Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза бесплатное чтение
![](/img/b/117120.jpg)
Частотный синтез на основе ФАПЧ
Обзор методов синтеза
Виталий Иванович Козлов
© Виталий Иванович Козлов, 2022
ISBN 978-5-0056-2904-3
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
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.
Введение
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
1.1. Простейшая однопетлевая структура
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.
![](/i/29/668229/image0_62277a43f6c3210700f6dfcb_jpg.jpeg)
Рис.1. Integer-N PLL синтезатор
Синтезатор содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), работающий в требуемом диапазоне частот сигнала. Он охвачен отрицательной обратной связью через ДПКД с управляемым коэффициентом деления N, содержит также фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). После ФНЧ может быть установлен также усилитель постоянного тока для получения необходимого размаха управляющего напряжения. На другой вход фазового детектора подаётся опорный сигнал, частота FФД которого равна требуемому шагу сетки частот. В фазовом детекторе формируется сигнал ошибки, который через фильтр нижних частот поступает в цепь управления ГУН, приводя его частоту Fc к равенству
FC=NFФД
Частота FФД, используемая для сравнения в фазовом детекторе, может быть получена путём деления в R раз частоты Fr опорного источника. Тогда выражение для частоты Fc на выходе синтезатора может быть записано в виде
FC=NFr/R.
В качестве примера положим, что требуется получить сетку частот с шагом 10 кГц в диапазоне частот Fc=700÷800 МГц при использовании опорной частоты Fr, равной Fr=10 МГц. Тогда следует выбрать коэффициент деления R, равным R=1000, чтобы частота сравнения FФД оказалась равной FФД=10 кГц. Понятно, что поставленная задача будет решена при выборе коэффициента N в диапазоне значений от 70000 до 80000.
Очевидным достоинством рассмотренной схемы является её исключительная простота. Однако имеются и весьма существенные недостатки. Помехи с выхода ФД модулируют ГУН, создавая боковые полосы дискретных помех в спектре сигнала. Для их подавления полоса пропускания ФНЧ должна быть по крайней мере на порядок меньше частоты сравнения FФД. Это существенно ограничивает быстродействие синтезатора.
Кроме того, есть и другая проблема со спектральной чистотой сигнала. Выражение для фазового шума на выходе синтезатора в пределах полосы пропускания ФАПЧ можно записать как
G=GФД+20lgN
где GФД составляет сумму шумов собственно фазового детектора и шумов опорного источника и делителей частоты на N и R, пересчитанные ко входу ФД. Соответственно шумовой спектр сигнала существенно ухудшается при желании получить мелкую сетку, увеличивая коэффициент N. Также при этом, из-за соответствующего сужения полосы пропускания ФАПЧ, слабо подавляются шумы ГУН, что даёт дополнительный вклад в деградацию спектра сигнала.
Названную проблему можно несколько смягчить, сделав коэффициент деления R так же, как и N, управляемым. Это позволяет получать сетку частот с более мелким шагом dF при частоте сравнения такого же порядка, как и в случае постоянства этих коэффициентов. Это можно показать с помощью Табл.1, в которую сведены значения R, FФД, N, dF и получаемой при этом частоты Fc.
![](/i/29/668229/image1_62285bb2f6c3210700f6dfce_jpg.jpeg)
Таблица 1
Как видно из таблицы, шаг сетки частот dF уменьшается на три порядка, но при этом диапазон возможных значений частоты Fc также сокращается до такой исключительно малой величины как всего лишь 5 кГц. Однако же не исключаются и такие уникальные случаи, в которых описанная идея может найти своё воплощение.
Вместе с тем диапазон частот Fc может быть получен и более широким, если выбирать значения коэффициента R не столь большими, как это показано в Табл.2. Там этот коэффициент уменьшен на порядок, благодаря чему диапазон частот Fc расширен также на порядок, до 50 кГц. Но при этом шаг сетки стал значительно крупнее по сравнению с предыдущим случаем, максимальное его значение стало равным 990 Гц, и всё же он оказался на порядок меньшим, чем в варианте с постоянным значением FФД=10 кГц. Кроме того, на порядок возросла частота сравнения в ФД и соответственно уменьшился коэффициент умножения помех, приведенных к его входу, что способствует улучшению как спектральной чистоты, так и быстродействия синтезатора.
![](/i/29/668229/image2_62285e81f6c3210700f6dfcf_jpg.jpeg)
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.
![](/i/29/668229/image3_622863c1f6c3210700f6dfd0_jpg.jpeg)
Рис.2. Схема со смесителем частоты в петле ФАПЧ
В соответствии с представленной схемой частотное образование выглядит как
.FC= (N/R+M) Fr.
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.
![](/i/29/668229/image4_62287617f6c3210700f6dfd3_jpg.jpeg)
Рис.3. Схема Толлефсона
Исходя из приведенной структуры синтезатора, частота на его выходе может быть вычислена по формуле
FC=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.
![](/i/29/668229/image5_622876d7f6c3210700f6dfd5_jpg.jpeg)
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
.
![](/i/29/668229/image6_62287e9ef6c3210700f6dfdd_jpg.jpeg)
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
Вторая строка иллюстрирует случай, когда c изменением коэффициента деления N2 получена фактически та же самая частота (разница в несколько тысячных долей герца), но при этом обеспечена значительная отстройка от случая IBS. Предпочтительные комбинации коэффициентов деления могут быть запрограммированы в виде справочной таблицы по аналогии с таблицей LUT в синтезаторе типа DDS.
1.6. Трёхпетлевая схема
Из более сложных структур синтезаторов частоты наибольшее распространение получила, пожалуй, трёхпетлевая схема, показанная на рисунке 6. В ней функционально можно выделить две петли – мелкой и крупной сеток частот и третью – суммирующую петлю. На рисунке наименования блоков петли мелкой сетки снабжены индексом «1», а крупной сетки – индексом «2». В петлях мелкой и крупной сеток используются делители частоты с управляемыми коэффициентами: ДПКД-1 c коэффициентом N1 и ДПКД-2 c коэффициентом N2 соответственно. Опорные частоты F01 и F02 (суть частоты сравнения в фазовых детекторах) соответственно петель мелкой и крупной сеток получаются от общего источника опорной частоты Fr с помощью ДФКД – делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления.
![](/i/29/668229/image7_622893acf6c3210700f6e01b_jpg.jpeg)
Рис.6. Трёхпетлевая схема синтезатора
Выход петли мелкой сетки завершается делителем частоты с фиксированным коэффициентом M, за счёт чего на 20lgM снижаются шумы сигнала FМС на входе последующего фазового детектора ФД суммирующей петли ФАПЧ. Параметры петли мелкой сетки выбираются таким образом, чтобы получить как можно меньший шаг dFМС=F01/M сетки при, по возможности, наибольшей частоте сравнения F01. Диапазон частот FМС, получаемый при этом, может быть небольшим, значительно меньшим требуемого диапазона частот FС на выходе синтезатора.
