Виталий Козлов - Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Рис.1. Integer-N PLL синтезатор

Синтезатор содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), работающий в требуемом диапазоне частот сигнала. Он охвачен отрицательной обратной связью через ДПКД с управляемым коэффициентом деления N, содержит также фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). После ФНЧ может быть установлен также усилитель постоянного тока для получения необходимого размаха управляющего напряжения. На другой вход фазового детектора подаётся опорный сигнал, частота F ФДкоторого равна требуемому шагу сетки частот. В фазовом детекторе формируется сигнал ошибки, который через фильтр нижних частот поступает в цепь управления ГУН, приводя его частоту Fc к равенству

F C=NF ФД

Частота F ФД, используемая для сравнения в фазовом детекторе, может быть получена путём деления в R раз частоты Fr опорного источника. Тогда выражение для частоты Fc на выходе синтезатора может быть записано в виде

F C=NF r/R.

В качестве примера положим, что требуется получить сетку частот с шагом 10 кГц в диапазоне частот Fc=700÷800 МГц при использовании опорной частоты Fr, равной Fr=10 МГц. Тогда следует выбрать коэффициент деления R, равным R=1000, чтобы частота сравнения F ФДоказалась равной F ФД=10 кГц. Понятно, что поставленная задача будет решена при выборе коэффициента N в диапазоне значений от 70000 до 80000.

Очевидным достоинством рассмотренной схемы является её исключительная простота. Однако имеются и весьма существенные недостатки. Помехи с выхода ФД модулируют ГУН, создавая боковые полосы дискретных помех в спектре сигнала. Для их подавления полоса пропускания ФНЧ должна быть по крайней мере на порядок меньше частоты сравнения F ФД. Это существенно ограничивает быстродействие синтезатора.

Кроме того, есть и другая проблема со спектральной чистотой сигнала. Выражение для фазового шума на выходе синтезатора в пределах полосы пропускания ФАПЧ можно записать как

G=G ФД+20lgN

где G ФДсоставляет сумму шумов собственно фазового детектора и шумов опорного источника и делителей частоты на N и R, пересчитанные ко входу ФД. Соответственно шумовой спектр сигнала существенно ухудшается при желании получить мелкую сетку, увеличивая коэффициент N. Также при этом, из-за соответствующего сужения полосы пропускания ФАПЧ, слабо подавляются шумы ГУН, что даёт дополнительный вклад в деградацию спектра сигнала.

Названную проблему можно несколько смягчить, сделав коэффициент деления R так же, как и N, управляемым. Это позволяет получать сетку частот с более мелким шагом dF при частоте сравнения такого же порядка, как и в случае постоянства этих коэффициентов. Это можно показать с помощью Табл.1, в которую сведены значения R, F ФД, N, dF и получаемой при этом частоты Fc.

Таблица 1

Как видно из таблицы, шаг сетки частот dF уменьшается на три порядка, но при этом диапазон возможных значений частоты Fc также сокращается до такой исключительно малой величины как всего лишь 5 кГц. Однако же не исключаются и такие уникальные случаи, в которых описанная идея может найти своё воплощение.

Вместе с тем диапазон частот Fc может быть получен и более широким, если выбирать значения коэффициента R не столь большими, как это показано в Табл.2. Там этот коэффициент уменьшен на порядок, благодаря чему диапазон частот Fc расширен также на порядок, до 50 кГц. Но при этом шаг сетки стал значительно крупнее по сравнению с предыдущим случаем, максимальное его значение стало равным 990 Гц, и всё же он оказался на порядок меньшим, чем в варианте с постоянным значением F ФД=10 кГц. Кроме того, на порядок возросла частота сравнения в ФД и соответственно уменьшился коэффициент умножения помех, приведенных к его входу, что способствует улучшению как спектральной чистоты, так и быстродействия синтезатора.

Таблица 2

Из приведенных таблиц для случаев управляемого коэффициента N можно видеть насколько прост алгоритм выбора этого коэффициента. Чтобы не было пропусков при перестройке в диапазоне частот, при каждом изменении R на единицу, коэффициент N меняется на 70 единиц. Также можно заметить, что если выбирать только верхние частоты диапазона, то там шаг сетки значительно уменьшается.

В пользу любого из вариантов однопетлевого синтезатора имеется тот факт, что в спектре помех на выходе ФД присутствуют только помехи с частотой сравнения и их гармоники, и нет никаких комбинаций других частот, сопутствующих постоянной составляющей. Это упрощает фильтрацию помех.

Некоторого улучшения разрешения по частоте можно достичь с использованием дробных коэффициентов R и N в расчёте на фильтрацию дробных компонентов в ФАПЧ. Но при этом разрядность дробей не должна быть высокой, чтобы сужение полосы ФАПЧ для их фильтрации не приводило к существенному снижению быстродействия синтезатора.

Для улучшения спектральных характеристик однопетлевого синтезатора можно использовать смеситель частоты (СМ), включенный в цепь обратной связи, как это показано на рисунке 2. На один из входов смесителя подаётся умноженная в М раз опорная частота Fr. Сигнал разностной частоты Fc-MFr отфильтровывается полосовым фильтром (ПФ) и поступает на вход ДПКД с коэффициентом деления N.

Рис.2. Схема со смесителем частоты в петле ФАПЧ

В соответствии с представленной схемой частотное образование выглядит как

. F C= (N/R+M) F r.

Если положить, что Fr=10 МГц, R=1000, М=60 и N=10000÷19999, то приведенная формула даёт результат Fc=700÷799,99 МГц, Шаг сетки остаётся прежним, то есть dF=10 кГц. Но в данной схеме на порядок уменьшился коэффициент деления в петле ФАПЧ, а это значит, что во столько же раз снизился коэффициент усиления помех, приведенных ко входу фазового детектора. В этом и состоит главное достоинство схемы. Также важно и то, что ДПКД в этой схеме работает на пониженной частоте, из-за чего он дешевле и меньше потребляет от источника питания. Недостаток такого технического решения состоит в сравнительной сложности схемы и возможности образования на её выходе дополнительных помех комбинационного характера, получающихся в смесителе и проходящих далее по петле в цепь управления частотой ГУН. Поэтому требуется тщательная проработка схемы и конструкции узлов смесителя и умножителя частоты.