Frekvenssynt

En frekvenssyntes är en elektronisk krets som genererar en rad frekvenser från en enda referensfrekvens. Frekvenssynthesizers används i många moderna enheter som radiomottagare , tv-apparater , mobiltelefoner , radiotelefoner , walkie-talkies , CB-radio , kabel-tv-omvandlarboxar , satellitmottagare och GPS- system. En frekvenssyntes kan använda teknikerna frekvensmultiplikation , frekvensdelning , direkt digital syntes , frekvensblandning och faslåsta slingor för att generera dess frekvenser. Stabiliteten och noggrannheten hos frekvenssyntesens utsignal är relaterad till stabiliteten och noggrannheten hos dess referensfrekvensingång. Följaktligen använder synthesizers stabila och exakta referensfrekvenser, såsom de som tillhandahålls av en kristalloscillator .

Typer

Tre typer av synthesizer kan urskiljas. Den första och andra typen finns rutinmässigt som fristående arkitektur: direkt analog syntes (även kallad en mix-filter-divide- arkitektur som hittades på 1960-talets HP 5100A ) och den mer moderna direkta digitala synthesizern (DDS) ( tabell-look- upp ). Den tredje typen används rutinmässigt som IC -byggblock för kommunikationssystem : indirekt digitala ( PLL ) synthesizers inklusive heltals-N och fraktionerad-N. Den nyligen uppkomna TAF-DPS är också ett direkt tillvägagångssätt. Den konstruerar direkt vågformen för varje puls i klockpulståget.

Digiphase synthesizer

Den liknar på vissa sätt en DDS, men den har arkitektoniska skillnader. En av dess stora fördelar är att tillåta en mycket finare upplösning än andra typer av synthesizers med en given referensfrekvens.

Tid-medel-frekvens direkt periodsyntes (TAF-DPS)

Nyligen har en teknik som kallas Time-Average-Frequency Direct Period Synthesis (TAF-DPS) dykt upp som en ny medlem i frekvenssyntesfamiljen. Den fokuserar på frekvensgenerering för klocksignaldrivande integrerad krets . Till skillnad från alla andra tekniker använder den ett nytt koncept med Tid-Genomsnitt-Frekvens. Syftet är att ta itu med de två långvariga problemen inom området för generering av on-chip-klocksignaler: generering av godtycklig frekvens och momentan frekvensomkoppling.

Utgående från en bastidsenhet skapar TAF-DPS först två typer av cykler _TA och _TB . Dessa två typer av cykler används sedan på ett interfolierat sätt för att producera klockpulståget. Som ett resultat kan TAF-DPS lösa problemen med generering av godtycklig frekvens och momentan frekvensväxling mer effektivt. Den första kretstekniken för att använda TAF-konceptet (även om det är undermedvetet) är " Flying-Adder frekvenssyntesarkitekturen eller" Flying-Adder PLL, som utvecklades i slutet av 1990-talet. Sedan introduktionen av TAF-konceptet 2008 startar utvecklingen av en frekvenssyntesteknik som fungerar på TAF formellt. En detaljerad beskrivning av denna teknik finns i dessa böcker och i denna korta handledning . Allt eftersom utvecklingen fortskrider blir det gradvis uppenbart att TAF-DPS är en kretsnivåmöjliggörande för innovation på systemnivå. Den kan användas inom många andra områden än generering av klocksignaler. Dess inverkan är betydande eftersom klocksignalen är den viktigaste signalen inom elektronik, som etablerar tidsflödet i den elektroniska världen. Detta djupgående inflytande ses i denna riktningsförändring i Moores lag från rum till tid.

Historia

Före den utbredda användningen av synthesizers, för att plocka upp stationer på olika frekvenser, förlitade sig radio- och tv-mottagare på manuell inställning av en lokaloscillator , som använde en resonanskrets bestående av en induktor och kondensator , eller ibland resonansledningar; för att bestämma frekvensen. Mottagaren justerades till olika frekvenser med antingen en variabel kondensator eller en omkopplare som valde den rätt inställda kretsen för den önskade kanalen, till exempel med turret-tunern som vanligen användes i TV-mottagare före 1980-talet. Emellertid är resonansfrekvensen för en avstämd krets inte särskilt stabil; variationer i temperatur och åldrande av komponenter orsakade frekvensdrift , vilket fick mottagaren att glida av stationsfrekvensen. Automatisk frekvenskontroll (AFC) löser en del av driftproblemet, men manuell ominställning var ofta nödvändig. Eftersom sändarfrekvenserna är stabiliserade skulle en exakt källa med fasta, stabila frekvenser i mottagaren lösa problemet.

