Taajuussyntetisaattori

Taajuussyntetisaattori - laite jaksollisten signaalien (harmonisten värähtelyjen tai sähköisten kellosignaalien) generoimiseksi tietyillä taajuuksilla käyttämällä lineaarisia toistoja (kerto-, summaus-, erotus) yhden tai useamman referenssioskillaattorin perusteella. Taajuussyntetisaattorit toimivat stabiilien (taajuuden suhteen) värähtelyjen lähteinä radiovastaanottimissa , radiolähettimissä , taajuusmittareissa , testisignaaligeneraattoreissa ja muissa laitteissa , jotka vaativat viritystä eri taajuuksille laajalla alueella ja valitun taajuuden suurta vakautta. Stabiili saavutetaan yleensä käyttämällä vaihelukittua silmukkaa tai suoraa digitaalista synteesiä (DDS) käyttämällä kideohjattua referenssioskillaattoria. Taajuussynteesi tarjoaa paljon paremman tarkkuuden ja vakauden kuin perinteiset elektroniset oskillaattorit, joissa on induktanssi- tai kapasitanssiviritys, erittäin laaja viritysalue ilman kytkentää ja lähes välitön vaihto mille tahansa taajuudelle.

Analogiset syntetisaattorit

Ehdottomasti minkä tahansa syntetisaattorin päätehtävä on muuntaa referenssisignaali (viite) tarvittavaksi määräksi lähtösignaaleja. Analogiset syntetisaattorit (Direct Analog Synthesizers) toteutetaan sekoittamalla yksittäisiä perustaajuuksia niiden myöhempään suodatukseen. Perustaajuudet voidaan saada matalataajuisista (kvartsi- ja SAW-resonaattorit) tai korkeataajuisista (dielektriset, safiiri-, aaltoputket, keraamiset resonaattorit) oskillaattorit kerto-, jako- tai vaihelukitun silmukan kautta.

Analogisten syntetisaattoreiden tärkein etu on erittäin nopea kytkentänopeus, joka on mikro- tai jopa nanosekunnin alueella. Toinen etu: komponenttien (esim. mikserien) käyttö, joilla on poikkeuksellisen pieni omakohina verrattuna perustaajuuslähteisiin. Toisin sanoen analogisen syntetisaattorin kohina määräytyy pääasiassa käytettyjen taustalla olevien lähteiden kohinan perusteella ja voi olla melko alhainen.

Tämän topologian suurin haittapuoli on rajoitettu alue ja taajuusresoluutio. Muodostettavien signaalien määrää voidaan lisätä ottamalla käyttöön enemmän perustaajuuksia ja/tai sekoitusasteita. Tämä lähestymistapa vaatii kuitenkin enemmän komponentteja ja monimutkaistaa siten järjestelmää. Tehokas ratkaisu on käyttää digitaalista syntetisaattoria (Direct Digital Synthesizer - DDS) nostamaan analogisesta osasta vaadittavaa minimitaajuutta.Toinen vakava ongelma on sekoitusasteiden tuottamat monet ei-toivotut spektrikomponentit. Ne on suodatettava huolellisesti. Kytkettävät suodattimet on myös eristettävä. On olemassa monia erilaisia sekoitin- ja suodatinjärjestelyjä, jotka kaikki vaativat tyypillisesti suuren määrän komponentteja pienten taajuusaskelmien ja laajan kaistanleveyden aikaansaamiseksi. Vaikka analogiset syntetisaattorit tarjoavatkin poikkeuksellisen nopean viritysnopeuden ja alhaisen melutason, niiden käyttö on rajoitettua niiden melko korkeiden kustannusominaisuuksien vuoksi.

