления t, обратно пропорциональной шагу. Кроме того, при уменьшении Df затрудняется фильтрация ближайших к несущей частоте паразитных дискретных компонент спектра.
Для разрешения этого противоречия используется более сложная схема делителя частоты в кольце – делитель с дробно-переменным коэффициентом деления (Fractional-N Divider) (рис.3). Эта схема содержит двухмодульный делитель частоты ёN/(N+1), поглощающий счетчик – ПС (Swallowing Counter) и S-D-модулятор для коррекции помех дробности. Делитель ... делит частоту импульсов ГУН в N раз, если на его вход управления поступает логический "0", и в N+1 раз, если на входе управления логическая "1". Счетчик ПС выдает на выходе логическую "1", если число в его счетном регистре не превышает его объема R, т.е. q
...
Шаг сетки частот Df = f0/(MRP) значительно меньше, чем в схеме на рис.2, так как значение RР может составлять 26–212. При этом длительность переходного процесса в кольце ФАПЧ, как и в схеме на рис.2, определяется частотой сравнения f0/M. Однако из-за периодического переключения коэффициента деления прескалера ёN/(N+1) в схеме с дробным делителем частоты возникают регулярные фазовые погрешности и, соответственно, паразитные спектральные составляющие (ПСС). Для их уменьшения используют S-D-корректор, который псевдослучайным образом нарушает регулярность циклов переключения ёN/(N+1).
В качестве ФД в СЧ используются импульсные схемы выборки-запоминания (СВЗ), триггерные частотно-фазовые детекторы (ЧФД) или смесители (См) гармонических колебаний с выходом по постоянному току. СВЗ хорошо подавляет спектральные компоненты частоты сравнения. ЧФД позволяет уменьшить число периодов частоты сравнения, за которые устанавливается синхронизм, и работает в широком интервале изменения частоты сравнения. Смесители вносят наименьший уровень собственных шумов и используются на самых высоких частотах, что снижает t за счет сокращения длительности каждого периода частоты сравнения и уменьшает уровень ПСС [2]. ФД дополняется схемой поддержания заряда (Сharge Рump) на КМОП-транзисторах с малыми токами управления и утечки. Эта схема эквивалентна интегратору постоянного тока и создает эффект астатизма по разности фаз на ФД, т.е. снижает установившееся значение этой разности. Кроме того, она используется для ускорения входа в синхронизм.
В цепи обратной связи между выходом ФД и входом управления ГУН включается усилитель постоянного тока, совмещенный с ФНЧ. Произведение коэффициентов передачи этого усилителя на постоянном токе k0, ФД и ГУН определяет наибольшую допустимую расстройку, т.е. полосу синхронизма BWc (Loop Bandwidth), в которой удерживается фазовая синхронизация
BWc = Eфдk0Sy,
где Ефд – наибольшее напряжение, которое вырабатывает ФД, Sу – крутизна управления частотой ГУН. Значение BWc должно превышать уходы собственной частоты ГУН в условиях эксплуатации СЧ.
Вид частотной характеристики ФНЧ W(F) и параметры фильтра выбираются из соображений:
· подавления нежелательных частотных компонент (помех) на выходе ФД;
· снижения длительности переходного процесса при переключении рабочей частоты;
· обеспечения устойчивости процесса автоподстройки частоты;
· уменьшения установившейся разности фаз опорного колебания и сигнала ГУН в пределах полосы синхронизма.
В качестве ФНЧ может использоваться простое RC-звено с коэффициентом передачи W0(F)=1/(1+j2pFT1), где Т1 – постоянная времени. Однако такой фильтр не обеспечивает хорошую одновременную фильтрацию как внутренних, так и внешних по отношению к ФАПЧ помех. Поэтому чаще применяют либо пропорционально-интегрирующий ФНЧ ..., либо активный пропорционально-интегрирующий ФНЧ с полюсом (интегратором) на постоянном токе ... . Фильтр W1(F) позволяет улучшить фильтрацию шумов и ПСС; фильтр W2(F) уменьшает остаточную разность фаз на ФД, но приближает систему ФАПЧ к порогу самовозбуждения.
Основная техническая характеристика, определяющая качество сигнала любого источника гармонических колебаний, – спектральная плотность мощности (СПМ) его фазовых нестабильностей Sj(F), где F = |f – fвых| – отстройка от несущей частоты [1]. Ординаты Sj(F) нормируют по отношению к мощности на несущей частоте в полосе 1 Гц, приводят к односторонней СПМ и выражают в [дБ/Гц]. Характеристика Sj(F) отражает шумовые, регулярные и искажающие процессы, происходящие во всех узлах СЧ. Для ЦВС характеристика Sj(F) определяется, главным образом, фазовыми нестабильностями опорного источника частоты fт. Погрешности, вносимые схемой ЦВС, проявляются в увеличении ПСС из-за дискретизации процессов в ЦАП. Для СЧ с ФАПЧ наибольшее влияние на Sj(F) оказывают фазовые нестабильности ГУН (рис.4). Снижения шумов СЧ до требуемого уровня в нужной зоне отстроек добиваются выбором полосы синхронизма BWc и параметров ФНЧ. Некоторые производители СЧ в качестве характеристики качества сигнала приводят значение среднеквадратического дрожания фазы в градусах
...
для широкого интервала отстроек F2–F1. Однако для каждой радиотехнической системы надо использовать конкретные значения пределов интегрирования, обычно отличающиеся от указанных в документации. Кроме того, сосредоточенные и распределенные по частоте компоненты Sj(F) создают различные помехи в радиосистеме, поэтому нормы на шумовые и дискретные составляющие спектра различны.
Система ФАПЧ функционирует в установившемся режиме фазовой синхронизации или в режиме переключения частоты, когда происходит переходный процесс входа в синхронизм на новой частоте. При неправильном выборе параметров цепи обратной связи может наступить несинхронный режим биений за пределами полосы удержания или самовозбуждение ФАПЧ внутри полосы. Обычно в составе СЧ с ФАПЧ предусмотрены схемы индикации захвата частоты и ускоренного входа в синхронизм.
При разработке СЧ с ФАПЧ для выполнения высоких требований к качеству выходного сигнала и диапазону перестройки по частоте приходится решать непростую задачу обеспечения допустимых значений погрешности установки частоты, уровней ПСС и шума, длительности переходного процесса, остаточной фазовой ошибки. При этом значения опорной частоты, частоты сравнения, тип системы ФАПЧ, вид и параметры ФД и ФНЧ выбираются раздельно. Поэтому СЧ с ФАПЧ часто реализуется на основе нескольких узлов: ГУН, схемы приведения частоты, ЧФД, средств контроля и управления режимами, ФНЧ. Кроме того, в состав СЧ могут входить умножитель частоты, буферный усилитель мощности, энергонезависимая память параметров, модулятор выходного сигнала.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИНТЕЗАТОРОВ
Основные технические характеристики и параметры СЧ можно разделить на три группы: параметры выходного сигнала, характеристики цепей управления и питания, параметры чувствительности к внешним воздействиям.