Kvartskristallresonatorer är många storleksordningar mer stabila än LC-kretsar och när de används för att styra frekvensen för den lokala oscillatorn erbjuder de tillräcklig stabilitet för att hålla en mottagare i trim. En kristalls resonansfrekvens bestäms dock av dess dimensioner och kan inte varieras för att ställa in mottagaren till olika frekvenser. En lösning är att använda många kristaller, en för varje önskad frekvens, och koppla in den korrekta i kretsen. Denna "brute force"-teknik är praktisk när endast en handfull frekvenser krävs, men blir snabbt kostsam och opraktisk i många tillämpningar. Till exempel FM- radiobandet i många länder 100 individuella kanalfrekvenser från cirka 88 MHz till 108 MHz; möjligheten att ställa in varje kanal skulle kräva 100 kristaller. Kabel-tv kan stödja ännu fler frekvenser eller kanaler över ett mycket bredare band. Ett stort antal kristaller ökar kostnaden och kräver större utrymme.

Lösningen på detta var utvecklingen av kretsar som kunde generera flera frekvenser från en "referensfrekvens" producerad av en kristalloscillator. Detta kallas en frekvenssyntes. De nya "syntetiserade" frekvenserna skulle ha samma frekvensstabilitet som masterkristalloscillatorn, eftersom de härleddes från den.

Många tekniker har utvecklats under åren för att syntetisera frekvenser. Vissa tillvägagångssätt inkluderar faslåsta loopar , dubbelmix, trippelmix, harmonisk, dubbelmixdelning och direkt digital syntes (DDS). Valet av tillvägagångssätt beror på flera faktorer, såsom kostnad, komplexitet, frekvensstegstorlek, omkopplingshastighet, fasbrus och falsk utsignal.

Koherenta tekniker genererar frekvenser härledda från en enda, stabil masteroscillator. I de flesta applikationer är en kristalloscillator vanlig, men andra resonatorer och frekvenskällor kan användas. Inkoherenta tekniker härleder frekvenser från en uppsättning av flera stabila oscillatorer. De allra flesta synthesizers i kommersiella tillämpningar använder koherenta tekniker på grund av enkelhet och låg kostnad.

Synthesizers som används i kommersiella radiomottagare är till stor del baserade på faslåsta slingor eller PLL. Många typer av frekvenssyntes finns tillgängliga som integrerade kretsar , vilket minskar kostnaden och storleken. Avancerade mottagare och elektronisk testutrustning använder mer sofistikerade tekniker, ofta i kombination.

Systemanalys och design

En genomtänkt designprocedur anses vara det första viktiga steget till ett framgångsrikt synthesizerprojekt. I systemdesignen av en frekvenssynt, konstaterar Manassewitsch, finns det lika många "bästa" designprocedurer som det finns erfarna synthesizerdesigners. Systemanalys av en frekvenssyntes involverar utgående frekvensområde (eller frekvensbandbredd eller inställningsområde), frekvensökningar (eller upplösning eller frekvensjustering), frekvensstabilitet (eller fasstabilitet, jämför falska utsignaler), fasbrusprestanda (t.ex. spektral renhet) , kopplingstid (jämför inställningstid och stigtid ), och storlek, strömförbrukning och kostnad. James A. Crawford säger att detta är ömsesidigt motstridiga krav.

Inflytelserika tidiga böcker om frekvenssyntestekniker inkluderar de av Floyd M. Gardner (hans 1966 Phaselock-tekniker ) och av Venceslav F. Kroupa (hans 1973 Frequency Synthesis ).

Matematiska tekniker analoga med mekaniska utväxlingsförhållanden kan användas vid frekvenssyntes när frekvenssyntesfaktorn är ett förhållande mellan heltal. Denna metod möjliggör effektiv planering av distribution och undertryckande av spektrala utlöpare.

Variabel frekvens synthesizers, inklusive DDS , är rutinmässigt utformade med hjälp av Modulo-N aritmetik för att representera fas.

Principen för PLL-synthesizers

Se huvudartikel: Faslåst slinga

En faslåst slinga är ett återkopplingsstyrsystem. Den jämför faserna för två insignaler och producerar en felsignal som är proportionell mot skillnaden mellan deras faser. Felsignalen lågpassfiltreras sedan och används för att driva en spänningsstyrd oscillator (VCO) som skapar en utfrekvens. Utgångsfrekvensen matas genom en frekvensdelare tillbaka till systemets ingång, vilket ger en negativ återkopplingsslinga . Om utgångsfrekvensen driver kommer fasfelssignalen att öka, vilket driver frekvensen i motsatt riktning för att minska felet. Därmed är utgången låst till frekvensen vid den andra ingången. Denna andra ingång kallas referensen och härleds vanligtvis från en kristalloscillator, som är mycket stabil i frekvens. Blockdiagrammet nedan visar de grundläggande elementen och arrangemanget för en PLL- baserad frekvenssyntes.

Blockschema över en vanlig typ av PLL-syntes.