Во второй петле ФАПЧ формируется крупный шаг dFКС сетки, равный этому ограниченному диапазону FМС, то есть dFКС=FМС. Суммирование сеток, крупной и мелкой, происходит в суммирующей петле. Для этого в неё включен смеситель частоты СМ, в котором происходит вычитание частоты FКС из частоты Fc или наоборот. Результат вычитания фильтруется фильтром Ф, который может быть как полосовым, так и фильтром нижних частот. Сигнал разностной частоты с выхода фильтра поступает на второй вход фазового детектора для фазового сравнения с сигналом FМС. Таким образом, крупная сетка заполняется мелкой, и в итоге выражение для частоты FC на выходе синтезатора может быть записано как
FC=FКС±FМС=N2F02±N1F01/M
Генераторы, выходной (ГУН) и крупной сетки (ГУН-2) имеют практически одинаковый частотный диапазон перестройки, поскольку FС>> FМС, то есть диапазоны отличаются лишь на небольшую величину FМС. Поэтому необходимо тщательно их сопрягать по управляющим напряжениям, чтобы избежать «зеркальной» настройки выходного генератора.
В синтезаторах по такой структуре выходной уровень шума определяется в полосе суммирующего кольца генератором ГУН-2, а за полосой – выходным генератором ГУН.
В качестве примера положим, что требуется получить диапазон частот от 700 МГц до 1 ГГц с шагом dF=10 кГц. Тогда можно выбрать следующие параметры петель ФАПЧ: F01=F02=1 МГц; изменение коэффициента N1 – от 900 до 1000 через единицу; диапазон перестройки ГУН-1 от 900 МГц до 1 ГГц и M=100, то есть диапазон частот FМС на входе суммирующей петли равен FМС=9÷10 МГц с шагом 10 кГц; изменение коэффициента N2 второй петли – от 691 до 990 через единицу; диапазон перестройки генератора ГУН-2 – от 691 до 990 МГц с шагом 1 МГц.
Выбор такой довольно высокой частоты сравнения в фазовых детекторах, как 1 МГц, позволяет обеспечить в трёхпетлевом синтезаторе время переключения частоты порядка долей миллисекунд при высокой спектральной чистоте выходного сигнала.
Недостаток – очевидная сложность системы, необходимость тщательной проработки конструкции с экранированием отдельных узлов, чтобы избежать в спектре сигнала помех комбинационного характера.
1.7. Схема Сровера
Разновидностью трёхпетлевого синтезатора является вариант, предложенный Сровером [26]. Он показан на рисунке 7. В нём используются два синхронно управляемых делителя с одинаковыми коэффициентами деления при последовательном соединении петель ФАПЧ. В некоторых периодических изданиях эта схема получила название «близнецы».
![](/i/29/668229/image8_6228946ff6c3210700f6e01c_jpg.jpeg)
Рис.7. Схема Сровера
В первой петле представленной схемы формируется исходный шаг сетки частот, в третьей – крупная сетка с шагом Fr/M, вторая петля выполняет функцию суммирования, но в отличие от суммирующей петли предыдущей схемы здесь требования к петле значительно слабее, поскольку она выполняет сложение практически на одной частоте Fr. Наличие делителя с коэффициентом деления M и малая перестройка ГУН-2 снижают требования по шумам к генераторам первой и второй петель. Выходной уровень шума в этой схеме определяется, в первую очередь, генератором ГУН-3.
Согласно со структурой схемы выходная частота Fc синтезатора определяется выражением
FC= (N1F01+N2Fr) /M.
Аналогично предыдущей схеме данная структура позволяет выбирать повышенные частоты сравнения в петлях, что позволяет реализовать синтезатор с улучшенными характеристиками спектральной чистоты и быстродействия.
Недостатки трехпетлевых вариантов построения синтезаторов вполне очевидны:
– значительное увеличение габаритов, потребления электроэнергии и стоимости в сравнении с однопетлевым синтезатором;
– наличие трех высокочастотных генераторов является, как правило, причиной образования паразитных дискретных составляющих в спектре сигнала синтезатора, для устранения которых требуются дополнительные усилия схемно-конструктивного плана.
2. Комбинированные схемы
2.1. Схема QuickSyn
Идея частотного синтеза, предложенная Александром Ченакиным. раскрыта в его американском патенте [27] и описана в ряде публикаций, например [28÷30]. Здесь мы ограничимся лишь описанием упрощённой схемы, только чтобы пояснить саму идею, особо не углубляясь в подробности.
Схема показана на рисунке 8. Она представляет собой систему фазовой автоподстройки частоты, содержащую в своей основе, как обычно, фазовый детектор ФД, фильтр нижних частот ФНЧ и генератор, управляемый напряжением ГУН. Особенность синтезатора заключается в построении цепи обратной связи системы.
![](/i/29/668229/image9_62289538f6c3210700f6e01d_jpg.jpeg)
Рис.8. Схема QuickSyn
Эта цепь содержит два параллельных тракта, работающих последовательно во времени и образующих две петли ФАПЧ. При задании нового значения синтезируемой частоты, ключ переходит в соответствующее положение, чтобы сработала первая петля (та, в которой включён делитель частоты с переменным коэффициентом деления N) и привела частоту сигнала к заданному значению с точностью, достаточной для захвата частоты второй петлёй.
После этого включается в работу вторая петля. Она действует через многокаскадный преобразователь частоты в цепи обратной связи. Преобразователь частоты содержит последовательно включённые смесители частоты, в которых в результате взаимодействия с опорными частотами происходит смещение частоты сигнала вниз к частоте сравнения в ФД. Опорная частота для каждого последующего каскада понижается с помощью многокаскадного формирователя опорных частот, состоящего из набора делителей, умножителей и смесителей частоты. Этот блок работает от сравнительно высокочастотного опорного источника частоты Fr. Здесь, можно сказать, просматривается аналогия с обычным аналоговым синтезатором с той лишь разницей, что преобразование частоты происходит вниз, а не вверх. Выход последнего каскада формирователя опорных частот служит также опорой для обеих петель ФАПЧ.
Задача для преобразователя частоты – донести спектр управляемого генератора до ФД без деления частоты. Благодаря этому, не снижается усиление в этой петле, как это имеет место в предыдущей петле, и этим достигается высокая эффективность подавления собственных шумов управляемого генератора.
Важно отметить, что интермодуляционные продукты такого многоступенчатого преобразователя частоты являются гармониками частоты сравнения фазового детектора и могут быть легко подавлены фильтром ФАПЧ. Таким образом, предложенное архитектурное решение позволяет получить довольно низкие побочные составляющие (спуры) в сравнении с классическими схемами.
Однако отмеченное достоинство схемы реализуется лишь при достаточно крупной сетке частот, шаг которой равен частоте сравнения в ФД. При уменьшении шага сетки уменьшается и частота сравнения, сужается полоса петли и соответственно снижаются качество спектра сигнала и быстродействие синтезатора.