К параметрам выходного сигнала относятся: рабочий диапазон выходной частоты fвых; частота fоп и мощность Pоп опорного сигнала; частота сравнения fср или тактирования fт; шаг по частоте Df ; фазовый шум Sj(F); уровень и частота ПСС и высших гармоник; длительность процесса перестройки частоты t. Иногда в число основных сигнальных параметров включают и среднеквадратическое фазовое рассогласование Djуст.
Из характеристик цепей управления и питания обычно приводятся вид интерфейса и способ установки параметров СЧ; напряжение питания и ток (мощность) потребления; дополнительные функции управления выходными колебаниями.
Чувствительность к вариациям параметров внешней среды и входных сигналов оценивается диапазоном рабочих температур в градусах Цельсия и диапазоном допустимых значений напряжения питания.
СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ
Сегодня десятки фирм выпускают множество моделей СЧ. Представительная подборка технических характеристик СЧ зарубежных производителей отражена на сайте www.radiocomp.ru [4]. СЧ нередко выполняются в виде автономных блоков, включающих в себя источники колебаний с прецизионной стабильностью частоты, органы управления и модуляции параметров, усилители мощности. Примеры таких СЧ можно найти на сайтах фирм Miteq ( www.miteq.com ), Giga-tronics ( www.gigatronics.com ), Meret Optical Communications ( www.meretoptical.com ) и др. Для встраивания в электронную аппаратуру более интересны технические решения в виде интегральных СЧ на одном или нескольких многослойных кристаллах, а также в виде микросборок для поверхностного монтажа.
ЦВС. В последние годы такие известные производители, как Qualcomm, Meret Optical Communications и др., не выдержав острой конкуренции с фирмой Analog Devices (табл.1), уходят с рынка. Некоторые производители (например, фирма EM Research, www.emresearch.com) рекламируют СЧ с выходными частотами до 3,6 ГГц как ЦВС, но не приводят информацию о самом синтезаторе. Из приводимых характеристик Sj(F) видно, что речь идет о комбинированных синтезаторах, где ЦВС – лишь один из компонентов, а сигналы повышенных выходных частот формируются системой ФАПЧ или преобразованием частоты вверх.
Для ЦВС значение тактовой частоты fт задает высшую частоту выходного гармонического сигнала, которая в соответствии с теоремой отсчетов не превосходит половины частоты дискретизации. Низшая синтезируемая частота при этом равна шагу Df = fт/2k, где k – разрядность НКФ. Значение Df для СЧ типа STEL-2375B компании ITT Microwave Systems составляет 0,23 Гц на выходной частоте 100 МГц при fт = 800 МГц. Разработчики модели AD9854 использовали k = 48, что позволило резко уменьшить шаг по частоте по сравнению с большинством моделей, для которых k = 32. Повышение тактовой частоты заставляет разработчиков искать способы формирования высокостабильных опорных колебаний с частотой, равной нескольким сотням мегагерц. Так, в моделях AD9951– AD9954 введен буферный генератор с подключаемым внешним кварцевым резонатором на частоту, например, 20 МГц и программируемый умножитель частоты в 4–20 раз с ФАПЧ, выходной сигнал которого используется как тактовый.
Качество выходного сигнала ЦВС определяется разрядностью ЦАП, близостью выходной частоты к половине частоты дискретизации и шумовым спектром источника тактирования. Большинство моделей имеют ЦАП достаточно высокой разрядности (10–14 бит), благодаря чему содержание высших гармоник не превышает
-(15–20) дБ. В некоторых моделях (AD9854) используется два ЦАП с квадратурными выходными сигналами, каждый из которых имеет по два противофазных напряжения. При этом на любой выходной частоте формируется ансамбль из четырех сдвинутых по фазе на 90° сигналов одинаковых амплитуд, необходимый для использования в квадратурных модуляторах или демодуляторах, в однополосных преобразователях полосы частот вверх или вниз.
В ЦВС отсутствует ГУН, поэтому собственный фазовый шум синтезатора (Residual Phase Noise) незначителен. Его измеренное значение следует рассматривать как совокупность данных о выходной частоте ЦВС по сравнению с частотой тактирования, о фазовом шуме источника тактирования и шумовых свойствах анализатора фазовых нестабильностей. Для AD9858, например, приводится значение собственного шума Sj(100 кГц) = -152 дБ/Гц, измеренное при конкретных условиях: выходная частота 5 МГц и частота тактирования 300 МГц с прецизионными опорным источником и анализатором. А шумовые свойства источника тактовой частоты fт ЦВС типа STEL-2375B можно определить из приводимой для него характеристики Sj(F) (рис.5). Уровень ПСС составляет -(50–70) дБ, если рабочая частота значительно ниже тактовой и возрастает до -35 дБ по мере приближения fвых к fт/2.
Мощность выходного сигнала ЦВС определяется способностью ЦАП поддерживать ток нагрузки, задаваемый кодом отсчета. Поэтому обычно производители ее нормируют как измеряемый в миллиамперах ток на резистивной нагрузке с сопротивлением ~4 кОм.
Возможности перестройки выходного сигнала ЦВС по частоте уникальны. Частота задается фиксированным кодом частоты Kf или автоматически перестраивается по линейному во времени закону ЛЧМ в весьма широких пределах с сохранением формы выходного колебания. В ЦВС типа AD9954 предусмотрена возможность запоминания нескольких частотных профилей для нелинейного закона качания (сканирования) частоты, а в AD9854 – режимы формирования сигналов с манипуляцией частоты или фазы при стабильной несущей частоте. Для этой цели в микросхему AD9854 включены два 48-разрядных переключаемых регистра установки дискретов частоты и два 14-разрядных регистра установки фазы. Продолжительность перехода на новую частоту в ЦВС определяется только временем пересылки нового кода частоты.
В AD9852 и AD9854 для деления кода отсчета на функцию (sinx)/x используется цифровой аппаратный перемножитель кодов выходных отсчетов на 12-разрядный код амплитуды. Это обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала в диапазоне частот. Кроме того, перемножитель позволяет модулировать амплитуду изменением кода. Благодаря возможности ввода Кjмод при переключении частоты можно цифровым способом формировать сигналы с непрерывной фазой (QAM, MSK).
Микросхемы ФАПЧ, предназначенные для СЧ (табл.2). В состав СЧ входит микросхема ФАПЧ с программируемыми делителями частоты, фазовым детектором и цепями управления, работающая совместно с внешними опорным генератором и ГУН. Такое решение обеспечивает большую гибкость при выборе параметров, особенно при широком диапазоне перестройки по частоте. В большинстве моделей предусмотрены два выхода управляющего напряжения: один для положительной, другой – для отрицательной крутизны управления частотой, что дает дополнительную свободу при выборе модели ГУН. Собственные шумовые свойства микросхем ФАПЧ проявляются как шумы ФД, делителей частоты и схемы управления. Сведения о собственных шумах Sj(F) для схем ФАПЧ практически не приводятся, а приводимые некоторыми производителями характеристики Sj(F) синтезатора с микросхемой ФАПЧ надо оценивать совместно с шумовыми параметрами ГУН, ФНЧ, источника опорного сигнала и использованного анализатора.