Nyckeln till förmågan hos en frekvenssyntes att generera flera frekvenser är avdelaren placerad mellan utgången och återkopplingsingången. Detta är vanligtvis i form av en digital räknare , där utsignalen fungerar som en klocksignal . Räknaren är förinställd på något initialt räknevärde och räknar ner vid varje cykel av klocksignalen. När den når noll ändrar räknarutgången tillstånd och räknevärdet laddas om. Denna krets är enkel att implementera med hjälp av vippor , och eftersom den är digital till sin natur är den mycket lätt att gränssnitta till andra digitala komponenter eller en mikroprocessor . Detta gör att frekvensutgången från synthesizern enkelt kan styras av ett digitalt system.

Exempel

Antag att referenssignalen är 100 kHz, och delaren kan förinställas till valfritt värde mellan 1 och 100. Felsignalen som alstras av komparatorn kommer bara att vara noll när utsignalen från delaren också är 100 kHz. För att detta ska vara fallet måste VCO:n köras med en frekvens som är 100 kHz x dividerarens värde. Således kommer den att producera en utsignal på 100 kHz för en räkning av 1, 200 kHz för en räkning av 2, 1 MHz för en räkning av 10 och så vidare. Observera att endast hela multiplar av referensfrekvensen kan erhållas med de enklaste heltals-N-delaren. Fraktionerade N-delare är lätt tillgängliga.

Praktiska överväganden

Philips TDA6651TT - 5 V mixer/oscillator och lågbrus PLL synthesizer för hybrid marksänd tuner

I praktiken kan denna typ av frekvenssyntes inte fungera över ett mycket brett frekvensområde, eftersom komparatorn kommer att ha en begränsad bandbredd och kan lida av aliasproblem . Detta skulle leda till falska låsningssituationer eller en oförmåga att låsa alls. Dessutom är det svårt att göra en högfrekvent VCO som fungerar över ett mycket brett område. Detta beror på flera faktorer, men den primära begränsningen är det begränsade kapacitansintervallet för varaktordioder . Men i de flesta system där en synthesizer används är vi inte ute efter ett enormt intervall, utan snarare ett ändligt antal över något definierat intervall, till exempel ett antal radiokanaler i ett specifikt band.

Många radioapplikationer kräver frekvenser som är högre än vad som kan matas in direkt till den digitala räknaren. För att övervinna detta kan hela räknaren konstrueras med hjälp av höghastighetslogik såsom ECL , eller mer vanligt, med användning av ett snabbt initialt divisionssteg som kallas en förskalare som reducerar frekvensen till en hanterbar nivå. Eftersom förskalaren är en del av det övergripande uppdelningsförhållandet, kan en fast förskalare orsaka problem med att designa ett system med smala kanalavstånd – som vanligtvis förekommer i radioapplikationer. Detta kan övervinnas med en förskalare med dubbla moduler .

Ytterligare praktiska aspekter gäller hur lång tid systemet kan växla från kanal till kanal, tid för låsning när det slås på första gången och hur mycket brus det finns i utgången. Alla dessa är en funktion av slingfiltret i systemet, vilket är ett lågpassfilter placerat mellan utgången från frekvenskomparatorn och ingången på VCO:n. Vanligtvis är utsignalen från en frekvenskomparator i form av korta felpulser, men ingången till VCO:n måste vara en jämn brusfri likspänning. (Allt brus på denna signal orsakar naturligtvis frekvensmodulering av VCO.) Tung filtrering gör att VCO:n reagerar långsamt på förändringar, vilket orsakar drift och långsam svarstid, men ljusfiltrering kommer att producera brus och andra problem med övertoner . Utformningen av filtret är alltså avgörande för systemets prestanda och i själva verket det huvudsakliga området som en designer kommer att koncentrera sig på när han bygger ett synthesizersystem.

Använd som frekvensmodulator

Många PLL-frekvenssyntes kan också generera frekvensmodulering (FM). Den modulerande signalen läggs till utgången från slingfiltret, varvid frekvensen för VCO och synthesizerutgången direkt varieras. Moduleringen kommer också att visas vid faskomparatorns utgång, reducerad i amplitud av valfri frekvensdelning. Eventuella spektrala komponenter i den modulerande signalen som är för låga för att blockeras av slingfiltret hamnar tillbaka vid VCO-ingången med motsatt polaritet mot den modulerande signalen, vilket eliminerar dem. (Slingan ser effektivt dessa komponenter som VCO-brus som ska spåras ut.) Modulationskomponenter ovanför slingfiltrets gränsfrekvens kan inte återgå till VCO-ingången så de stannar kvar i VCO-utgången. Detta enkla schema kan därför inte direkt hantera lågfrekventa (eller DC) moduleringssignaler, men detta är inte ett problem i de många AC-kopplade video- och audio FM-sändare som använder denna metod. Sådana signaler kan också placeras på en underbärvåg ovanför gränsfrekvensen för PLL-slingfiltret.