Описанную схему можно использовать как составную часть более сложной структуры, дополнительно включающей средства для заполнения крупной сетки более мелкой сеткой. Например, можно добавить ещё одну петлю ФАПЧ, чтобы просуммировать полученную крупную сетку с мелкой, образованной с помощью DDS синтезатора.. При этом, конечно, необходимо принять меры для обеспечения достаточно низкого уровня помех от DDS. К этим мерам можно отнести использование нескольких опорных частот при выборе диапазона DDS с относительно малым уровнем помех, скажем порядка -75 дБн, подъём этого диапазона вверх с последующим делением частоты, что соответственно даёт дополнительное улучшение спектра. Более простым вариантом может оказаться также реализация опорного сигнала Fr в относительно узкой полосе частот (достаточной для заполнения крупной сетки) с помощью дополнительной петли ФАПЧ.
В итоге общая структура синтезатора существенно усложняется. Она реализована на практике в линейке синтезаторов типа QuickSyn фирмы Phase Matrix, ныне в составе National Instruments (см. те же, приведенные выше ссылки на источники), где показала очень высокие характеристики спектральной чистоты. В модели QuickSyn Lite FSW-0010, обеспечивающей диапазон от 0,5 до 10 ГГц, «полка» шума на частоте сигнала порядка 10 ГГц в полосе ФАПЧ составляет около -120 дБн/Гц, а уровень дискретных компонентов менее -70 дБн и время переключения порядка десятков микросекунд. В следующей модели – FSW-0020 – диапазон частот расширен до 20 ГГц, и на её базе создан ряд синтезаторов миллиметрового диапазона, характеристики которых приведены в Табл.3. При этом во всех приведенных модификациях шаг сетки частот равен 1 Гц, паразитные спектральные составляющие не превышают -60 дБн и время переключения частоты не более 1 мс.
![](/i/29/668229/image10_62289695f6c3210700f6e01e_jpg.jpeg)
Таблица 3
Недостаток – сравнительно высокая сложность и, соответственно, – стоимость. Вместе с тем всё относительно. Если при этом учесть довольно высокое отношение качества к сложности и цене, то вряд ли это можно отнести к недостаткам. Более того, полученные характеристики спектральной чистоты и быстродействия – это не архитектурные ограничения в принципе, а конкретная и весьма упрощенная реализация. Эти характеристики могут быть значительно улучшены при более полном задействовании потенциальных возможностей данного метода синтеза.
2.2. Схема на серийных микросхемах
Конечно, не всем заказчикам нужны ультранизкие шумы и спуры, а также и экстра высокое быстродействие, что в сумме достигается, как правило, за счёт увеличения энергопотребления, габаритов и стоимости. Поэтому существует задача разработки такого прибора, в котором характеристики в первой названной группе требований могут быть несколько ослабленными, зато во второй – значительно ужесточены. Один из вариантов решения этой задачи представлен в работах [31÷33].
Предложенная схема синтезатора поясняется рисунком 9, который иллюстрирует пример получения из опорной частоты Fr=100МГц, умноженной в 20 раз, сигнала с частотой Fc в диапазоне от 25 до 6000 МГц.
![](/i/29/668229/image11_6228e9d114ebc2000666890f_jpg.jpeg)
Рис.9. Схема синтезатора на серийных микросхемах
Синтезатор состоит из двух последовательно включённых блоков – опорного и основного синтезаторов. Первый и из них обеспечивает частоту с малым шагом перестройки в сравнительно небольшом диапазоне, а второй – использует эту частоту в качестве опорной, расширяя диапазон перестройки синтезатора в целом до нескольких октав. Частотные преобразования, как и обозначения элементов на схеме, пояснений не требуют.
Собственно, это известный принцип построения синтезатора, который, в частности, использован и в QuickSyn (см. предыдущий раздел). Новизна состоит в удачном подборе микросхем для названных блоков.
Например, вместо DDS для получения мелкой сетки в опорном синтезаторе, как это имеет место в том же QuickSyn, здесь используется дробный делитель частоты с дельта-сигма модулятором. Для этого подходит, например, микросхема ADF4159 от Analog Devices. Это существенно экономит энергопотребление и габариты, так как делитель частоты находится в составе микросхемы (ФАПЧ-1), где содержатся и другие необходимые узлы: частотно-фазовый детектор, токовый ключ и др. Фактически, система потребляет столько, сколько она потребляла бы без прямого цифрового синтезатора (экономия порядка 0,5÷1 Вт). Уровень остальных характеристик не сильно уступает решению с DDS.
Так же и в блоке основного синтезатора могут быть использованы экономичные недорогие серийные микросхемы: HMC704 от Hittite (ФАПЧ-2) и MAX2870 от Maxim Integrated (ГУН-2 и ДЧ-2).
По описанной структуре в ЗАО НПФ «Микран» разработан портативный USB синтезатор PLG06 [34] со следующими основными характеристиками: диапазон выходных частот 25—6000 МГц с шагом 1 Гц; уровень фазовых шумов -122 дБн/Гц при отстройке 10 кГц от несущей 1 ГГц; уровень негармонических составляющих в спектре -70 дБн; уровень гармоник -30 дБн; время перестройки частоты 100 мкс.
Имеется режим аналоговой модуляции: АМ, ФМ, ЧМ, ИМ (внешний/внутренний источник) и режим сканирования.
Прибор, обладая функциональными возможностями классических лабораторных генераторов, потребляет всего 2,5 Вт, питается и управляется через один провод USB 2.0. Габариты прибора всего лишь 125х65х25 мм.
2.3. DDS в петле ФАПЧ
Идею использования DDS в петле ФАПЧ для формирования сетки частот рассмотрим на примере генератора SG8-HP01M фирмы ООО Адвантех, Москва [36]. Схема генератора показана на рисунке 10.
![](/i/29/668229/image12_6228b2ea14ebc2000666761b_jpg.jpeg)
Рис.10. Пример синтезатора с DDS в петле ФАПЧ
DDS в этой схеме выполняет роль делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Он тактируется поделённой в 8 раз частотой в октавном диапазоне 4÷8 ГГц, поступающей от ГУН. Коэффициент деления DDS, как делителя частоты, также перестраивается в октавном диапазоне в соответствии с октавным частотным диапазоном 0,5÷1 ГГц на его входе. Таким образом, частота на выходе DDS остаётся постоянной и равной опорной частоте Fr (при наличии синхронизма в петле).
Верхний, наиболее крупный, октавный диапазон получается непосредственно на выходе ГУН, а остальные, более мелкие, – после деления верхнего диапазона двоичными делителями частоты, как это будет рассмотрено в разделе 2.5.
Очевидное достоинство схемы, как и любой другой однопетлевой структуры, состоит в простоте её реализации. Недостаток – довольно высокий уровень негармонических составляющих в спектре сигнала, происходящих из DDS.. При постоянном значении опорной частоты Fr он достигает -50 дБн в полосе отстроек от сигнала 2 МГц. Этот уровень можно снизить на 10 дБ путём использования двух опорных частот, переключаемых автоматически по встроенной программе.
В рассматриваемом генераторе уровень фазовых шумов составляет -120 дБн на частоте сигнала 1 ГГц при отстройке на 10 кГц и время переключения частот – порядка 4 мс. Полученные характеристики можно считать достаточными, чтобы данный отечественный прибор мог составить конкуренцию зарубежным аналогам.