В большинстве микросхем ФАПЧ формируется выходной сигнал индикации захвата частоты (Lock Detect), предусмотрены средства перехода в "спящий" режим. Схема быстрого захвата частоты (Fast Lock) ускоряет восстановление захвата при срыве синхронизации. Эта схема способствует увеличению тока ФД в процессе перехода на другую частоту, что сокращает время установления. В ФАПЧ с целочисленными коэффициентами деления для уменьшения погрешности установки желаемой частоты при фиксированной частоте опорного сигнала иногда в кольце используется двухмодульный делитель частоты (прескалер) (модели РЕ83341, РЕ3238 фирмы Peregrine Semiconductor). Фирма выпускает ряд новых моделей для гражданских применений (РЕ3341, РЕ3342), модели для бортовой аппаратуры (РЕ9601, РЕ9704, РЕ9722), а также их аналоги для военных и спутниковых приложений (РЕ83341, РЕ83363, РЕ83336) с высокими показателями по устойчивости к внешним воздействиям.
При создании СЧ с ФАПЧ, работающего в диапазоне десятков гигагерц, используют предварительные делители частоты с фиксированным коэффициентом деления ёР в кольце ФАПЧ [2] или широкополосные малошумящие умножители частоты ґК вне кольца ФАПЧ (см. рис.2, 3). Выбор конкретной схемы производится на основе сопоставления итоговых шумовых характеристик Sj(F) с учетом шумов ГУН и/или умножителя/делителя частоты, приведенных к выходной частоте.
Особенность СЧ с ФАПЧ модели PE3342 – наличие встроенной программируемой по последовательному интерфейсу энергонезависимой памяти EEPROM, модели РЕ3293 – малое энергопотребление: 3 В ґ 4 мА. В СХ72302 программируются параметры ФНЧ и коэффициент передачи ФД, что позволяет оперативно изменять полосу синхронизации. Поскольку частота сравнения, определяющая продолжительность перестройки на другую частоту t, изменяется в зависимости от коэффициента деления частоты опорного источника ёМ, СЧ с ФАПЧ трудно нормировать по этому параметру. Обычно производители, разрабатывающие СЧ с малым временем перестройки, приводят соотношение t /BWc, связывающее время установления с полосой синхронизма BWc. В модели СX74038 фирмы Skyworks Solutions за счет оптимального выбора схемы подкачки достигнут малый уровень среднеквадратической фазовой погрешности (Djуст = 5°).
Среди ФАПЧ с дробным коэффициентом деления микросхема СХ72302 отличается прецизионно малым шагом установки средней частоты (Df = 0,01 Гц) при выходной частоте около 6 ГГц.
Для фирм-производителей СЧ с дробным делителем особой проблемой является снижение помех дробности. Дело в том, что из расчетных выходных характеристик собственного шума Sj(F) таких СЧ фоновый уровень не превышает -200 дБ/Гц при отстройках в несколько мегагерц, но дискретные компоненты достигают
-(50–70) дБ. Многие производители применяют патентуемые технические решения, направленные на существенное увеличение периода регулярности переключения двухмодульного делителя частоты (стохастизация переключений), в результате чего энергия дискретных компонент распределяется по широкой полосе отстроек. В моделях PE83363 и CX74038 благодаря применению D-S-модулятора третьего порядка уровень ПСС не превышает -60 дБ при отстройках более 100 кГц. Возможно и построение СЧ с дробным коэффициентом деления, в которых отсутствуют ПСС. Пример – СЧ модели PSA5300A фирмы Z-Communications, спектр мощности выходного сигнала которого в широкой полосе отстроек показывает отсутствие ПСС (рис.6), хотя уровень общего фона шума составляет -80 дБ/Гц.
Ряд производителей выпускают СЧ, содержащие элементы одной или двух систем ФАПЧ и дополнительно ФАПЧ на промежуточной частоте. Применение единого опорного колебания в нескольких СЧ обеспечивает когерентную обработку сигналов цифровой радиосвязи. Так, в СЧ на базе РЕ3293 (рис.7) из опорного колебания с частотой 50 МГц синтезируются когерентные сигналы стабильных частот fRF= 300–1800 МГц и fIF= 45–550 МГц. Помимо микросхемы РЕ3293 (рис.7, обведенный пунктиром прямоугольник), в СЧ входят два внешних ГУН и два ФНЧ. Встроенный регистр последовательного интерфейса (ПИ) хранит значения установленных параметров. Число дискретных значений средней частоты по каждому из выходов достигает 4,7·106. Ошибки дробности в кольцах ФАПЧ компенсируются с помощью узлов Корр, изменяющих параметры схем подкачки (СП). Мультиплексор (МП) формирует контрольный сигнал синхронной работы КС.
Интерес представляет сдвоенный синтезатор-модулятор со встроенным опорным кварцевым генератором модели СХ72300 фирмы Skyworks Solutions. Вводом 12-разрядного управляющего слова в нем можно установить режим фиксированной частоты с 262144 дискретными значениями или режимы бинарной, многоуровневой, квадратурной манипуляции частоты, включая модуляцию МЧМ (MSK, GMSK) с минимальным фазовым сдвигом.
Обращает на себя внимание и решение задачи формирования с помощью ФАПЧ вторичного опорного источника фиксированной частоты с предельно малым уровнем фазового шума (рис.8). Для этого с помощью PE3341 на частоте fвых = 622,08 МГц по опорным колебаниям прецизионного термокомпенсированного кварцевого генератора фиксированной частоты (ТККГ) типа OSC-3BO-19.44 с частотой f0 = 19,44 МГц организуется ФАПЧ управляемого по частоте кварцевого генератора (УКГ) типа OP4005B фирмы RF Monolitics. В такой схеме в полосе отстроек от F1 = 100 Гц до F2 = 80 МГц суммарная фазовая погрешность Djско = 0,023°, что на 5–10 дБ меньше, чем для других опорных источников этого диапазона.
Весьма перспективны комбинированные синтезаторы, использующие ЦВС в составе ФАПЧ. Так, AD9858 (см. табл.1) кроме ЦВС имеет дополнительные автономные ЧФД на частоту до 150 МГц со схемой подкачки, два программируемых делителя частоты и аналоговый смеситель. При работе с AD9858 ЦВС можно включить в состав СЧ с ФАПЧ в качестве делителя частоты опорного сигнала. При этом средняя частота и параметры модуляции устанавливаются с высокой точностью и с мелким шагом в диапазоне частот ГУН. Узел ЦВС может выполнять также функции дробного делителя частоты в кольце ФАПЧ и дополнительно расширить возможности СЧ с ФАПЧ с дробно-переменным делителем частоты (см. рис.3). Серию комбинированных ЦВС и ФАПЧ типа VDS-6600 предлагает фирма Meret Optical Communications. Фактически комбинированными являются и синтезаторы фирмы EM Research.