Digitaaliset syntetisaattorit

Toisin kuin perinteiset (analogiset) ratkaisut, digitaaliset syntetisaattorit käyttävät digitaalista käsittelyä halutun lähtöaaltomuodon saamiseksi perus- (kello)signaalista. Ensin signaalista luodaan digitaalinen esitys käyttämällä vaiheakkua, ja sitten itse lähtösignaali (sinimuotoinen tai mikä tahansa muu haluttu muoto) muodostetaan käyttämällä digitaali-analogiamuunninta (DAC). Digitaalisen signaalin tuoton nopeutta rajoittaa digitaalinen liitäntä, mutta se on erittäin korkea ja verrattavissa analogisiin piireihin. Digitaaliset syntetisaattorit tarjoavat myös melko alhaisen vaihekohinatason. Digitaalisen syntetisaattorin tärkein etu on kuitenkin sen erittäin korkea taajuusresoluutio (alle 1 Hz), joka määräytyy vaiheakun pituuden mukaan. Tärkeimmät haitat ovat rajallinen taajuusalue ja suuret signaalin vääristymät. Kun digitaalisen syntetisaattorin toimintataajuusalueen alaraja on lähellä nollaa hertsiä, sen yläraja ei voi Kotelnikov-lauseen mukaisesti ylittää puolta kellotaajuudesta. Lisäksi lähtösignaalin rekonstruointi ei ole mahdollista ilman alipäästösuodatinta, joka rajoittaa lähtösignaalin alueen noin 40 %:iin kellotaajuudesta.

Toinen vakava ongelma on DAC:n muunnosvirheistä johtuvien ei-toivottujen spektrikomponenttien korkea pitoisuus. Tästä näkökulmasta katsottuna digitaalinen syntetisaattori käyttäytyy kuin taajuussekoitin, joka tuottaa vääriä komponentteja yhdistelmätaajuuksilla. Vaikka näiden komponenttien taajuussijainti voidaan laskea helposti, niiden amplitudi on paljon vähemmän ennustettavissa. Yleensä alemman asteen vääristymillä on suurin amplitudi. Kuitenkin myös korkean asteen vääristymät on otettava huomioon suunniteltaessa tietyn syntetisaattorin arkkitehtuuria. Myös loisspektrikomponenttien amplitudi kasvaa kellotaajuuden kasvaessa, mikä myös rajoittaa generoitujen taajuuksien aluetta. Alueen ylärajan käytännön arvot ovat alueella useista kymmenistä useisiin satoihin megahertseihin diskreettien spektritulojen tasolla -50…-60 dBc. On selvää, että taajuussyntetisaattorin lähtösignaalin suora kertominen on mahdotonta spektrikoostumuksen heikkenemisen vuoksi.

On olemassa monia laitteisto- ja ohjelmistoratkaisuja, jotka on suunniteltu parantamaan digitaalisen syntetisaattorin spektrisisältöä. Laitteistomenetelmät perustuvat yleensä digitaalisen syntetisaattorin signaalin siirtämiseen taajuudella ja sen jälkeen jakamiseen.

Tämä menetelmä vähentää ei-toivottuja spektrituotteita 20 dB/oktaavi. Valitettavasti tämä vähentää myös generoitujen taajuuksien aluetta. Taajuusalueen laajentamiseksi syntetisaattorin lähdössä on tarpeen lisätä perustaajuuksien ja suodattimien määrää - aivan kuten analogisissa piireissä.

Ohjelmistomenetelmät perustuvat siihen tosiasiaan, että syntetisaattorin harhasärötaajuudet ovat DAC-näytteenottotaajuuden funktioita. Siten syntetisaattorin jokaiselle määrätylle lähtötaajuudelle voidaan siirtää vääriä vääristymiä taajuudessa (ja edelleen suodattaa pois) muuttamalla DAC:n näytteenottotaajuutta. Tämä menetelmä on erityisen tehokas, jos DAC-kello generoidaan käyttämällä PLL-pohjaisia järjestelmiä. On huomattava, että ohjelmistomenetelmä toimii varsin tehokkaasti estämään suhteellisen pienen tilauksen vääristymiä. Valitettavasti diskreettien spektrituotteiden tiheys yleensä kasvaa suhteessa niiden järjestykseen. Siksi ohjelmistomenetelmä voi suodattaa vääristymät vain -70 ... -80 dBc:n tasolle.

