Войти
Синтезатор частоты представляет собой электронную схему, которая генерирует диапазон частот от одной опорной частоты. Синтезаторы частот используются во многих современных устройствах, таких как радиоприемники, телевизоры, мобильные телефоны, радиотелефоны, рации, радио CB, конвертеры кабельного телевидения, спутниковые приемники и системы GPS. Синтезатор частот может использовать методы умножения частоты, частотного деления, прямого цифрового синтеза, смешение частот и петли фазовой автоподстройки частоты для генерации его частот. Стабильность и точность выхода синтезатора частоты, связаны со стабильностью и точностью его вход опорной частоты. Следовательно, синтезаторы используют стабильные и точные опорные частоты, такие как частоты кварцевого генератора.
Можно выделить три типа синтезаторов. Первый и второй тип обычно встречаются как автономная архитектура: прямой аналоговый синтез (также называемый архитектурой смешанного разделения фильтра, как это было в HP 5100A 1960-х годов) и более современный прямой цифровой синтезатор (DDS) ( табличный-вид- вверх ). Третий тип обычно используется в качестве строительных блоков ИС системы связи: синтезаторы с косвенной цифровой схемой ( PLL ), включая целочисленный и дробный N.
В чем-то он похож на DDS, но имеет архитектурные отличия. Одна из его больших преимуществ является то, чтобы позволить гораздо более высокое разрешение, чем другие типы синтезаторов с данной опорной частоты.
До широкого использования синтезаторов для приема станций на разных частотах радио- и телевизионные приемники полагались на ручную настройку гетеродина, который использовал резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, или иногда резонансных линий передачи; для определения частоты. Приемник настраивался на разные частоты либо с помощью переменного конденсатора, либо с помощью переключателя, который выбирал правильную настроенную схему для желаемого канала, например, с турельным тюнером, обычно используемым в телевизионных приемниках до 1980-х годов. Однако резонансная частота настроенного контура не очень стабильна; колебания температуры и старение компонентов вызывали дрейф частоты, в результате чего приемник отклонялся от частоты станции. Автоматическая регулировка частоты (AFC) решает некоторые проблемы дрейфа, но часто требуется ручная перенастройка. Поскольку частоты передатчика стабилизированы, точный источник фиксированных, стабильных частот в приемнике решит проблему.
Резонаторы на кварцевом кристалле на много порядков более стабильны, чем LC-схемы, и при использовании для управления частотой гетеродина обеспечивают достаточную стабильность для поддержания настройки приемника. Однако резонансная частота кристалла определяется его размерами и не может быть изменена для настройки приемника на разные частоты. Одним из решений является использование множества кристаллов, по одному для каждой желаемой частоты, и включение правильного из них в схему. Этот метод «грубой силы» практичен, когда требуется лишь несколько частот, но быстро становится дорогостоящим и непрактичным во многих приложениях. Например, диапазон FM-радио во многих странах поддерживает 100 отдельных частот канала от примерно 88 МГц до 108 МГц; для возможности настройки на каждый канал потребуется 100 кристаллов. Кабельное телевидение может поддерживать еще больше частот или каналов в гораздо более широком диапазоне. Большое количество кристаллов увеличивает стоимость и требует большего пространства.
Решение этой проблемы была разработка схем, которые могли бы генерировать несколько частот из опорной частоты «» производства кварцевого генератора. Это называется синтезатором частоты. Новые "синтезированные" частоты будут иметь стабильность частоты задающего кварцевого генератора, поскольку они были получены из него.
За прошедшие годы было разработано множество методов синтеза частот. Некоторые подходы включают петли фазовой автоподстройки частоты, двойное микширование, тройное микширование, гармоническое, двойное разделение микширования и прямой цифровой синтез (DDS). Выбор подхода зависит от нескольких факторов, таких как стоимость, сложность, размер шага частоты, скорость переключения, фазовый шум и паразитный выходной сигнал.