Интегральные синтезаторы частот с ФАПЧ со схемами приведения частот, ФД, ФНЧ и ГУН в одной микросборке или на одном кристалле (табл.3). Применение однокристального СЧ с ФАПЧ заметно упрощает монтажную схему и настройку ФАПЧ.Так, двухдиапазонный СЧ на основе сдвоенного интегрального синтезатора типа LMX2525 (рис.9) требует минимального числа вспомогательных и блокировочных элементов поверхностного монтажа. При необходимости изменения средней частоты одного из двух встроенных ГУН подключается внешняя индуктивность L. В этом СЧ за счет программирования режима 800 или 1500 МГц для двух ГУН используются один дробный делитель частоты в кольце, один ФД и один ФНЧ. Быстродействие по фронтам входных сигналов ввода параметров DATA по последовательному интерфейсу (установка режима СЕ, начало записи LE, тактирование ввода CLK), предназначенных для записи 24-бит управляющего слова во внутренний регистр, составляет 50 нс. Выходной сигнал LD позволяет контролировать наличие синхронизма по двум ВЧ-выходам. В режиме ускоренного переключения шаг по частоте Df составляет 20 кГц, а время перестройки t не превышает 300 мкс. За счет применения 10-разрядной запатентованной схемы D-S-модулятора уровень помех дробности ПСС при отстройке 25 кГц снижен до -45 дБ, в зоне отстроек 25–100 кГц – до -60 дБ, а при отстройках более 100 кГц не превышает -75 дБ. Благодаря выбору параметров схемы подкачки фазовая погрешность Djско в полосе 1 кГц–10 МГц составляет 1,3°.
Для улучшения шумовых характеристик в однокристальные СЧ ФАПЧ серии HFS фирмы EM Research встроены дополнительные резонаторы, что позволило в модели HFS-5040-01 на частоте 5 ГГц получить Sj(10 кГц) = -95 дБ/Гц. Из-за встроенных резонаторов полоса перестройки таких СЧ узкая, а у HFS-5040 выходная частота даже фиксирована.
Полоса перестройки СЧ серии SLMS этой же фирмы может достигать октавы, поэтому в них встроен автоматический регулятор усиления по цепи обратной связи ФАПЧ. Кроме того, в этих СЧ предусмотрена возможность работы с внешним кварцевым резонатором на опорную частоту. В серии PLYIG сантиметрового диапазона фирмы EM Research используется встроенный ГУН с перестройкой частоты в пределах до 1 ГГц объемным резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ). Серия MCX имеет повышенную радиационную стойкость.
Для защиты от нестабильности нагрузки и одновременного повышения выходной мощности в СЧ модели HFS-5040-01 фирмы EM Research используется буферный усилитель сигнала ГУН. Такой же эффект с дополнительным повышением рабочей частоты достигается при использовании умножителя частоты вне кольца ФАПЧ.
Синтезатор MTS2000-DS отличается малым шагом установки частоты 1 Гц при октавном диапазоне 1–2 ГГц. Это ограничивает скорость перестройки с одной частоты на другую, и t не превышает 2 мс.
В Si4133W фирмы Silicon Laboratories организовано три кольца ФАПЧ со встроенными ГУН и ФНЧ. Два ВЧ-сигнала с частотами fRF1 = 2,3–2,5 ГГц и fRF2 = 0,75–1,65 ГГц могут программно подключаться на первый выход, а на второй выход постоянно подключен сигнал с частотой fIF = 62,5–1000 МГц. Среднюю частоту сигнала RF2 можно корректировать присоединением внешней индуктивности. Шаг по частоте в 105 раз меньше, чем частота сравнения, которая может изменяться в широких пределах. Однако длительность переходного процесса по частоте не превышает 200 мкс. Подавление высших гармоник синтезатора не хуже -28 дБ, а ближайших ПСС при отстройке 150 кГц – не хуже -60 дБ. Интегральная фазовая ошибка в полосе 100 Гц-1 МГц составляет 1,7° для ВЧ-выходов и 0,7° для выхода на ПЧ.
Литература
1. Белов Л. Компоненты синтезаторов стабильной частоты. Генераторы, управляемые напряжением. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, № 1, с. 42-46.
2. Белов Л. Радиочастотные компоненты. Смесители частот. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ,. 2004, № 2, с.44.
3. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов. –М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. – 80 с.
4. РАДИОКОМП – радиокомпоненты мировых производителей. http://www.radiocomp.ru
Синтезатор частоты – устройство, преобразующее гармоническое колебание опорного источника u0(t), частота f0 которого принимается за эталонную, в почти гармоническое колебание uвых(t) с частотой fвых. Преобразование выполняется при допустимых значениях погрешности установки среднего значения частоты fвых, уровня мешающих дискретных и шумовых составляющих спектра, отклонения формы выходного колебания от гармонической и отклонения параметров под действием дестабилизирующих факторов. Иногда при переходе от одного значения средней частоты к другому требуется высокое быстродействие, а иногда необходимо формировать в СЧ модулированные колебания с малыми погрешностями средней частоты и параметров модуляции [3].
При высоких требованиях к стабильности и чистоте спектра выходного сигнала используют следующие два типа СЧ.
Прямой цифровой синтезатор (Direct Digital Synthesizer – DDS), называемый также цифровым вычислительным синтезатором – ЦВС. В ЦВС выходной сигнал формируется на выходе цепочки из последовательно включенных накопителя кода частоты (НКЧ), накопителя кода фазы (НКФ), модулятора кода фазы (МКФ), фазо-амплитудного преобразователя кодов (ПК) и ЦАП (рис.1). При фиксированных значениях частоты и фазы выходного сигнала с каждым импульсом тактовой частоты fт в НКФ к текущему коду фазы Кj прибавляется код частоты Кf. Частота повторения циклов переполнения счетчика НКФ пропорциональна коду частоты
...
где R – объем счетчика НКФ. Погрешность связана с ошибками дискретизации при некратных значениях R и Кf . Минимальный шаг по частоте Df = fт/R задается разрядностью шины Kf .
НКЧ используется в режиме автоматической перестройки частоты. При этом скорость изменения Kf на соседних тактах суммирования задается кодом Kb. Модуляция фазы выходного сигнала кодом Кjмод вводится в МКФ. В блоке памяти ПК по коду фазы Кj считываются коды синусного Кs и/или косинусного Кc отсчетов выходного сигнала, которые ЦАП преобразует в выходные напряжения us(t) и/или uс(t).
ЦВС обеспечивает малые погрешности установки параметров, имеет широкие возможности по модуляции, характеризуется малым временем перехода от одной частоты к другой. Но значения его выходной частоты ограничены быстродействием цифровых узлов.