2.4. Схема Садовского
Идея, предложенная автором, отличается особым способом построением ДДПКД в петле ФАПЧ [37]. Схема синтезатора частоты, в которой используется эта идея, показана на рисунке 11.
![](/i/29/668229/image13_6228ba0ef6c3210700f6e069_jpg.jpeg)
Рис.11. Схема Садовского
Дробный делитель частоты представлен в ней двумя делителями с целочисленными коэффициентами K и L и смесителем частоты СМ с фильтром Ф на его выходе. Результирующий коэффициент деления для такой структуры равен
N=KL/ (K±L)
.где К больше L.
Достоинство идеи состоит в том, что такой делитель частоты, обладая свойствами дробного деления, не имеет на своём выходе помех дробности. Это можно показать на примере.
Положим, что при опорной частоте Fr=10 МГц требуется получить частоту Fc=119 МГц на выходе ГУН, включенного в петлю ФАПЧ. При этом необходимо иметь коэффициент деления в петле равный N=11,9. Его можно обеспечить, задав следующие значения коэффициентов деления: K=17 и L=7. Тогда частоты на входах смесителя СМ окажутся равными соответственно FK=119/17=7 МГц и FL=119/7=17 МГц, а их разность на выходе смесителя составит 10 МГц, которая и используется для сравнения с опорой частотой 10 МГц в фазовом детекторе ФД.
Если же использовать суммирование частот FK и FL при тех же коэффициентах деления 17 и 7, то получится результирующий коэффициент деления
N= (17×7) / (17+7) =4.9583 (3)
и соответствующая ему частота равна Fc=49,583 (3) МГц. При этом частоты на выходах соответствующих делителей равны FK=2,916 (6) МГц и FL=7,083 (3) МГц, а их сумма равна 10 МГц, которая, как и в предыдущем случае, используется для сравнения в фазовом детекторе.
Недостатком рассмотренной структуры является необходимость включения фильтра Ф, чтобы избавиться от комбинаций типа +/-nFK+/-mFL. Это существенно ограничивает возможности широкого выбора коэффициентов K и L. Кроме того, стремление обеспечить высокое разрешение по частоте приводит к необходимости соответствующего увеличения этих коэффициентов и сужения полосы пропускания фильтра, что – и то и другое – соответственно снижает быстродействие синтезатора. К недостаткам можно также отнести и относительно сложный алгоритм выбора требуемой частоты сигнала. Для каждых конкретных требований к диапазону частот синтезатора, шагу сетки частот и быстродействию необходима таблица с предварительно рассчитанными значениями коэффициентов K и L.
Однако, благодаря бесспорным достоинствам схемы по сравнению со схемами, использующими как целочисленные, так дробные коэффициенты деления, данная схема могла бы найти практическое применение, хотя и ограниченное отмеченными недостатками. Более обстоятельно схема проанализирована в работе [38].
2.5. Расширение диапазона частот
Понятно, что пределы перестройки ГУН ограничены, и в первую очередь из-за необходимости обеспечения допустимого уровня шума. Генераторы с перекрытием по частоте более октавы практически не применяются. Расширить диапазон частот синтезатора можно, используя набор из нескольких коммутируемых генераторов. Однако это довольно сложно и дорого. Но если уже получен октавный диапазон, то далее можно расширять диапазон частот синтезатора вниз по частоте достаточно простым способом, как это показано на рисунке 12.
![](/i/29/668229/image14_622cc2e8f6c3210700f6e191_jpg.jpeg)
Рис.12. Схема расширения диапазона частот Fc
На рисунке показан пример получения диапазона частот Fc=FС0/2, где FС0 – исходный октавный диапазон. Чтобы избежать попадания в спектр сигнала Fc её субгармоник, последующие делители частоты, после используемых, отключаются. В качестве делителей частоты целесообразно использовать триггеры с выходным напряжением в виде меандра, не содержащим второй гармоники. Поэтому синусоидальный сигнал на выходе Fc может быть получен с помощью довольно простых фильтров нижних частот октавного диапазона.
Данный способ расширения диапазона частот широко используется на практике [39], в частности в разработках фирм Phase Matrix / NI, США, (FSW-0010), Stanford Research Systems, США (7SG392, 7SG394, 7SG396), AnaPico Inc, Швейцария (APSIN6010), Advantex, Москва (SG8), Микран, Томск (PLG06) и некоторых других фирм.
3. Схемы с дробным делителем частоты и компенсацией помех дробности и другие схемы
Перейдём далее к рассмотрению однопетлевых структур с дробным делителем частоты и различными вариантами схем для компенсации помех дробности.
3.1. Схема Бреймера-Джиллета
Один из таких вариантов представлен на рисунке 13. Если в общих чертах, то она почти одновременно запатентована авторами Бреймером и Джиллетом [40, 41]. Правда, в описаниях к их патентам много внимания уделено построению оригинальных схем ДДПКД, хотя это не касается самого принципа компенсации помех дробности и потому не отражено на приведенном рисунке.
![](/i/29/668229/image15_622cc35af6c3210700f6e192_jpg.jpeg)
Рис.13. Схема Бреймера-Джиллета
ДДПКД представлен в виде целочисленной части с коэффициентом деления N0 и дробной части, выполненной на аккумуляторе (накапливающем сумматоре). Импульс переполнения последнего передаётся в целочисленную часть, и общий коэффициент деления увеличивается при этом на единицу, из-за чего и возникает помеха дробности.
Для её компенсации используется ЦАП, с помощью которого формируется сигнал – копия помехи, продетектированной в ФД. В сумматоре напряжения с выходов ЦАП и ФД складываются в противофазе, благодаря чему помеха дробности подавляется.
Понятно, что степень подавления помехи зависит от точности ЦАП и от точности сумматора, и эти точности, естественно, ограничены. Поэтому если ёмкость аккумулятора довольно большая (чтобы получить достаточно мелкий шаг сетки частот), нет смысла брать ЦАП той же ёмкости, её ограничивают 12÷14 разрядами, подключаемым к соответствующим старшим разрядам аккумулятора.
3.2. Вариант с интегратором
Другой вариант [42] схемы компенсации помехи дробности показан на рисунке 14. В нём используются, в основном, те же блоки, что и в предыдущей схеме. Добавлен только интегратор, а ЦАП предназначен для другой цели.
![](/i/29/668229/image16_622cc392f6c3210700f6e193_jpg.jpeg)
Рис.14. Вариант схемы с интегратором
Каждое переполнение аккумулятора вызывает скачёк частоты на выходе делителя частоты. Чтобы его скомпенсировать, необходимо создать сигнал, соответствующий получаемому при этом отклонению фазы, и сложить его в противофазе с напряжением на выходе фазового детектора. Для этого и служит интегратор. Он может быть выполнен на базе операционного усилителя.
Требуемый уровень компенсирующего сигнала обратно пропорционален коэффициенту деления. Поэтому при достаточно большом частотном перекрытии синтезатора, и, следовательно, широком диапазоне изменений коэффициента деления, необходимо управлять коэффициентом передачи интегратора, для чего и служит ЦАП. Он может быть использован в качестве источника для питания интегратора, чтобы напряжение на его выходе контролировалось управляющим кодом. В предыдущей схеме такая возможность отсутствовала. Но и там можно ввести дополнительный ЦАП, питающий уже имеющийся (который должен быть умножающего типа) и подключенный к управляющей шине.