Näin ollen rajoitetun taajuusalueen ja ei-toivottujen spektrituotteiden suuren määrän vuoksi digitaalisia syntetisaattoreita käytetään harvoin suoraan generoimaan mikroaaltosignaalia. Samaan aikaan niitä käytetään laajalti monimutkaisemmissa analogisissa ja PLL-järjestelmissä korkeataajuisen resoluution aikaansaamiseksi.

PLL-syntetisaattorit

Tyypillinen yksisilmukkainen PLL -syntetisaattori sisältää säädettävän jänniteohjatun oskillaattorin (VCO), jonka signaali välitetään vaaditun (ohjelmoitavan) taajuusjaon jälkeen vaiheilmaisimen (PD) sisäänmenoon, joka on yhtä suuri kuin vaadittu taajuusaskel . Vaiheilmaisin vertaa signaaleja molemmissa tuloissa ja muodostaa virhesignaalin, joka suodatuksen ja vahvistuksen jälkeen (tarvittaessa) säätää VCO:n taajuuden

f=f_{REF}*N

missä FREF on referenssisignaalin taajuus vaiheilmaisimen tulossa.

PLL-pohjaisten piirien tärkeimmät edut ovat puhtaampi lähtöspektri alipäästösuodattimen (LPF) tehokkaan käytön ansiosta ja laitteen paljon vähemmän monimutkaisuus verrattuna analogisiin syntetisaattoreihin. Suurin haittapuoli on pidempi viritysaika ja huomattavasti suurempi vaihekohina verrattuna analogisiin piireihin. Syntetisaattorin vaihekohina PLL-suodattimen päästökaistalla on

\lambda =\lambda PD+20logN

jossa λPD on takaisinkytkentäpiirin referenssisignaalin, vaiheilmaisimen, suodattimen ja vahvistimen vaihekohinan kokonaistaso laskettuna uudelleen vaiheilmaisimen tuloon. Näin ollen vaihekohina riippuu taajuudenjakajan jakokertoimesta, joka voi olla melko suuri vaaditun taajuusresoluution aikaansaamiseksi. Siten signaalin saamiseksi taajuudella 10 GHz ja resoluutiolla 1 MHz, jakokertoimen on oltava 10 000, mikä vastaa vaihekohinan kasvua 80 dB :llä . Lisäksi ohjelmoitavia jakajia käytetään suhteellisen matalilla taajuuksilla, mikä vaatii lisäkorkeataajuisen jakajan käyttöönoton kiinteällä jakosuhteella (escaler - PS). Tämän seurauksena takaisinkytkentäsilmukan kokonaisjakokerroin kasvaa ja tämän seurauksena vaihekohina kasvaa. Ilmeisesti tällainen yksinkertainen piiri ei salli nykyaikaisten vähäkohinaisten referenssisignaaligeneraattoreiden kohinaominaisuuksien käyttöä. Tämän seurauksena yksisilmukaisia PLL-piirejä käytetään harvoin, nimittäin järjestelmissä, joissa generoidun signaalin laatuvaatimukset ovat alhaiset.