Синтезатор на основе фазовой автоматической подстройки частоты – ФАПЧ. Выходной сигнал такого СЧ – колебание генератора, управляемого напряжением (ГУН), частота которого синхронизирована по опорному источнику при помощи цепи обратной связи. Выходная частота СЧ с ФАПЧ практически не ограничена. Но его настройка сложнее, чем ЦВС, и его функциональные возможности не столь широки. СЧ с ФАПЧ могут быть выполнены с целочисленным или дробно-переменным коэффициентом деления частоты.
В базовой схеме СЧ с целочисленным коэффициентом деления (Integer-N Divider) ГУН охвачен кольцом автоматической подстройки частоты, содержащим фазовый дискриминатор (ФД), опорный делитель частоты ёM, делители частоты в кольце ёN и ёP и цепь обратной связи с фильтром нижних частот (ФНЧ) (рис.2). Делитель частоты ёP работает на частоте fгун с фиксированным коэффициентом деления, кратным степени 2, а делитель ёN работает как управляемый счетчик с произвольным коэффициентом деления. Иногда он может иметь двухмодульное исполнение, и тогда его коэффициент деления устанавливается равным N или N+1. Это позволяет снизить погрешность установки заданного номинала выходной частоты СЧ fвых при фиксированной частоте опорного генератора f0. Вне кольца ФАПЧ может быть включен умножитель частоты ґК, предназначенный для повышения выходной частоты и дополнительного ослабления влияния нестабильности нагрузки на ГУН.
ФД на частоте f0/M сравнивает приведенные фазы опорного и подстраиваемого генераторов. Если в кольце ФАПЧ установился режим фазовой синхронизации, приведенные частоты совпадают, и тогда разность фаз колебаний на ФД, напряжение на его выходе ефд и напряжение еу на выходе ФНЧ постоянны. Коэффициент пропорциональности частот опорного генератора и ГУН представляет собой отношение целых чисел:
...
При различных значениях M и N частота ГУН может принимать дискретные значения с шагом Df = f0/M. Для перехода на другую рабочую частоту необходимо переключить коэффициенты M и/или N. Это вызывает переходный процесс в кольце авторегулирования ФАПЧ, длительность которого t равна 30–50 периодам частоты сравнения, t » 30M/f0 .
В СЧ типа, приведенного на рис.2, возникает противоречие между стремлением иметь малый шаг сетки частот Df для уменьшения погрешности установки частоты и длительностью процесса ее установления t, обратно пропорциональной шагу. Кроме того, при уменьшении Df затрудняется фильтрация ближайших к несущей частоте паразитных дискретных компонент спектра.
Для разрешения этого противоречия используется более сложная схема делителя частоты в кольце – делитель с дробно-переменным коэффициентом деления (Fractional-N Divider) (рис.3). Эта схема содержит двухмодульный делитель частоты ёN/(N+1), поглощающий счетчик – ПС (Swallowing Counter) и S-D-модулятор для коррекции помех дробности. Делитель ... делит частоту импульсов ГУН в N раз, если на его вход управления поступает логический "0", и в N+1 раз, если на входе управления логическая "1". Счетчик ПС выдает на выходе логическую "1", если число в его счетном регистре не превышает его объема R, т.е. q
...
Шаг сетки частот Df = f0/(MRP) значительно меньше, чем в схеме на рис.2, так как значение RР может составлять 26–212. При этом длительность переходного процесса в кольце ФАПЧ, как и в схеме на рис.2, определяется частотой сравнения f0/M. Однако из-за периодического переключения коэффициента деления прескалера ёN/(N+1) в схеме с дробным делителем частоты возникают регулярные фазовые погрешности и, соответственно, паразитные спектральные составляющие (ПСС). Для их уменьшения используют S-D-корректор, который псевдослучайным образом нарушает регулярность циклов переключения ёN/(N+1).
В качестве ФД в СЧ используются импульсные схемы выборки-запоминания (СВЗ), триггерные частотно-фазовые детекторы (ЧФД) или смесители (См) гармонических колебаний с выходом по постоянному току. СВЗ хорошо подавляет спектральные компоненты частоты сравнения. ЧФД позволяет уменьшить число периодов частоты сравнения, за которые устанавливается синхронизм, и работает в широком интервале изменения частоты сравнения. Смесители вносят наименьший уровень собственных шумов и используются на самых высоких частотах, что снижает t за счет сокращения длительности каждого периода частоты сравнения и уменьшает уровень ПСС [2]. ФД дополняется схемой поддержания заряда (Сharge Рump) на КМОП-транзисторах с малыми токами управления и утечки. Эта схема эквивалентна интегратору постоянного тока и создает эффект астатизма по разности фаз на ФД, т.е. снижает установившееся значение этой разности. Кроме того, она используется для ускорения входа в синхронизм.
В цепи обратной связи между выходом ФД и входом управления ГУН включается усилитель постоянного тока, совмещенный с ФНЧ. Произведение коэффициентов передачи этого усилителя на постоянном токе k0, ФД и ГУН определяет наибольшую допустимую расстройку, т.е. полосу синхронизма BWc (Loop Bandwidth), в которой удерживается фазовая синхронизация
BWc = Eфдk0Sy,
где Ефд – наибольшее напряжение, которое вырабатывает ФД, Sу – крутизна управления частотой ГУН. Значение BWc должно превышать уходы собственной частоты ГУН в условиях эксплуатации СЧ.
Вид частотной характеристики ФНЧ W(F) и параметры фильтра выбираются из соображений:
· подавления нежелательных частотных компонент (помех) на выходе ФД;
· снижения длительности переходного процесса при переключении рабочей частоты;
· обеспечения устойчивости процесса автоподстройки частоты;
· уменьшения установившейся разности фаз опорного колебания и сигнала ГУН в пределах полосы синхронизма.
В качестве ФНЧ может использоваться простое RC-звено с коэффициентом передачи W0(F)=1/(1+j2pFT1), где Т1 – постоянная времени. Однако такой фильтр не обеспечивает хорошую одновременную фильтрацию как внутренних, так и внешних по отношению к ФАПЧ помех. Поэтому чаще применяют либо пропорционально-интегрирующий ФНЧ ..., либо активный пропорционально-интегрирующий ФНЧ с полюсом (интегратором) на постоянном токе ... . Фильтр W1(F) позволяет улучшить фильтрацию шумов и ПСС; фильтр W2(F) уменьшает остаточную разность фаз на ФД, но приближает систему ФАПЧ к порогу самовозбуждения.
Основная техническая характеристика, определяющая качество сигнала любого источника гармонических колебаний, – спектральная плотность мощности (СПМ) его фазовых нестабильностей Sj(F), где F = |f – fвых| – отстройка от несущей частоты [1]. Ординаты Sj(F) нормируют по отношению к мощности на несущей частоте в полосе 1 Гц, приводят к односторонней СПМ и выражают в [дБ/Гц]. Характеристика Sj(F) отражает шумовые, регулярные и искажающие процессы, происходящие во всех узлах СЧ. Для ЦВС характеристика Sj(F) определяется, главным образом, фазовыми нестабильностями опорного источника частоты fт. Погрешности, вносимые схемой ЦВС, проявляются в увеличении ПСС из-за дискретизации процессов в ЦАП. Для СЧ с ФАПЧ наибольшее влияние на Sj(F) оказывают фазовые нестабильности ГУН (рис.4). Снижения шумов СЧ до требуемого уровня в нужной зоне отстроек добиваются выбором полосы синхронизма BWc и параметров ФНЧ. Некоторые производители СЧ в качестве характеристики качества сигнала приводят значение среднеквадратического дрожания фазы в градусах
...
