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

Однако же для получения меньшего шага сетки частот, требуется увеличивать коэффициенты деления всех трёх ДПКД и уменьшать значение опорной частоты Fr, что, естественно, приводит к ухудшению спектральной чистоты сигнала и к снижению быстродействия. Можно, конечно, решить эту задачу путём увеличения каскадов в данной структуре, то есть добавлением одной или нескольких петель ФАПЧ, но, понятно, это не всегда приемлемо из-за возрастающей сложности.

Другой возможный путь – это использование дробных делителей частоты с компенсацией помех дробности, включая вариант Fractional-N PLL петли. Примером такого решения можно назвать каскадное включение двух микросхем типа HMC830 фирмы Hittite (ныне в составе Analog Devices). Эта микросхема и есть Fractional-N PLL синтезатор с интегрированным в ней VCO (ГУН).

Важной особенностью рассматриваемой структуры является следующее. При достаточно большом наборе коэффициентов деления, включая их дробные значения, практически одну и ту же частоту на выходе можно получить при различных комбинациях этих коэффициентов. Это даёт возможность использовать наиболее удачные их комбинации, чтобы избавляться от побочных составляющих спектра (ПСС), таких, например, как Integer Boundary Spurs (IBS). Это когда частота ГУН наиболее близка к одной из гармоник опорной частоты.

Ниже показан пример, где в первой строке приведен случай IBS, то есть когда дробный коэффициент N2 наиболее близок к его целочисленному значению N2=58.

N1=45 F1=2250 N3=44 N2=58,000000000001 Fc=2 965,909 090 909 МГц

N1=46 F1=2300 N3=44 N2=56,739 130 435 Fc=2 965,909 090 920 Мгц

Вторая строка иллюстрирует случай, когда c изменением коэффициента деления N2 получена фактически та же самая частота (разница в несколько тысячных долей герца), но при этом обеспечена значительная отстройка от случая IBS. Предпочтительные комбинации коэффициентов деления могут быть запрограммированы в виде справочной таблицы по аналогии с таблицей LUT в синтезаторе типа DDS.

Из более сложных структур синтезаторов частоты наибольшее распространение получила, пожалуй, трёхпетлевая схема, показанная на рисунке 6. В ней функционально можно выделить две петли – мелкой и крупной сеток частот и третью – суммирующую петлю. На рисунке наименования блоков петли мелкой сетки снабжены индексом «1», а крупной сетки – индексом «2». В петлях мелкой и крупной сеток используются делители частоты с управляемыми коэффициентами: ДПКД-1 c коэффициентом N 1и ДПКД-2 c коэффициентом N 2соответственно. Опорные частоты F 01и F 02(суть частоты сравнения в фазовых детекторах) соответственно петель мелкой и крупной сеток получаются от общего источника опорной частоты Fr с помощью ДФКД – делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления.

Рис.6. Трёхпетлевая схема синтезатора

Выход петли мелкой сетки завершается делителем частоты с фиксированным коэффициентом M, за счёт чего на 20lgM снижаются шумы сигнала F МСна входе последующего фазового детектора ФД суммирующей петли ФАПЧ. Параметры петли мелкой сетки выбираются таким образом, чтобы получить как можно меньший шаг dF МС=F 01/M сетки при, по возможности, наибольшей частоте сравнения F 01. Диапазон частот F МС, получаемый при этом, может быть небольшим, значительно меньшим требуемого диапазона частот FС на выходе синтезатора.

Во второй петле ФАПЧ формируется крупный шаг dF КСсетки, равный этому ограниченному диапазону F МС, то есть dF КС=F МС. Суммирование сеток, крупной и мелкой, происходит в суммирующей петле. Для этого в неё включен смеситель частоты СМ, в котором происходит вычитание частоты F КСиз частоты Fc или наоборот. Результат вычитания фильтруется фильтром Ф, который может быть как полосовым, так и фильтром нижних частот. Сигнал разностной частоты с выхода фильтра поступает на второй вход фазового детектора для фазового сравнения с сигналом F МС. Таким образом, крупная сетка заполняется мелкой, и в итоге выражение для частоты FC на выходе синтезатора может быть записано как

F C=F КС±F МС=N 2F 02±N 1F 01/M

Генераторы, выходной (ГУН) и крупной сетки (ГУН-2) имеют практически одинаковый частотный диапазон перестройки, поскольку FС>> F МС, то есть диапазоны отличаются лишь на небольшую величину F МС. Поэтому необходимо тщательно их сопрягать по управляющим напряжениям, чтобы избежать «зеркальной» настройки выходного генератора.

В синтезаторах по такой структуре выходной уровень шума определяется в полосе суммирующего кольца генератором ГУН-2, а за полосой – выходным генератором ГУН.

В качестве примера положим, что требуется получить диапазон частот от 700 МГц до 1 ГГц с шагом dF=10 кГц. Тогда можно выбрать следующие параметры петель ФАПЧ: F 01=F 02=1 МГц; изменение коэффициента N 1 – от 900 до 1000 через единицу; диапазон перестройки ГУН-1 от 900 МГц до 1 ГГц и M=100, то есть диапазон частот F МСна входе суммирующей петли равен F МС=9÷10 МГц с шагом 10 кГц; изменение коэффициента N 2второй петли – от 691 до 990 через единицу; диапазон перестройки генератора ГУН-2 – от 691 до 990 МГц с шагом 1 МГц.

Выбор такой довольно высокой частоты сравнения в фазовых детекторах, как 1 МГц, позволяет обеспечить в трёхпетлевом синтезаторе время переключения частоты порядка долей миллисекунд при высокой спектральной чистоте выходного сигнала.

Недостаток – очевидная сложность системы, необходимость тщательной проработки конструкции с экранированием отдельных узлов, чтобы избежать в спектре сигнала помех комбинационного характера.

Разновидностью трёхпетлевого синтезатора является вариант, предложенный Сровером [26]. Он показан на рисунке 7. В нём используются два синхронно управляемых делителя с одинаковыми коэффициентами деления при последовательном соединении петель ФАПЧ. В некоторых периодических изданиях эта схема получила название «близнецы».

Рис.7. Схема Сровера

В первой петле представленной схемы формируется исходный шаг сетки частот, в третьей – крупная сетка с шагом Fr/M, вторая петля выполняет функцию суммирования, но в отличие от суммирующей петли предыдущей схемы здесь требования к петле значительно слабее, поскольку она выполняет сложение практически на одной частоте Fr. Наличие делителя с коэффициентом деления M и малая перестройка ГУН-2 снижают требования по шумам к генераторам первой и второй петель. Выходной уровень шума в этой схеме определяется, в первую очередь, генератором ГУН-3.