3.3. Схема Кокса
По своей структуре схему Кокса [43] можно отнести к прямым цифровым синтезаторам с некоторыми особенностями. Сигнал в ней получается делением опорной частоты в переменное дробное число раз с последующей компенсацией помех дробности путём программируемого временного сдвига сигнала на выходе схемы.
Схема представлена на рисунке 15. Она содержит программирующее устройство для задания целочисленной и дробной частей коэффициента N, поглощающий счётчик (обозначен на схеме как: N), аккумулятор для формирования дробной части коэффициента деления и генератор задержек, управляемый цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Поглощающий счётчик тактируется импульсами опорной частоты Fr, а аккумулятор – сигнальными импульсами частоты Fc. Поглощающий счётчик вместе с аккумулятором образуют, в целом, схему ДДПКД.
![](/i/29/668229/image17_622cc3b9f6c3210700f6e194_jpg.jpeg)
Рис.15. Схема Кокса
Работу схемы можно рассмотреть на конкретном примере. Положим, что при опорной частоте, равной Fr=100 МГц, требуется получить частоту сигнала Fc=30 МГц. Это значит, что при некотором разрешении по частоте импульс на выходе синтезатора должен появляться через каждые 3,3333 периодов опорных импульсов. Для этого целочисленная часть коэффициента деления N устанавливается равной N0=3, а для обеспечения дробной части этого коэффициента, число на входе аккумулятора равно 3333 при его ёмкости, равной 10000. Понятно, что при этом искомая частота 30 МГц будет получена с погрешностью 300 Гц. Положим также, что поглощающий счётчик и аккумулятор оба включаются в работу при нулевых начальных условиях.
Поглощающий счётчик устроен таким образом, что импульсом переполнения аккумулятора один опорный импульс с его входа вычёркивается.
Первые три опорных импульса беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая первый сигнальный импульс, который и далее беспрепятственно проходит через генератор задержек на выход схемы. Это потому, что, во-первых, импульс переполнения аккумулятора отсутствует, а во-вторых, содержимое аккумулятора, как и ЦАП, равно нулю и, следовательно, генератор задержек не создаёт временного сдвига для этого импульса. Данный импульс, воздействуя на аккумулятор, меняет его содержимое с нуля до 3333.
Следующие 3 опорных импульса также беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая на его выходе второй сигнальный импульс. Однако далее этот импульс проходит на выход схемы с задержкой на 0,3333 периода Tr опорных импульсов, которая создаётся генератором задержек под воздействием сигнала с выхода ЦАП. Этот сигнальный импульс увеличивает содержимое аккумулятора до значения 6666.
После трёх последующих импульсов Fr получается третий сигнальный импульс на выходе поглощающего счётчика, который проходит на выход схемы с задержкой 0,6666Tr в соответствии с новым значением содержимого аккумулятора. Аналогичным образом формируется четвёртый сигнальный импульс с задержкой 0,9999Tr.
На пятом сигнальном импульсе аккумулятор переполняется, его содержимое сбрасывается до значения 3332, а его импульсом переполнения вычёркивается один импульс Fr на входе поглощающего счётчика. И далее схема действует по описанному алгоритму, выравнивая, с помощью генератора задержек, расстановку сигнальных импульсов во времени, чтобы сделать процесс периодическим, то есть исключить помеху дробности.
Один из возможных вариантов схемы генератора задержек показан на рисунке 16. При отсутствии импульса с выхода ДДПКД ключ замкнут, что предотвращает заряд конденсатора C от источника тока.
![](/i/29/668229/image18_622cc3f5f6c3210700f6e195_jpg.jpeg)
Рис.16. Схема генератора задержек
В то же время триггер находится в состоянии «0». С появлением упомянутого импульса ключ размыкается, и источник тока заряжает конденсатор C по линейному закону. Напряжение с конденсатора сравнивается в компараторе с напряжением на выходе ЦАП, и при их равенстве возникает импульс на выходе компаратора, который переводит триггер в состояние «1». Временной интервал между импульсами с выходов ДДПКД и триггера является линейной функцией напряжения с выхода ЦАП. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы максимальное напряжение с выхода ЦАП соответствовало задержке, равной одному периоду импульсов опорной частоты Fr.
По эффективности действия рассмотренные выше схемы примерно эквивалентны. Из-за относительно невысокой точности цифро-аналогового преобразования, суммирования и аналогового интегрирования в них не удаётся достичь высокой спектральной чистоты сигнала, чем и ограничивается область их использования.
3.4. Схема Ундервуда
Схема представлена на рисунке 17 [44]. В качестве ДДПКД в ней используется накапливающий сумматор (аккумулятор) для деления опорной частоты Fr с коэффициентом N=Q/A, где Q – ёмкость аккумулятора, а A – накапливаемое им число, содержащееся в управляющем коде N. Импульсы переполнения аккумулятора поступают на один из входов фазового детектора ФД, являясь, таким образом, «опорой» для петли ФАПЧ, формирующей частоту Fc сигнала. Другой вход ФД подключен к выходу ГУН.
![](/i/29/668229/image19_622b4ee614ebc20006673d90_jpg.jpeg)
Рис.17. Схема Ундервуда
В итоге, частота сигнала Fc равна средней частоте импульсов на выходе аккумулятора, то есть
Fc=Fr/N=AFr/Q.
Для компенсации помех дробности здесь используется ЦАП. В нём остатки от переполнения аккумулятора преобразовываются к аналоговому виду, и этот процесс складывается в сумматоре в противофазе и с соответствующим весом с выходным сигналом фазового детектора, благодаря чему помеха дробности устраняется. Фильтр ФНЧ служит для подавления компонентов с частотой Fc и их гармоник, а также остатков высокочастотных составляющих помехи дробности.
Уровень помех дробности на выходе синтезатора зависит как от точности ЦАП, так и от точности суммирования сигналов в сумматоре. Правда, весовые соотношения складываемых сигналов постоянны, и это облегчает достижение более высокого уровня компенсации, чем в схеме Бреймера-Джиллета и в схеме с интегратором, рассмотренных выше.
Также важно заметить, что частота Fc сигнала ниже опорной частоты Fr. Чтобы поднять частотный диапазон сигнала вверх, можно дополнительно включить делитель частоты в сигнальный тракт. Если его коэффициент деления равен M, то получим частоту сигнала Fc, равную
Fc=Fr/N=AMFr/Q.
Но при этом, естественно, помехи дробности в спектре сигнала возрастут на 20lgM дБ.
Возможен и такой вариант, когда аккумулятор в роли ДДПКД, включен в сигнальный тракт. Но тогда потребуются средства для управления весовыми соотношениями в сумматоре, как это имело место в схеме с интегратором и в схеме Бреймера-Джиллета. Это неизбежно приведёт к снижению суммарной точности компенсации, то есть к ухудшению спектральной чистоты сигнала.