для широкого интервала отстроек F2–F1. Однако для каждой радиотехнической системы надо использовать конкретные значения пределов интегрирования, обычно отличающиеся от указанных в документации. Кроме того, сосредоточенные и распределенные по частоте компоненты Sj(F) создают различные помехи в радиосистеме, поэтому нормы на шумовые и дискретные составляющие спектра различны.
Система ФАПЧ функционирует в установившемся режиме фазовой синхронизации или в режиме переключения частоты, когда происходит переходный процесс входа в синхронизм на новой частоте. При неправильном выборе параметров цепи обратной связи может наступить несинхронный режим биений за пределами полосы удержания или самовозбуждение ФАПЧ внутри полосы. Обычно в составе СЧ с ФАПЧ предусмотрены схемы индикации захвата частоты и ускоренного входа в синхронизм.
При разработке СЧ с ФАПЧ для выполнения высоких требований к качеству выходного сигнала и диапазону перестройки по частоте приходится решать непростую задачу обеспечения допустимых значений погрешности установки частоты, уровней ПСС и шума, длительности переходного процесса, остаточной фазовой ошибки. При этом значения опорной частоты, частоты сравнения, тип системы ФАПЧ, вид и параметры ФД и ФНЧ выбираются раздельно. Поэтому СЧ с ФАПЧ часто реализуется на основе нескольких узлов: ГУН, схемы приведения частоты, ЧФД, средств контроля и управления режимами, ФНЧ. Кроме того, в состав СЧ могут входить умножитель частоты, буферный усилитель мощности, энергонезависимая память параметров, модулятор выходного сигнала.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИНТЕЗАТОРОВ
Основные технические характеристики и параметры СЧ можно разделить на три группы: параметры выходного сигнала, характеристики цепей управления и питания, параметры чувствительности к внешним воздействиям.
К параметрам выходного сигнала относятся: рабочий диапазон выходной частоты fвых; частота fоп и мощность Pоп опорного сигнала; частота сравнения fср или тактирования fт; шаг по частоте Df ; фазовый шум Sj(F); уровень и частота ПСС и высших гармоник; длительность процесса перестройки частоты t. Иногда в число основных сигнальных параметров включают и среднеквадратическое фазовое рассогласование Djуст.
Из характеристик цепей управления и питания обычно приводятся вид интерфейса и способ установки параметров СЧ; напряжение питания и ток (мощность) потребления; дополнительные функции управления выходными колебаниями.
Чувствительность к вариациям параметров внешней среды и входных сигналов оценивается диапазоном рабочих температур в градусах Цельсия и диапазоном допустимых значений напряжения питания.
СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НОМЕНКЛАТУРЫ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ
Сегодня десятки фирм выпускают множество моделей СЧ. Представительная подборка технических характеристик СЧ зарубежных производителей отражена на сайте www.radiocomp.ru [4]. СЧ нередко выполняются в виде автономных блоков, включающих в себя источники колебаний с прецизионной стабильностью частоты, органы управления и модуляции параметров, усилители мощности. Примеры таких СЧ можно найти на сайтах фирм Miteq ( www.miteq.com ), Giga-tronics ( www.gigatronics.com ), Meret Optical Communications ( www.meretoptical.com ) и др. Для встраивания в электронную аппаратуру более интересны технические решения в виде интегральных СЧ на одном или нескольких многослойных кристаллах, а также в виде микросборок для поверхностного монтажа.
ЦВС. В последние годы такие известные производители, как Qualcomm, Meret Optical Communications и др., не выдержав острой конкуренции с фирмой Analog Devices (табл.1), уходят с рынка. Некоторые производители (например, фирма EM Research, www.emresearch.com) рекламируют СЧ с выходными частотами до 3,6 ГГц как ЦВС, но не приводят информацию о самом синтезаторе. Из приводимых характеристик Sj(F) видно, что речь идет о комбинированных синтезаторах, где ЦВС – лишь один из компонентов, а сигналы повышенных выходных частот формируются системой ФАПЧ или преобразованием частоты вверх.
Для ЦВС значение тактовой частоты fт задает высшую частоту выходного гармонического сигнала, которая в соответствии с теоремой отсчетов не превосходит половины частоты дискретизации. Низшая синтезируемая частота при этом равна шагу Df = fт/2k, где k – разрядность НКФ. Значение Df для СЧ типа STEL-2375B компании ITT Microwave Systems составляет 0,23 Гц на выходной частоте 100 МГц при fт = 800 МГц. Разработчики модели AD9854 использовали k = 48, что позволило резко уменьшить шаг по частоте по сравнению с большинством моделей, для которых k = 32. Повышение тактовой частоты заставляет разработчиков искать способы формирования высокостабильных опорных колебаний с частотой, равной нескольким сотням мегагерц. Так, в моделях AD9951– AD9954 введен буферный генератор с подключаемым внешним кварцевым резонатором на частоту, например, 20 МГц и программируемый умножитель частоты в 4–20 раз с ФАПЧ, выходной сигнал которого используется как тактовый.
Качество выходного сигнала ЦВС определяется разрядностью ЦАП, близостью выходной частоты к половине частоты дискретизации и шумовым спектром источника тактирования. Большинство моделей имеют ЦАП достаточно высокой разрядности (10–14 бит), благодаря чему содержание высших гармоник не превышает
-(15–20) дБ. В некоторых моделях (AD9854) используется два ЦАП с квадратурными выходными сигналами, каждый из которых имеет по два противофазных напряжения. При этом на любой выходной частоте формируется ансамбль из четырех сдвинутых по фазе на 90° сигналов одинаковых амплитуд, необходимый для использования в квадратурных модуляторах или демодуляторах, в однополосных преобразователях полосы частот вверх или вниз.
В ЦВС отсутствует ГУН, поэтому собственный фазовый шум синтезатора (Residual Phase Noise) незначителен. Его измеренное значение следует рассматривать как совокупность данных о выходной частоте ЦВС по сравнению с частотой тактирования, о фазовом шуме источника тактирования и шумовых свойствах анализатора фазовых нестабильностей. Для AD9858, например, приводится значение собственного шума Sj(100 кГц) = -152 дБ/Гц, измеренное при конкретных условиях: выходная частота 5 МГц и частота тактирования 300 МГц с прецизионными опорным источником и анализатором. А шумовые свойства источника тактовой частоты fт ЦВС типа STEL-2375B можно определить из приводимой для него характеристики Sj(F) (рис.5). Уровень ПСС составляет -(50–70) дБ, если рабочая частота значительно ниже тактовой и возрастает до -35 дБ по мере приближения fвых к fт/2.
