Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

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.

1.2. Схема со смесителем частоты

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

= (N/R+M) F

.

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.

1.3. Схема Толлефсона

Заслуживает внимания структура, предложенная Толлефсоном [23] и показанная на рисунке 3. Это две петли фазовой автоподстройки частоты: ФАПЧ-1 и ФАПЧ-2, связанные друг с другом через смеситель СМ. Каждая из них содержит ГУН, ДПКД, ФД и фильтр нижних частот (ФНЧ), обозначенные номерами соответствующих ФАПЧ. Частоты сравнения FR1 и FR2 у них разные, но получены от одного опорного источника частоты Fr с помощью соответствующих делителей частоты ДЧ-1 и ДЧ-2 с коэффициентами деления NR1 и NR2 соответственно.

Для облегчения понимания как схема работает, на ней приведен числовой пример её параметров. При частоте опорного генератора, равной Fr=990 кГц, частоты сравнения FR1 и FR2 в соответствующих ФАПЧ, получаемые с помощью делителей частоты ДЧ-1 и ДЧ-2 с соответствующими коэффициентами NR1 и NR2, равны FR1=990/99=10 кГц и FR2=990/100=9,9 кГц. При этом на выходе синтезатора обеспечивается шаг сетки частот, равный 100 Гц, то есть равный разнице между частотами сравнения FR1 и FR2. Покажем это на числовом примере.

Рис.3. Схема Толлефсона

Исходя из приведенной структуры синтезатора, частота на его выходе может быть вычислена по формуле

F

=FR1?N1-FR2?N2

Тогда нижняя частота диапазона синтезатора, получаемая при коэффициентах N1=6451 и N2=1400, равна 50,650 МГц. Для получения следующей частоты диапазона необходимо одновременно сдвинуть на единицу коэффициенты N1 и N2 (таков алгоритм управления этими коэффициентами), и в результате частота сигнала окажется равной 50,6501 МГц, что на 100 Гц выше предыдущей. И далее с каждым добавлением единиц в коэффициентах N1 и N2 по указанному алгоритму добавляется 10 кГц к частоте сигнала за счёт действия первой петли и вычитается 9,9 кГц за счёт действия второй петли, и в результате частота сигнала увеличивается с шагом 100 Гц. По приведенной формуле нетрудно вычислить и верхнюю частоту диапазона. Она получается при коэффициентах N1=9509 и N2=1499 и равна 80,2499 МГц.

Достоинство схемы состоит в возможности получать мелкий шаг сетки частот при сравнительно высоких частотах сравнения. Однако эти возможности ограничены сложностью получения двух частот от одного опорного источника, когда эти частоты достаточно высоки, а разница между ними мала. Это чтобы одновременно обеспечить высокую спектральную чистоту синтезируемого сигнала и высокое быстродействие синтезатора при высокой разрешающей способности по частоте. Например, при желании иметь частоты сравнения порядка 1 МГц и шаг сетки 1 Гц, надо получить частоты 1 МГц и 1,000001 МГц, что весьма затруднительно.

Следует также отметить, что схема Толлефсона фактически вытекает из способа, предложенного Денисовым Г. В. на 11 лет ранее [24].

1.4. Схема Мартина

Интересна также идея Мартина [25], схематически показанная на рисунке 4.

Рис.4. Схема Мартина

Генератор, управляемый напряжением, ГУН1, охвачен широкополосной петлёй ФАПЧ c ДПКД1, имеющим сравнительно малые коэффициенты деления. В петлю входят также фазовый детектор ФД-1 и фильтр нижних частот ФНЧ-1. Опорная частота для этой петли берётся от ГУН2, охваченного второй, узкополосной петлёй ФАПЧ с ДПКД2 со сравнительно большими коэффициентами деления и довольно низкой частотой сравнения. Во вторую петлю входят также фазовый детектор ФД-2 и фильтр нижних частот ФНЧ-2. Но назвать вторую петлю отдельной, самостоятельной нельзя, поскольку ДПКД2 работает от того же ГУН1 и вторая петля замыкается через первую петлю. Поэтому некоторые отечественные разработчики называют такую структуру как «полтора кольца», а иногда и «тандемом». Оба ДПКД сопряжены так, что старшие разряды в них переключаются одновременно. На рисунке показан также пример получения в такой схеме октавного диапазона.

Частота сигнала на выходе синтезатора равна Fc=Fr?N2=500,000?999,999 МГц и переключается с шагом 1 кГц. Опорная частота для первой петли лежит в диапазоне Fx=Fr?N2/N1=1,000?1,001 МГц.

В такой структуре диапазон перестройки ГУН2 значительно меньший, чем у ГУН1, и поэтому может быть обеспечена его высокая спектральная чистота даже в узкополосной петле ФАПЧ. А поскольку частота его сигнала является опорной для широкополосной петли, работающей на выход, то достигается и улучшение спектра сигнала на выходе синтезатора. Достоинство предложенной схемы состоит также в возможности быстрого переключения частоты крупными шагами. Проблема инерционности системы при переключении частоты мелкими шагами остаётся нерешённой.

1.5. Синтезатор на базе каскадного включения систем ФАПЧ

Принцип такого частотного синтеза можно пояснить с помощью схемы, представленной на рисунке 5

.

Рис.5. Последовательное включение двух петель ФАПЧ с ДПКД

На нём показаны две петли ФАПЧ, включенные последовательно. Обе петли идентичны друг другу, и каждая из них содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). Каждый из названных элементов имеет номер на схеме в соответствии с номером петли. Системы ФАПЧ-1 и ФАПЧ-2 связаны друг с другом через ДПКД-3. Первая из них, с участием ДПКД-3, формирует переменную опорную частоту для второй, которая завершает структуру синтезатора. Для пояснения работы такой структуры, на рисунке показан числовой пример.

Приведём ниже ряд вычислений для частоты Fc на выходе синтезатора при опорной частоте Fr=50МГц:

N1=60 F1=3000 N3=59 N2=30 Fc=1 525,424 МГц

N1=59 F1=2950 N3=58 N2=30 Fc=1 525,862 МГц

N1=58 F1=2900 N3=57 N2=30 Fc=1 526,316 МГц

и

N1=59 F1=2950 N3=58 N2=58 Fc=2 950,000 МГц

N1=58 F1=2900 N3=57 N2=58 Fc=2 950,877 МГц

N1=57 F1=2850 N3=56 N2=58 Fc=2 951,786 МГц

Как видно из приведенных расчётов, получаемая дискретность сетки частот оказывается значительно меньшей исходной опорной частоты Fr. В нижней части синтезируемого диапазона частот она составляет порядка 450 кГц, а в верхней – порядка 900 кГц.

Коэффициенты деления N1 и N3 желательно выбирать со значениями, близкими друг к другу (в рассмотренном примере они отличаются на единицу). Тогда формируемая опорная частота F2 для второй петли мало отличается от исходной опорной частоты Fr, то есть также оказывается довольно высокой. Благодаря этому, полоса пропускания второй петли может быть выбрана столь же широкой, как и первой петли.

Можно также заметить, что диапазон частот, формируемый первой петлёй, не обязательно должен быть равным диапазону второй петли и может быть значительно меньшим (в приведенных вычислениях он равен всего лишь 150 МГц), из-за чего собственные шумы генератора ГУН-1 могут быть значительно снижены. Эти два фактора способствуют улучшению характеристик спектральной чистоты и быстродействия.

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