Когерентные методы генерируют частоты, полученные от одного стабильного задающего генератора. В большинстве приложений используется кварцевый генератор, но можно использовать другие резонаторы и источники частоты. Некогерентные методы получают частоты из набора из нескольких стабильных генераторов. Подавляющее большинство синтезаторов в коммерческих приложениях используют когерентные методы из-за простоты и низкой стоимости.
Синтезаторы, используемые в коммерческих радиоприемниках, в значительной степени основаны на схемах фазовой автоподстройки частоты или схемах ФАПЧ. Многие типы синтезаторов частот доступны в виде интегральных схем, что снижает стоимость и размер. Приемники высокого класса и электронное испытательное оборудование используют более сложные методы, часто в сочетании.
Продуманная процедура проектирования считается первым значительным шагом на пути к успешному проекту синтезатора. При проектировании системы синтезатора частоты, утверждает Манассевич, существует столько же «лучших» процедур проектирования, сколько опытных разработчиков синтезаторов. Системный анализ синтезатора частот включает выходной частотный диапазон (или полосу частот, или диапазон настройки), приращения частоты (или разрешение, или настройку частоты), стабильность частоты (или фазовую стабильность, сравните паразитные выходные сигналы), характеристики фазового шума (например, спектральную чистоту)., время переключения (сравните время установления и время нарастания ), а также размер, потребляемую мощность и стоимость. Джеймс А. Кроуфорд говорит, что это противоречащие друг другу требования.
Влиятельные ранние книги по методам частотного синтеза включают книги Флойда М. Гарднера (его методы фазовой синхронизации 1966 г.) и Венцеслава Ф. Кроупа (его « Синтез частот 1973 г.»).
Математические методы, аналогичные механическим отношениям передаточного числа, могут использоваться в синтезе частоты, когда коэффициент синтеза частоты является отношением целых чисел. Этот метод позволяет эффективно планировать распределение и подавлять спектральные выбросы.
Синтезаторы переменной частоты, включая DDS, обычно разрабатываются с использованием арифметики Modulo-N для представления фазы.
Фазовая автоподстройка частоты - это система управления с обратной связью. Он сравнивает фазы двух входных сигналов и выдает сигнал ошибки, пропорциональный разнице между их фазами. Затем сигнал ошибки фильтруется нижними частотами и используется для управления генератором, управляемым напряжением (ГУН), который создает выходную частоту. Выходная частота подается через делитель частоты обратно на вход системы, создавая контур отрицательной обратной связи. Если выходная частота дрейфует, сигнал фазовой ошибки будет увеличиваться, перемещая частоту в противоположном направлении, чтобы уменьшить ошибку. Таким образом, выход синхронизируется с частотой другого входа. Этот другой вход называется опорным и обычно создается кварцевым генератором, который очень стабилен по частоте. На блок-схеме ниже показаны основные элементы и устройство синтезатора частоты на основе ФАПЧ.
Блок-схема синтезатора ФАПЧ распространенного типа. Ключом к способности синтезатора частот генерировать несколько частот является делитель, расположенный между выходом и входом обратной связи. Обычно это цифровой счетчик, выходной сигнал которого действует как тактовый сигнал. Счетчик предварительно установлен на некоторое начальное значение счета и ведет обратный отсчет при каждом цикле тактового сигнала. Когда он достигает нуля, выход счетчика меняет состояние, и значение счетчика перезагружается. Эту схему легко реализовать с помощью триггеров, и, поскольку она является цифровой по своей природе, ее очень легко подключить к другим цифровым компонентам или микропроцессору. Это позволяет легко управлять выходной частотой синтезатора с помощью цифровой системы.
Предположим, что опорный сигнал составляет 100 кГц, а делитель может быть предварительно установлен на любое значение от 1 до 100. Сигнал ошибки, создаваемый компаратором, будет равен нулю только тогда, когда выходной сигнал делителя также равен 100 кГц. Для этого ГУН должен работать с частотой 100 кГц, умноженной на значение счетчика делителя. Таким образом, на выходе будет 100 кГц для счета 1, 200 кГц для счета 2, 1 МГц для счета 10 и так далее. Обратите внимание, что только целые кратные опорной частоты могут быть получены с помощью простейших целое число N делителей. Делители дробного азота легко доступны.