Мощность выходного сигнала ЦВС определяется способностью ЦАП поддерживать ток нагрузки, задаваемый кодом отсчета. Поэтому обычно производители ее нормируют как измеряемый в миллиамперах ток на резистивной нагрузке с сопротивлением ~4 кОм.
Возможности перестройки выходного сигнала ЦВС по частоте уникальны. Частота задается фиксированным кодом частоты Kf или автоматически перестраивается по линейному во времени закону ЛЧМ в весьма широких пределах с сохранением формы выходного колебания. В ЦВС типа AD9954 предусмотрена возможность запоминания нескольких частотных профилей для нелинейного закона качания (сканирования) частоты, а в AD9854 – режимы формирования сигналов с манипуляцией частоты или фазы при стабильной несущей частоте. Для этой цели в микросхему AD9854 включены два 48-разрядных переключаемых регистра установки дискретов частоты и два 14-разрядных регистра установки фазы. Продолжительность перехода на новую частоту в ЦВС определяется только временем пересылки нового кода частоты.
В AD9852 и AD9854 для деления кода отсчета на функцию (sinx)/x используется цифровой аппаратный перемножитель кодов выходных отсчетов на 12-разрядный код амплитуды. Это обеспечивает постоянство амплитуды выходного сигнала в диапазоне частот. Кроме того, перемножитель позволяет модулировать амплитуду изменением кода. Благодаря возможности ввода Кjмод при переключении частоты можно цифровым способом формировать сигналы с непрерывной фазой (QAM, MSK).
Микросхемы ФАПЧ, предназначенные для СЧ (табл.2). В состав СЧ входит микросхема ФАПЧ с программируемыми делителями частоты, фазовым детектором и цепями управления, работающая совместно с внешними опорным генератором и ГУН. Такое решение обеспечивает большую гибкость при выборе параметров, особенно при широком диапазоне перестройки по частоте. В большинстве моделей предусмотрены два выхода управляющего напряжения: один для положительной, другой – для отрицательной крутизны управления частотой, что дает дополнительную свободу при выборе модели ГУН. Собственные шумовые свойства микросхем ФАПЧ проявляются как шумы ФД, делителей частоты и схемы управления. Сведения о собственных шумах Sj(F) для схем ФАПЧ практически не приводятся, а приводимые некоторыми производителями характеристики Sj(F) синтезатора с микросхемой ФАПЧ надо оценивать совместно с шумовыми параметрами ГУН, ФНЧ, источника опорного сигнала и использованного анализатора.
В большинстве микросхем ФАПЧ формируется выходной сигнал индикации захвата частоты (Lock Detect), предусмотрены средства перехода в "спящий" режим. Схема быстрого захвата частоты (Fast Lock) ускоряет восстановление захвата при срыве синхронизации. Эта схема способствует увеличению тока ФД в процессе перехода на другую частоту, что сокращает время установления. В ФАПЧ с целочисленными коэффициентами деления для уменьшения погрешности установки желаемой частоты при фиксированной частоте опорного сигнала иногда в кольце используется двухмодульный делитель частоты (прескалер) (модели РЕ83341, РЕ3238 фирмы Peregrine Semiconductor). Фирма выпускает ряд новых моделей для гражданских применений (РЕ3341, РЕ3342), модели для бортовой аппаратуры (РЕ9601, РЕ9704, РЕ9722), а также их аналоги для военных и спутниковых приложений (РЕ83341, РЕ83363, РЕ83336) с высокими показателями по устойчивости к внешним воздействиям.
При создании СЧ с ФАПЧ, работающего в диапазоне десятков гигагерц, используют предварительные делители частоты с фиксированным коэффициентом деления ёР в кольце ФАПЧ [2] или широкополосные малошумящие умножители частоты ґК вне кольца ФАПЧ (см. рис.2, 3). Выбор конкретной схемы производится на основе сопоставления итоговых шумовых характеристик Sj(F) с учетом шумов ГУН и/или умножителя/делителя частоты, приведенных к выходной частоте.
Особенность СЧ с ФАПЧ модели PE3342 – наличие встроенной программируемой по последовательному интерфейсу энергонезависимой памяти EEPROM, модели РЕ3293 – малое энергопотребление: 3 В ґ 4 мА. В СХ72302 программируются параметры ФНЧ и коэффициент передачи ФД, что позволяет оперативно изменять полосу синхронизации. Поскольку частота сравнения, определяющая продолжительность перестройки на другую частоту t, изменяется в зависимости от коэффициента деления частоты опорного источника ёМ, СЧ с ФАПЧ трудно нормировать по этому параметру. Обычно производители, разрабатывающие СЧ с малым временем перестройки, приводят соотношение t /BWc, связывающее время установления с полосой синхронизма BWc. В модели СX74038 фирмы Skyworks Solutions за счет оптимального выбора схемы подкачки достигнут малый уровень среднеквадратической фазовой погрешности (Djуст = 5°).
Среди ФАПЧ с дробным коэффициентом деления микросхема СХ72302 отличается прецизионно малым шагом установки средней частоты (Df = 0,01 Гц) при выходной частоте около 6 ГГц.
Для фирм-производителей СЧ с дробным делителем особой проблемой является снижение помех дробности. Дело в том, что из расчетных выходных характеристик собственного шума Sj(F) таких СЧ фоновый уровень не превышает -200 дБ/Гц при отстройках в несколько мегагерц, но дискретные компоненты достигают
-(50–70) дБ. Многие производители применяют патентуемые технические решения, направленные на существенное увеличение периода регулярности переключения двухмодульного делителя частоты (стохастизация переключений), в результате чего энергия дискретных компонент распределяется по широкой полосе отстроек. В моделях PE83363 и CX74038 благодаря применению D-S-модулятора третьего порядка уровень ПСС не превышает -60 дБ при отстройках более 100 кГц. Возможно и построение СЧ с дробным коэффициентом деления, в которых отсутствуют ПСС. Пример – СЧ модели PSA5300A фирмы Z-Communications, спектр мощности выходного сигнала которого в широкой полосе отстроек показывает отсутствие ПСС (рис.6), хотя уровень общего фона шума составляет -80 дБ/Гц.
Ряд производителей выпускают СЧ, содержащие элементы одной или двух систем ФАПЧ и дополнительно ФАПЧ на промежуточной частоте. Применение единого опорного колебания в нескольких СЧ обеспечивает когерентную обработку сигналов цифровой радиосвязи. Так, в СЧ на базе РЕ3293 (рис.7) из опорного колебания с частотой 50 МГц синтезируются когерентные сигналы стабильных частот fRF= 300–1800 МГц и fIF= 45–550 МГц. Помимо микросхемы РЕ3293 (рис.7, обведенный пунктиром прямоугольник), в СЧ входят два внешних ГУН и два ФНЧ. Встроенный регистр последовательного интерфейса (ПИ) хранит значения установленных параметров. Число дискретных значений средней частоты по каждому из выходов достигает 4,7·106. Ошибки дробности в кольцах ФАПЧ компенсируются с помощью узлов Корр, изменяющих параметры схем подкачки (СП). Мультиплексор (МП) формирует контрольный сигнал синхронной работы КС.