PLL-frekvenssynthesizers kan också moduleras vid låg frekvens och ner till DC genom att använda tvåpunktsmodulering för att övervinna ovanstående begränsning. Modulering appliceras på VCO som tidigare, men appliceras nu också digitalt till synthesizern i sympati med den analoga FM-signalen med hjälp av en snabb delta sigma ADC.

Se även

Banerjee, Dean (2006), PLL Performance, Simulation and Design Handbook (4:e upplagan), National Semiconductor , arkiverad från originalet 2008-11-21 , hämtad 2008-10-20 . Även PDF-version .
Crawford, James A. (1994), Frequency Synthesizer Design Handbook , Artech House, ISBN 0-89006-440-7
Egan, William F. (2000), Frequency Synthesis by Phase-lock (2nd ed.), John Wiley & Sons, ISBN 0-471-32104-4
Gardner, Floyd M. (1966), Phaselock Techniques , John Wiley and Sons
Kroupa, Venceslav F. (1999), Direct Digital Frequency Synthesizers , IEEE Press , ISBN 0-7803-3438-8
Kroupa, Venceslav F. (1973), Frequency Synthesis: Theory, Design & Applications , Griffin, ISBN 0-470-50855-8
Manassewitsch, Vadim (1987), Frequency Synthesizers: Theory and Design (3:e upplagan), John Wiley & Sons, ISBN 0-471-01116-9
Popiel-Gorski, Jerzy (1975), Frequency Synthesis: Techniques and Applications , IEEE Press, ISBN 0-87942-039-1
Owen, David (2001), Fractional-N Synthesizers , Microwave Journal
Xiu, Liming (2012), Nanometer Frequency Synthesis beyond Phase Locked Loop , augusti 2012, John Wiley IEEE press (IEEE Press Series on Microelectronic Systems), ISBN 978-1-118-16263-7 .
Xiu, Liming (2015), From Frequency to Time-Average-Frequency: A Paradigm Shift in the Design of Electronic system , maj 2015, John Wiley IEEE press (IEEE Press Series on Microelectronic Systems), ISBN 978-1-119-02732 -4 .

Vidare läsning

Ulrich L. Rohde "Digital PLL Frequency Synthesizers – Theory and Design", Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, januari 1983
Ulrich L. Rohde " Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design ", John Wiley & Sons, augusti 1997, ISBN 0-471-52019-5

externa länkar

Hewlett-Packard 5100A (avstämbar, 0,01 Hz-upplösning Direct Frequency Synthesizer introducerad 1964; för HP innebar direkt syntes att PLL inte användes, medan indirekt innebar att en PLL användes)
Hewlett-Packard (december 1965). Modell 5100A Synthesizer (PDF) . Drift- och servicemanual.
Hewlett-Packard (augusti 1965). Modell 5110A Synthesizer-drivrutin (PDF) . Drift- och servicemanual.
Frequency Synthesizer US Patent 3 555 446, Braymer, NB, (1971, 12 januari)
Oliver, Bernard M. (maj 1964). "Digital frekvenssyntes" (PDF) . Hewlett-Packard Journal . 15 (9): 1.
Van Duzer, Victor E. (maj 1964). "En 0-50 Mc Frequency Synthesizer med utmärkt stabilitet, snabb växling och fin upplösning" ( PDF) . Hewlett-Packard Journal . 15 (9): 1–6. . HP 5100A Direct synthesizer: kamgenerator; filtrera, blanda, dela. Givet 3.0bcd MHz, blanda med 24 MHz och filtrera för att få 27.0bcd MHz, blanda med 3.a MHz och filtrera för att få 30.abcd MHz; dividera med 10 och filtrera för att få 3.0abcd MHz; mata till nästa steg för att få ytterligare en siffra eller mixa upp till 360.abcd MHz och börja mixa och filtrera med andra frekvenser i stegen 1 MHz (30–39 MHz) och 10 MHz (350–390 MHz). Falska signaler är -90 dB (sid. 2).
Van Duzer, Victor E. (maj 1964). "Anmärkningar om tillämpningen av frekvenssynthesizers" (PDF) . Hewlett-Packard Journal . 15 (9): 7–8.
Cutler, Leonard S. (december 1963). "Undersökning av de atomära spektrallinjerna i ett cesiumstrålerör med HP Frequency Synthesizer" ( PDF) . Hewlett-Packard Journal . 15 (4).
Shanahan, John. C. (december 1971). "Att förena signalgenerering och signalsyntes: En samtidig lösning utarbetas för problemen med signalgenerering och signalanvändning. samtidigt som den optimerar både för bänk och automatisk användning" ( PDF) . Hewlett-Packard Journal . 23 (4): 2–13. . HP 8660A/B Multiloop PLL synthesizer.