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

© Виталий Иванович Козлов, 2022

ISBN 978-5-0056-2904-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Синтезатор частоты является необходимым блоком современных телекоммуникационных и измерительных систем и в значительной мере определяет их основные характеристики. Чтобы обеспечить высокое качество связи и измерений, сам синтезатор должен удовлетворять высоким требованиям, наиболее важными из которых являются спектральная чистота генерируемого сигнала, скорость переключения частоты и частотное разрешение (шаг сетки частот). Также важны, особенно для мобильных систем, малое потребление электроэнергии, малые размеры и вес, низкая стоимость. Поэтому главной задачей для разработчиков таких систем является поиск путей для максимально возможного выполнения этих требований.

Существует множество фундаментальных публикаций, например [1÷17], в которых рассматриваются как теоретические основы частотного синтеза, так и вопросы практического построения таких систем. Не умаляя заслуг авторов этих работ и не подвергая сомнению важность изложенного ими материала, его несомненную полезность для разработчиков аппаратуры данного класса, следует, тем не менее, признать, что в этих работах отсутствует систематизированный анализ совершенствования систем частотного синтеза с течением времени. Это путь от простейшей структуры однопетлевого синтезатора с делителем частоты с целочисленным переменным коэффициентом деления (ДПКД), через трансформацию последнего в делитель частоты с переменным дробным коэффициентом деления (ДДПКД) и с компенсацией помех дробности, через усложнённые многопетлевые схемы и – снова к однопетлевым схемам, но уже на более высоком уровне: с расщеплением фаз и с использованием дельта-сигма модуляции. В данной монографии предпринята попытка восполнить этот пробел, причём основное внимание обращено к системам синтеза на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) как наиболее перспективному направлению, получившему самое широкое применение в синтезаторах телекоммуникационной и измерительной аппаратуры.

Данный материал может оказаться интересным и полезным как для разработчиков радиоаппаратуры, так и для студентов соответствующих специальностей.

Одной из наиболее важных задач при построении синтезатора частоты является одновременное обеспечение достаточно высоких характеристик как спектральной чистоты сигнала, так и его быстродействия. Для этого прибегают к сложным структурам, дорогим и со значительным потреблением электроэнергии. Но всегда существовало стремление сделать это как можно проще, например, в однопетлевой системе ФАПЧ или в прямом цифровом синтезаторе (DDS).

В данной работе рассмотрены как ранние, не очень удачные попытки в этом направлении, так и более поздние и более успешные технические решения. Рассмотрение начинается с простейшей, однопетлевой структуры с делителем частоты с целочисленным переменным коэффициентом деления [18, 19], обладающей существенными недостатками, из-за чего область её возможного применения как самостоятельного устройства весьма ограничена. Тем не менее, есть интересные идеи, как получить сравнительно неплохие результаты при использовании нескольких несложных петель ФАПЧ на основе ДПКД.

Мощный стимул к улучшению характеристик однопетлевых синтезаторов частоты был сделан Лопозером, предложившим использовать в петле ФАПЧ делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления [20], после чего последовал ряд работ с анализом возможностей такой структуры, например [21; 22]. Это позволило значительно поднять частоту сравнения в синтезаторе, сохраняя высокую разрешающую способность по частоте, расширить полосу пропускания петли, то есть повысить скорость переключения частоты. Но при этом потребовались технические решения по компенсации помех дробности, создаваемых ДДПКД. Примеры таких решений будут приведены ниже в соответствующих разделах.

Суть компенсации заключается в формировании корректирующего сигнала такой же формы и величины, как и помеха дробности в цепи управления генератора, управляемого напряжением (ГУН), но противоположной фазы. В сумме с помехой этот корректирующий сигнал дает лишь постоянную составляющую, и таким образом помеха дробности исключается, то есть компенсируется введенным сигналом. Однако порою трудно и часто просто невозможно поддерживать амплитуду и форму компенсирующего сигнала с требуемой точностью в широком диапазоне частот синтезатора, а также получить достаточно точное его аналоговое суммирование с помехой, чтобы обеспечить необходимую спектральную чистоту синтезируемого сигнала. Поэтому, чтобы достичь приемлемого малого остаточного уровня помех дробности, приходится опять-таки строить многопетлевые системы.

Другой метод компенсации помех дробности заключается в использовании дельта-сигма модуляции, и об этом будет позже, в разделе 5.

Здесь важно отметить, что упомянутые основные характеристики однопетлевого синтезатора зависят от способа фазового сравнения опорного и подстраиваемого сигналов. Требуется ли при этом приводить их частоты к равенству и если так, то каким образом это достигается, или же имеются иные способы фазового детектирования непосредственно на неравных частотах. Поэтому при рассмотрении синтезаторов на базе ФАПЧ особое внимание будет уделено именно возможным вариантам построения фазовых детекторов (ФД).

Приведенный ниже анализ различных новшеств в области частотного синтеза завершается рассмотрением новой структуры однопетлевого синтезатора, воплощение которой в интегральной микросхеме позволит достичь исключительно высоких характеристик спектральной чистоты и быстродействия.

Материал излагается в максимально доступной форме, без излишней математизации, наглядно иллюстрирован рисунками схем и диаграммами для пояснения их работы, что может способствовать улучшению его восприятия широким кругом читателей.

1. Схемы с целочисленным переменным коэффициентом деления

Впервые однопетлевой синтезатор частоты с ДПКД был запатентован, практически одновременно, американцами Юнгом и Вудвардом [18; 19]. Правда, схемы, приведенные в описаниях изобретений, довольно своеобразны, они изображены на элементах тогдашнего технологического уровня, не используемых теперь, но, тем не менее, идея такого технического решения вполне понятна и может быть иллюстрирована упрощённой схемой, представленной на рисунке 1. По принятой впоследствии терминологии, такая структура называется теперь как Integer-N PLL синтезатор.