3.5. Вариант с импульсным ФД типа «выборка-хранение»
Схема варианта представлена на рисунке 18 [45]. Она содержит последовательно включенные аккумулятор, ЦАП, фильтр нижних частот и импульсный детектор типа «выборка-хранение» Её работа поясняется с помощью рисунка 19.
![](/i/29/668229/image20_622b500cf64164000760e9e2_jpg.jpeg)
Рис.18. Вариант с ФД типа «выборка-хранение»
![](/i/29/668229/image21_622b50cef64164000760ea47_jpg.jpeg)
Рис.19. Временные диаграммы, поясняющие работу детектора на рисунке 18.
Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. В качестве примера, он содержит 4 двоичных разряда, и код на его входе равен R=5. Импульсный, ступенчатый процесс в аккумуляторе и, соответственно, пропорциональное ему напряжение на выходе ЦАП включают в себя две пилообразные компоненты: непериодическую G и периодическую H с опорной частотой Fr. Высокочастотная компонента H подавляется фильтром нижних частот, а низкочастотная компонента G проходит на аналоговый вход детектора типа «выборка-хранение».
На импульсный вход детектора подаются импульсы сигнальной частоты Fc, производящие выборки из компоненты G. Эта компонента обладает тем свойством, что при состоянии синхронизма в петле ФАПЧ, значение выборок, от импульса к импульсу, остаётся постоянным, и таким образом формируется напряжение EС для управления частотой ГУН.
При своей относительной простоте, схема имеет существенный недостаток. Выделить компоненту G с желаемой точностью можно лишь при значительном отношении частот Fr/Fc, чтобы в нужной степени подавить компоненту H, не внося существенных искажений в компоненту G. В противном случае уровень помех дробности в спектре сигнала может оказаться недопустимо высоким. Поэтому схема может быть использована в диапазоне довольно низких частот сигнала, когда пилообразная компонента G не искажается фильтром нижних частот в верхней части его частотного диапазона.
Нетрудно заметить, что эту схему можно использовать и как синтезатор прямого типа. Если после фильтра включить пороговый элемент, то на его выходе получим импульсы синтезируемой частоты Fc=RFr/Q с шагом сетки частот, равным dF=Fr/Q, где Q – ёмкость аккумулятора. При этом отмеченный выше недостаток остаётся в силе.
3.6. Схема Никифорова
Недостаток предыдущего варианта устраняется в схеме, предложенной Никифоровым В. И. [46; 47] и показанной на рисунке 20.
![](/i/29/668229/image22_622b52ea54daac0006e4fc7f_jpg.jpeg)
Рис.20 Схема Никифорова
Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 21.
![](/i/29/668229/image23_62342e25f64164000763a335_jpg.jpeg)
Рис.21. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 20
Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. Чтобы избежать излишней сложности в описании работы схемы, здесь выбраны небольшие значения как его ёмкости Q=16 так и накапливаемого им числа R=3. Импульс переполнения аккумулятора поступает на формирователь импульсов, синхронизируемый частотой Fr. Цифровая последовательность с выхода аккумулятора подаётся на один из входов мультиплексора, а на другой вход последнего – код R.
Мультиплексор переключается импульсом с одного из выходов формирователя импульсов таким образом, что на выходе мультиплексора с каждым переполнением аккумулятора чередуются код R и остаток H в аккумуляторе как результат его переполнения. При этом время действия остатка удваивается относительно периода T1=1/Fr. Далее цифровая последовательность с выхода мультиплексора преобразовывается ЦАП в аналоговый эквивалент и поступает на интегрирующее звено, которое может быть выполнено на основе операционного усилителя. Элемент разряда служит для сброса заряда в интегрирующем звене во время переполнения аккумулятора. Для этого используется управляющий импульс с другого выхода формирователя импульсов. Длительность этого импульса равна T2=2/Fr. За это время интегрирующее звено должно быть полностью очищенным от заряда.
На диаграммах рисунка 21 показано: A) – процесс в аккумуляторе; B) – импульс управления разрядом интегрирующего звена; C) – импульс управления мультиплексором; D) – текущие значения кода на выходе мультиплексора и пропорциональные им аналоговые величины на выходе ЦАП; E) – напряжение на выходе интегрирующего звена.
Следует обратить внимание на характерные особенности диаграммы E в моменты времени, отмеченные пронумерованными точками на оси абсцисс. Точка 0 – интегрирующее звено полностью разряжено. Точка 1 – мультиплексор включил на входе ЦАП число R=3, и на интервале времени до точки 2 звено заряжается по линейному закону со скоростью, определяемой эквивалентом этого числа на выходе ЦАП. Точка 2 – аккумулятор переполнился; импульс «B» сбросил заряд интегрирующего звена; импульс «C» включил через мультиплексор остаток от переполнения аккумулятора. Точка 3 – интегрирующее звено заряжается со скоростью, пропорциональной преобразованной в ЦАП величине остатка H=2. Точка 4 – снова включен код R=3, и интегрирующее звено в течение интервала до точки 5 заряжается с соответствующей, упомянутой выше, скоростью. От точки 5 до точки 6 повторяются операции как они были на интервале 2÷3 (от точки 2 до точки 3). Точка 6 – остаток изменился на H=1, и на интервале 6÷7 скорость заряда интегрирующего звена уменьшилась в 2 раза по сравнению с интервалом 3÷4. На интервале 7÷8 заряд интегрирующего звена снова происходит в соответствии с кодом R=3, и далее процесс повторяется.
Как показано на рисунке 21, если брать выборки функции E через некоторые одинаковые интервалы времени TС в области значений функции от Umin до Umax, где она строго линейна, то значения Ec выборок оказываются неизменными. Umin – это значение функции, соответствующее точке 4, то есть когда остаток и накопленный в интегрирующем звене заряд во время действия этого остатка минимальны. Umax – это значение функции, соответствующее точке 8, то есть когда её максимальное значение на интервале от переполнения аккумулятора до его очередного переполнения максимально среди всех возможных случаев для выбранных параметров R и Q.
Период упомянутых выборок равен Tc=QTr/R, то есть их частота равна RFr/Q. Благодаря этому, если сигнал с выхода интегрирующего звена подать на аналоговый вход импульсно-фазового детектора типа «выборка-хранение», а другой его вход подключить к импульсному выходу ГУН, включенному в петлю ФАПЧ (для этого используется выход 1 на рисунке 20), то его частота Fc будет приведена, с помощью управляющего напряжения EC, в соответствие с опорной частотой через полученное выше соотношение частот. Шаг сетки частот при этом равен dF=Fr/Q. Рабочая область статической характеристики ФД, простирающаяся от Umin до Umax, достаточно широкая для успешной работы системы ФАПЧ.
Понятно, что в случае реального интегратора, из-за его несовершенства, возникает искажение процесса Е на его выходе, что приводит к появлению помех дробности, обязанных взаимной некратности чисел R и Q. О величине этих помех будет сказано ниже.