Syntetisaattorin pääominaisuuksia voidaan merkittävästi parantaa sisällyttämällä takaisinkytkentäpiiriin taajuusmuuttaja (mikseri). Tällöin VCO-signaali siirretään alaspäin taajuudella, mikä voi merkittävästi vähentää takaisinkytkentäsilmukan jakokerrointa. Sekoittimen referenssi generoidaan käyttämällä valinnaista PLL:ää (multi-loop circuits) tai taajuuskertojaa. Hyvä ratkaisu on käyttää harmonista sekoitinta, joka käyttää useita yliaaltoja sekoittimeen rakennetun diodin tuottamasta referenssisignaalista. Harmonisen mikserin avulla voit yksinkertaistaa merkittävästi syntetisaattorin suunnittelua. Samanaikaisesti on huomattava, että tämäntyyppinen sekoitin on erittäin herkkä yksittäisten piirielementtien parametreille, joiden optimointi on kaukana triviaalista tehtävästä. Vaihekohinaa ja taajuusresoluutiota koskevista erityisvaatimuksista riippuen on mahdollista ottaa käyttöön suurempi määrä sekoitusasteita, mikä kuitenkin vaikeuttaa syntetisaattorin suunnittelua. Toinen taajuusmuuntoon perustuvien menetelmien käyttöön liittyvä ongelma on väärä taajuuden sieppaus (esimerkiksi mikserin kuvakanavaa käytettäessä). Siksi on tarpeen ensin virittää tarkasti VCO:n taajuus esimerkiksi DAC:n avulla. Tämä puolestaan vaatii erittäin suurta lineaarisuutta (ja toistettavuutta) VCO-lähtötaajuuden riippuvuudesta ohjausjännitteestä käyttölämpötila-alueella, sekä VCO:n tarkkaa kalibrointia tämän riippuvuuden lämpötilapoikkeaman kompensoimiseksi. Lisäksi digitaali-analogiamuuntimet ovat yleensä kohinaisia, mikä vaikuttaa syntetisaattorin kohinaominaisuuksiin ja vaatii DAC:n poistamista PLL-silmukasta esivirityksen jälkeen halutulle taajuudelle.

On myös mahdollista pienentää kokonaisjakokerrointa käyttämällä murto-osakertoimia - jakamalla taajuus N + 1:llä joka M signaalijaksoa ja jakamalla N:llä loppuaikavälin aikana. Tässä tapauksessa keskimääräinen jakokerroin on yhtä suuri kuin

{\näyttötyyli (N+1)/M}

missä N ja M ovat kokonaislukuja. Tietylle taajuuden askelkoolle murtojakomenetelmät sallivat korkeamman referenssitaajuuden käytön vaiheilmaisimen tulossa, mikä johtaa vähentyneeseen vaihekohinaan ja lisääntyneeseen syntetisaattorin viritysnopeuteen. Murtojakotekniikan suurin haittapuoli on epäharmonisten spektrikomponenttien lisääntynyt pitoisuus, joka johtuu murtojakomekanismille ominaisista vaihevirheistä.

Digitaalisen taajuussyntetisaattorin peruselementit

Selitetään, että termillä "digitaalinen taajuussyntetisaattori" tarkoitamme pulssivaihelukitun silmukan (IFAP) (tai [Impulssi] vaihelukitun silmukan - PLL) järjestelmien yhteydessä digitaalisia, pääasiassa digitaalisia piirejä käyttäen, järjestelmän elementtejä. IFAP-rengas:

referenssisignaalin taajuuden generointipolku;
viritettävän oskillaattorin (VCO) tai jänniteohjatun oskillaattorin (VCO) taajuuden vähennyspolku;
vaihetaajuusilmaisin (PFD) tai vaihetaajuustunnistin latauspumpulla.

Referenssitaajuuden generointipolku on kiinteä kokonaislukujakaja (FIDF) tai referenssijakaja, ja sen jakokerroin voidaan asettaa ulkoisella ohjaussanalla, esimerkiksi 1 - 16384. $R$