Philips TDA6651TT - смеситель / генератор на 5 В и малошумящий синтезатор с ФАПЧ для гибридного наземного тюнера На практике синтезатор частот этого типа не может работать в очень широком диапазоне частот, потому что компаратор будет иметь ограниченную полосу пропускания и может страдать от проблем наложения спектров. Это привело бы к ложным ситуациям блокировки или к невозможности блокировки вообще. Кроме того, сложно создать высокочастотный ГУН, работающий в очень широком диапазоне. Это связано с несколькими факторами, но основным ограничением является ограниченный диапазон емкости варакторных диодов. Однако в большинстве систем, где используется синтезатор, мы ищем не огромный диапазон, а скорее конечное число в определенном диапазоне, например, количество радиоканалов в определенном диапазоне.
Для многих радиоприложений требуются частоты, которые выше, чем могут быть напрямую введены в цифровой счетчик. Чтобы преодолеть это, весь счетчик может быть построен с использованием высокоскоростной логики, такой как ECL, или, чаще, с использованием быстрого начального этапа деления, называемого предварительным делителем, который снижает частоту до управляемого уровня. Поскольку предварительный делитель является частью общего коэффициента деления, фиксированный предварительный делитель может вызвать проблемы при проектировании системы с узким разносом каналов, что обычно встречается в приложениях радиосвязи. Этого можно избежать, используя двухмодульный предварительный делитель.
Другие практические аспекты касаются количества времени, в течение которого система может переключаться с канала на канал, времени блокировки при первом включении и количества шума на выходе. Все это является функцией контурного фильтра системы, который представляет собой фильтр нижних частот, расположенный между выходом компаратора частоты и входом ГУН. Обычно выходной сигнал компаратора частоты имеет форму коротких импульсов ошибки, но на входе ГУН должно подаваться плавное, бесшумное напряжение постоянного тока. (Любой шум в этом сигнале естественным образом вызывает частотную модуляцию ГУН.) Сильная фильтрация заставит ГУН медленно реагировать на изменения, вызывая дрейф и медленное время отклика, но легкая фильтрация вызовет шум и другие проблемы с гармониками. Таким образом, конструкция фильтра имеет решающее значение для производительности системы и фактически является основной областью, на которой разработчик сконцентрируется при создании системы синтезатора.
Многие синтезаторы частоты с ФАПЧ также могут генерировать частотную модуляцию (ЧМ). Модулирующий сигнал добавляется к выходу контурного фильтра, напрямую изменяя частоту ГУН и выход синтезатора. Модуляция также появится на выходе фазового компаратора, амплитуда будет уменьшена любым делением частоты. Любые спектральные компоненты в модулирующем сигнале, слишком слабые для блокировки контурным фильтром, попадают обратно на вход VCO с полярностью, противоположной модулирующему сигналу, тем самым подавляя их. (Контур эффективно рассматривает эти компоненты как шум ГУН, который необходимо отслеживать.) Компоненты модуляции выше частоты среза петлевого фильтра не могут вернуться на вход ГУН, поэтому они остаются на выходе ГУН. Таким образом, эта простая схема не может напрямую обрабатывать низкочастотные (или постоянные) модулирующие сигналы, но это не проблема для многих FM-передатчиков видео и аудио со связью по переменному току, которые используют этот метод. Такие сигналы также могут быть размещены на поднесущей выше частоты среза петлевого фильтра ФАПЧ.
Синтезаторы частоты с ФАПЧ также можно модулировать на низкой частоте и вплоть до постоянного тока с помощью двухточечной модуляции, чтобы преодолеть вышеуказанное ограничение. Модуляция применяется к ГУН, как и раньше, но теперь она также применяется в цифровом виде к синтезатору, аналогично аналоговому ЧМ-сигналу, с использованием быстрого дельта-сигма АЦП.