В принципе, входы частот Fr и Fc на рисунке 20 можно поменять местами, чтобы получить на выходе системы ФАПЧ более высокую частоту в соответствии с выражением Fc=QFr/R. Однако при этом надо учитывать, что в этом случае интегрирующее звено оказывается включенным в петлю ФАПЧ, и, обладая задержкой сигнала, может ухудшить устойчивость системы.
Если в рассмотренной схеме используется импульсно-фазовый детектор типа выборка-хранение, то объективных причин для включения в систему ФАПЧ фильтра нижних частот нет. Его можно использовать лишь для подавления компонентов с частотами Fc и Fr, просачивающихся через ФД, но эти частоты достаточно высокие, ФНЧ может быть широкополосным, а ФАПЧ – с высоким быстродействием.
В другом возможном варианте применения описанной схемы она может использоваться как прямой синтезатор частоты импульсных сигналов. Для этого сигнал с выхода интегрирующего звена поступает на выход 2 (на рисунке 20) через пороговый элемент. В этом случае частота импульсов на выходе схемы равна Fc=RFr/Q и шаг сетки частот равен dF=Fr/Q.
Ёмкость Q аккумулятора и число R на его входе оба могут быть переменными, что расширяет возможности в получении мелкого шага сетки частот.
Ещё одной важной и положительной особенностью рассмотренной схемы является то, что ЦАП работает в значительно более узком диапазоне значений кодов, чем во многих других системах, включая, например, DDS. Хотя процесс в аккумуляторе происходит в пределах его ёмкости Q, но полная шкала напряжений на выходе ЦАП соответствует числу R, которое значительно меньше числа Q. Это снижает требования к точности ЦАП или же, с другой стороны, соответственно повышает его эффективность в подавлении помех дробности.
В средине 1980-х годов схема была внедрена в серийно выпускаемом изделии бывшего СССР в качестве формирователя местной несущей и тонального гетеродина. Была использована отечественная элементная база. При тактовой, опорной частоте Fr=625 кГц в тональном гетеродине обеспечивался диапазон частот от 118 до 156 кГц с шагом сетки 10 Гц и уровнем помех дробности на выходе не хуже -70 дБн. В принципе, шаг сетки мог быть получен сколь угодно малым при том же уровне помех, но такая задача не ставилась. Если экстраполировать этот результат на современный уровень мировой интегральной технологии, то можно ожидать неплохих перспектив использования описанной схемы, вплоть до её способности конкурировать, в некоторых сферах применения, с синтезаторами типа DDS.
3.7. Синтезатор Frac-N-Syn
Отмеченные недостатки рассмотренных выше схем компенсации помех дробности устраняются, в значительной мере, в схеме, представленной на рисунке 22 [48÷50].
![](/i/29/668229/image24_622c48df54daac0006e532ed_jpg.jpeg)
Рис.22. Схема синтезатоа Frac-N-Syn
Работа схемы поясняется с помощью диаграмм на рисунке 23.
Делитель частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД) представлен здесь делителем частоты ДЧ, тактируемым опорной частотой Fr, и Аккумулятором, тактируемым частотой с выхода ДЧ. Коэффициент деления частоты в ДДПКД равен N=N0-n, где N0 и n – соответственно целочисленная и дробная части коэффициента деления. В качестве примера выбрано значение N=3—1/4. Важно отметить, что в выражении для N вместо «плюс n’, как это обычно используется для дробного делителя, здесь присутствует «минус n’.
Дробь в коэффициенте деления формируется с помощью аккумулятора. Для получения значения n=1/4 ёмкость Q аккумулятора равна Q=4. При переполнении аккумулятора коэффициент N уменьшается на единицу, чем и обеспечивается его дробное значение.
Блок вычислителя, который определяет значение А в дроби N=A/Q является арифметическим устройством. Частота его тактирования принципиальной роли не играет и потому на рисунке не показана. Имея на своих входах коды N0, n и Q, этот блок вычисляет значение А. В приведенном примере N=11/4, то есть A=11. Числитель А этой дроби пропорционален опорной частоте Fr, а знаменатель – частоте Fc сигнала, получаемой в петле ФАПЧ.
По диаграммам рисунка 23 можно проследить, как образуется сигнал EС для управления частотой ГУН в петле ФАПЧ.
![](/i/29/668229/image25_623f5326f6c3210700f6eaa3_jpg.jpeg)
Рис.23. Диаграммы, поясняющие работу схемы
В Регистре задержки цифровой процесс n (t) с выхода аккумулятора сдвигается по времени на один такт Tr импульсов Fr и в сумматоре к нему прибавляется значение А, в результате чего образуется процесс n (t+Tr) +A. Далее в Мультиплексоре, управляемом RS-триггером, чередуются значения n (t) и n (t+Tr) +A. RS-триггер срабатывает от импульсов сигнальной частоты Fc и импульсов с выхода ДЧ, частота Fr’ которых в среднем равна частоте Fc, Процесс в мультиплексоре записывается в Регистр памяти, тактируемый суммой импульсов Fc и Fr’, получаемой в элементе ИЛИ. С выхода регистра памяти цифровой процесс поступает на цифроаналоговый преобразователь ЦАП, в котором преобразовывается в аналоговый эквивалент. Фильтр ФНЧ на выходе ЦАП выделяет постоянную составляющую EС для управления частотой ГУН, включенного в петлю ФАПЧ.
Для пояснения механизма компенсации помех дробности, внизу рисунка 23 приведена таблица, в которой обозначено (в условных единицах): T – длительности импульсов большего и меньшего уровней; А – высота импульсов большего и меньшего уровней; S – площади импульсов большего и меньшего уровней; 2S – сумма площадей двух соседних импульсов большего и меньшего уровней. Из таблицы следует, что площадь 2S на каждом периоде Tc сигнала остаётся постоянной, что является предпосылкой для эффективного подавления помех дробности. Строго говоря, последовательность импульсов, представленная их площадями, не является в точности периодической, но приближается к ней с увеличением длительности этой последовательности.
В Табл. 4 приведены расчёты спектров помех дробности на выходе ЦАП (то есть на выходе схемы рисунка 22), нормированные относительно ёмкости ЦАП. Это сделано для коэффициентов N, равных 3—1/16; 3—1/32 и 3—1/64. При этом количество q разрядов ЦАП равно соответственно 6; 7 и 8. Выбранные коэффициенты характерны тем, что код на входе аккумулятора имеет вид 00..01, и потому первая гармоника помехи дробности, как правило, наибольшая по уровню относительно других гармоник, всегда находится в полосе ФАПЧ и фактически по ней можно судить об эффективности работы схемы. В таблице приведены расчёты как для идеального ЦАП, не имеющего погрешностей, так и для «реального», под которым подразумевается ЦАП c погрешностью в самом старшем разряде (MSB), равной величине самого младшего разряда (-1 LSB).
![](/i/29/668229/image26_622c4a7c54daac0006e53357_jpg.jpeg)
Таблица 4
Вычисление спектров при разрядности ЦАП, превышающей число 8, затруднительно. Однако же из таблицы просматривается простая тенденция снижения уровня помех на 6 дБ с каждым увеличением разрядности ЦАП на единицу. Поэтому, как пример, в таблице показан возможный уровень помех при использовании 12-разрядного ЦАП.