Viritettävän oskillaattorin taajuusmuunnospolku on muuttuvatekijäjakaja (CVD) tai jakaja, jossa on float-jakokerroin, kokonaisluku-N jakaja, jonka jakokerroin asetetaan myös ulkoisella koodilla ja sitä voidaan muuttaa yksikköaskelin. Matalataajuisissa syntetisaattoreissa (esimerkiksi ADF4001:ssä) VCO:n taajuusjakopolku kertoimella N tehdään perinteisillä DPCD-laskurin taajuudenjakajilla, koska käytetty CMOS -tekniikka mahdollistaa laskurin liipaisujen toteuttamisen kytkimellä. aika jopa 4-6 ns. Siksi DPCD-viiteoskillaattorin taajuusjakopolku varmistaa syntetisaattorin luotettavan toiminnan MHz-arvoihin asti (esimerkiksi ADF4106:ssa). On huomattava, että kaikki ADF4000-sarjan syntetisaattorit tarjoavat vähimmäisvertailutaajuuden jakokertoimen . "Esiskaalaajan" eli kaksimoduulin esiskaalaajan käyttöönotto mahdollisti DPCD:n toimintataajuuden nostamisen nykyaikaisiin arvoihin (esimerkiksi jopa 4 GHz ADF4113-syntetisaattorille ja jopa 6 GHz ADF4106 syntetisaattori). Pienin esiskaalaajamoduuli mahdollistaa NMIN = 56 :n. Syntetisaattorin lähtötaajuus voidaan määrittää kaavalla: $N$

$F_{REF}\leq 250$ $R = 1$

$P_{MIN}=8$

{\frac {[(P*B)+A]*F_{REF}}{R}}

missä: on syntetisaattorin lähtötaajuus; — esiskaalausmoduuli; - laskurin B jakokerroin; — laskurin A jakokerroin (0 ≤ A < B); on vertailuvärähtelyn taajuus; on vertailujakajan jakokerroin.
$f_{VCO}$
$P$
$B$
$A$
$F_{REF}$
$R$

Mikä tahansa esiskaalaaja koostuu nielemislaskurista ja pulssin absorptiopiiristä . Näiden solmujen kokonaiskytkentäviive ei saisi olla tulovärähtelyjakson kerrannainen, eli tulo- ja ohjauspulssien aktiiviset pudotukset eivät saisi olla samat. Muuten syntyy "kilpailun" vaikutus ja laite alkaa toimia väärin. Käytännössä pyritään varmistamaan, että esiskaalaajan kokonaisviiveen arvo ei ylitä tulovärähtelyn minimijaksoa. Toisin sanoen esiskaalaajan viive määrää mikropiirin maksimitoimintataajuuden. $P/P+1$

Mielenkiintoinen piirre ADF4110(1/2/3)-syntetisaattoreiden esiskaalaimessa on ns. uudelleensynkronointitila eli esiskaalaimen lähdön uudelleensynkronointi.

Esiskaalauksen synkronointitilassa sen vaihtamisen hetket "jako "-tilasta "jako"-tilaan portitetaan tulosignaalin RF taajuudella. Avainnus vähentää jakajan vaihekohinaa (jitter), mutta asettaa tiukemmat vaatimukset mikropiirin sisäisten viiveiden suuruudelle ja stabiiliudelle. Siksi RF-tulon maksimitulotaajuus, jolla syntetisaattori toimii luotettavasti, voi laskea. $P$ $P+1$ $N$

Linkit

Starikov O. PLL-menetelmä ja korkeataajuisten signaalien syntetisoinnin periaatteet.
Makarenko V. Suoran digitaalisen synteesin taajuussyntetisaattorit. (linkki ei saatavilla)
Ryzhkov A.V., Popov V.N. Taajuussyntetisaattorit radioviestintätekniikassa. - M .: Radio ja viestintä, 1991 - 264 s - ISBN 5-256-00623-1
Manassevych V. Taajuussyntetisaattorit. Teoria. Design.
Shakhtarin B.I. Taajuussyntetisaattorit.

Radio
Pääosat	Antenni Syöttölaite vastaava laite Vahvistin Suodattaa Mikseri Heterodyne taajuussyntetisaattori AHR PLL Välitaajuuspiirit Ilmaisin stereodekooderi AGC
Lajikkeet	ilmaisin suora vahvistus regeneroiva refleksi neutrodyne kristadiini suora muuntaminen Superheterodyne Autodyne Digitaalinen radio CAM-D SDR DRM HD-radio RDS lähetin-vastaanotin mittausvastaanotin