Интерес представляет сдвоенный синтезатор-модулятор со встроенным опорным кварцевым генератором модели СХ72300 фирмы Skyworks Solutions. Вводом 12-разрядного управляющего слова в нем можно установить режим фиксированной частоты с 262144 дискретными значениями или режимы бинарной, многоуровневой, квадратурной манипуляции частоты, включая модуляцию МЧМ (MSK, GMSK) с минимальным фазовым сдвигом.
Обращает на себя внимание и решение задачи формирования с помощью ФАПЧ вторичного опорного источника фиксированной частоты с предельно малым уровнем фазового шума (рис.8). Для этого с помощью PE3341 на частоте fвых = 622,08 МГц по опорным колебаниям прецизионного термокомпенсированного кварцевого генератора фиксированной частоты (ТККГ) типа OSC-3BO-19.44 с частотой f0 = 19,44 МГц организуется ФАПЧ управляемого по частоте кварцевого генератора (УКГ) типа OP4005B фирмы RF Monolitics. В такой схеме в полосе отстроек от F1 = 100 Гц до F2 = 80 МГц суммарная фазовая погрешность Djско = 0,023°, что на 5–10 дБ меньше, чем для других опорных источников этого диапазона.
Весьма перспективны комбинированные синтезаторы, использующие ЦВС в составе ФАПЧ. Так, AD9858 (см. табл.1) кроме ЦВС имеет дополнительные автономные ЧФД на частоту до 150 МГц со схемой подкачки, два программируемых делителя частоты и аналоговый смеситель. При работе с AD9858 ЦВС можно включить в состав СЧ с ФАПЧ в качестве делителя частоты опорного сигнала. При этом средняя частота и параметры модуляции устанавливаются с высокой точностью и с мелким шагом в диапазоне частот ГУН. Узел ЦВС может выполнять также функции дробного делителя частоты в кольце ФАПЧ и дополнительно расширить возможности СЧ с ФАПЧ с дробно-переменным делителем частоты (см. рис.3). Серию комбинированных ЦВС и ФАПЧ типа VDS-6600 предлагает фирма Meret Optical Communications. Фактически комбинированными являются и синтезаторы фирмы EM Research.
Интегральные синтезаторы частот с ФАПЧ со схемами приведения частот, ФД, ФНЧ и ГУН в одной микросборке или на одном кристалле (табл.3). Применение однокристального СЧ с ФАПЧ заметно упрощает монтажную схему и настройку ФАПЧ.Так, двухдиапазонный СЧ на основе сдвоенного интегрального синтезатора типа LMX2525 (рис.9) требует минимального числа вспомогательных и блокировочных элементов поверхностного монтажа. При необходимости изменения средней частоты одного из двух встроенных ГУН подключается внешняя индуктивность L. В этом СЧ за счет программирования режима 800 или 1500 МГц для двух ГУН используются один дробный делитель частоты в кольце, один ФД и один ФНЧ. Быстродействие по фронтам входных сигналов ввода параметров DATA по последовательному интерфейсу (установка режима СЕ, начало записи LE, тактирование ввода CLK), предназначенных для записи 24-бит управляющего слова во внутренний регистр, составляет 50 нс. Выходной сигнал LD позволяет контролировать наличие синхронизма по двум ВЧ-выходам. В режиме ускоренного переключения шаг по частоте Df составляет 20 кГц, а время перестройки t не превышает 300 мкс. За счет применения 10-разрядной запатентованной схемы D-S-модулятора уровень помех дробности ПСС при отстройке 25 кГц снижен до -45 дБ, в зоне отстроек 25–100 кГц – до -60 дБ, а при отстройках более 100 кГц не превышает -75 дБ. Благодаря выбору параметров схемы подкачки фазовая погрешность Djско в полосе 1 кГц–10 МГц составляет 1,3°.
Для улучшения шумовых характеристик в однокристальные СЧ ФАПЧ серии HFS фирмы EM Research встроены дополнительные резонаторы, что позволило в модели HFS-5040-01 на частоте 5 ГГц получить Sj(10 кГц) = -95 дБ/Гц. Из-за встроенных резонаторов полоса перестройки таких СЧ узкая, а у HFS-5040 выходная частота даже фиксирована.
Полоса перестройки СЧ серии SLMS этой же фирмы может достигать октавы, поэтому в них встроен автоматический регулятор усиления по цепи обратной связи ФАПЧ. Кроме того, в этих СЧ предусмотрена возможность работы с внешним кварцевым резонатором на опорную частоту. В серии PLYIG сантиметрового диапазона фирмы EM Research используется встроенный ГУН с перестройкой частоты в пределах до 1 ГГц объемным резонатором на железо-иттриевом гранате (ЖИГ). Серия MCX имеет повышенную радиационную стойкость.
Для защиты от нестабильности нагрузки и одновременного повышения выходной мощности в СЧ модели HFS-5040-01 фирмы EM Research используется буферный усилитель сигнала ГУН. Такой же эффект с дополнительным повышением рабочей частоты достигается при использовании умножителя частоты вне кольца ФАПЧ.
Синтезатор MTS2000-DS отличается малым шагом установки частоты 1 Гц при октавном диапазоне 1–2 ГГц. Это ограничивает скорость перестройки с одной частоты на другую, и t не превышает 2 мс.
В Si4133W фирмы Silicon Laboratories организовано три кольца ФАПЧ со встроенными ГУН и ФНЧ. Два ВЧ-сигнала с частотами fRF1 = 2,3–2,5 ГГц и fRF2 = 0,75–1,65 ГГц могут программно подключаться на первый выход, а на второй выход постоянно подключен сигнал с частотой fIF = 62,5–1000 МГц. Среднюю частоту сигнала RF2 можно корректировать присоединением внешней индуктивности. Шаг по частоте в 105 раз меньше, чем частота сравнения, которая может изменяться в широких пределах. Однако длительность переходного процесса по частоте не превышает 200 мкс. Подавление высших гармоник синтезатора не хуже -28 дБ, а ближайших ПСС при отстройке 150 кГц – не хуже -60 дБ. Интегральная фазовая ошибка в полосе 100 Гц-1 МГц составляет 1,7° для ВЧ-выходов и 0,7° для выхода на ПЧ.
Литература
1. Белов Л. Компоненты синтезаторов стабильной частоты. Генераторы, управляемые напряжением. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2004, № 1, с. 42-46.
2. Белов Л. Радиочастотные компоненты. Смесители частот. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ,. 2004, № 2, с.44.
3. Белов Л.А. Синтезаторы частот и сигналов. –М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. – 80 с.
4. РАДИОКОМП – радиокомпоненты мировых производителей. http://www.radiocomp.ru
Отзывы читателей