Фактически схема на рисунке 22 представляет собой фазовый детектор с крутизной статической характеристики, равной K=U/2π, где U – полная шкала напряжения на выходе ЦАП. При включении этой схемы в петлю ФАПЧ, помехи дробности на выходе синтезатора распределяются на две боковые полосы, в которых их уровень оказывается на 20lgπ=10 dB большим, чем это показано в Таблице 4.
Для краткости синтезатор с таким ФД в петле ФАПЧ назовём как Frac-N-Syn. В другом варианте использования данной схемы входы Fr и Fc можно поменять местами, и тогда делитель частоты с коэффициентом N окажется включенным в петлю ФАПЧ.
Как было сказано выше, в Табл. 4 приведены худшие случаи кода n, когда он имеет вид n=00…01. В других возможных случаях, уровень помех дробности может оказаться намного меньшим. К примеру, в Табл. 5 показан уровень помех дробности при коде n=010…01. В этом случае помехи уменьшаются на порядок.
![](/i/29/668229/image27_622c4b0e54daac0006e5337b_jpg.jpeg)
Таблица 5
Это обстоятельство приводит к идеи использования предпочтительных кодов. Если в один их трактов, опорный или сигнальный, добавить делитель частоты с коэффициентом деления N1, то можно получить практически одну и ту же частоту сигнала Fc при различных комбинациях коэффициентов N1 и N. Среди этих комбинаций можно выбрать наиболее удачную с точки зрения минимального уровня помех дробности.
На рисунке 24 показан пример функциональной схемы, когда дополнительный делитель с коэффициентом N1 включен в сигнальном тракте синтезатора. В принципе, по своей структуре, он может быть аналогичным делителю с дробным коэффициентом N (на рисунке 22), но при этом нет необходимости иметь в нём большую ёмкость аккумулятора, её можно ограничить, например, всего пятью разрядами. Тогда помехи дробности, создаваемые этим делителем, окажутся достаточно высокочастотными, чтобы быть успешно отфильтрованными петлёй ФАПЧ. Для облегчения подавления этих помех можно также использовать одну из схем компенсации, рассмотренных выше, например, схему Кокса.
![](/i/29/668229/image28_622c4ba814ebc20006677679_jpg.jpeg)
Рис.24. Функциональная схема синтезатора частоты
Суммарный дробный коэффициент умножения NS опорной частоты, образуемый коэффициентами N и N1 оказывается равным отношению N1/N, что составляет значения от 2/3 до 3/2. Это обеспечивает октавное, с некоторым запасом, перекрытие частоты сигнала. Названный запас расширяет возможности для выбора удачной комбинации коэффициентов N и N1. На схеме также показан прескалер с коэффициентом N2, который может потребоваться для трансформации сигнала вверх по частоте.
В реальном синтезаторе Frac-N-Syn опорная частота может быть выбрана равной, например, Fr=1,6 ГГц. Тогда частоты тактирования ЦАП (опорная и сигнальная) окажутся в диапазоне примерно от 533 до 800 МГц. Чтобы получить частоту сигнала порядка 10 ГГц, надо включить в петлю ФАПЧ прескалер с коэффициентом N2, чтобы суммарный коэффициент деления в сигнальном тракте был порядка 12. В итоге, с учётом данных об уровне помех, приведенных в Табл. 5 для реального 12-разрядного ЦАП, получим уровень дискретных, негармонических помех на выходе синтезатора, не превышающий -102 +10 (пересчёт через крутизну ФД) +22 (умножение в 12 раз) = -70 дБн, что является неплохим результатом для такой простой структуры синтезатора.
Данный вариант компенсации помех дробности выгодно отличается от рассмотренных ранее схем тем, что отсутствуют аналоговые схемы в цепи компенсации, требующие высокой точности их взаимного сопряжения. Здесь же весь процесс происходит в цифровом виде, не имеющем, в принципе, погрешностей. Всё зависит только от точности стандартного ЦАП.
При этом, естественно, возникает аналогия с синтезатором на базе ФАПЧ, в котором в качестве дробного делителя частоты включен DDS [50]. Во-первых, DDS с такими малыми коэффициентами деления, как например N=3, практически неработоспособен, так как уровень помех дробности оказывается едва ли лучше, чем -30 дБн, и ещё на 10 дБ хуже, если привести частоту сигнала вверх, скажем, всего лишь к значению, близкому к опорной частоте. Во-вторых, использование больших значений коэффициента N в DDS приводит, при желании поднять частоту сигнала до значения порядка опорной частоты, к такому же большому коэффициенту умножения как помех дробности, так и шумов, приведенных ко входу фазового детектора. Соответственно ухудшаются соотношения сигнал/спуры и сигнал/шум. В-третьих, схема значительно проще, чем DDS.
Если же сравнивать Frac-N-Syn со структурой Fractional-N PLL, то он имеет следующие преимущества. Во-первых, из-за отсутствия дельта-сигма модуляции (DSM) нет нужды сужать полосу петли ФАПЧ, чтобы избавиться от модуляционных компонентов в спектре сигнала, и потому полоса пропускания петли может быть расширена, а следовательно, повышена скорость переключения частоты. Во-вторых, использование малых значений коэффициентов деления в петле способствует значительному снижению шумов в спектре сигнала.
.В итоге, рассмотренная схема имеет неплохую перспективу быть воплощённой в интегральную микросхему, чтобы успешно заменить DDS в некоторых областях его использования. Описанная схема может быть также реализована на базе ПЛИС и стандартного ЦАП.
3.8. Упрощённая схема синтезатора типа DDS
Как упоминалось выше, синтезатор типа DDS может использоваться в сложных схемах в виде блока для формирования мелкой сетки частот. Функциональное ядро традиционного DDS состоит из аккумулятора фазы, синусоидальной таблицы (LookUp Table – LUT) и цифроаналогового преобразователя. Возможное упрощение структуры DDS состоит в исключении из неё таблицы LUT. Суть заключается в том, что в цифровом виде формируется не ступенчато-синусоидальная, а ступенчато-треугольная функция, которая далее, как и в оригинале, преобразовывается ЦАП в ступенчатый аналоговый сигнал, сглаживаемый на выходе фильтром нижних частот.
Схема такого варианта DDS [51, 52] показана на рис.25.
![](/i/29/668229/image29_622c4c61f6416400076123d0_jpg.jpeg)
Рис.25. Упрощённая схема DDS
Работа схемы поясняется с помощью временных диаграмм, приведенных на рис.26.
![](/i/29/668229/image30_622c4cee54daac0006e53401_jpg.jpeg)
Рис.26. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы на рис.25
Аккумулятор, под действием импульсов опорной частоты Fr, формирует цифровую ступенчато-пилообразную функцию, представленную диаграммой A. В приведенном упрощённом примере аккумулятор двоичный трёхразрядный (q=3), то есть его ёмкость Q равна Q=8. Величина ступеней формируемой функции равна величине управляющего кода R на входе аккумулятора, выбранной здесь равной R=3. С выхода аккумулятора ступенчатый процесс поступает на преобразователь его в дополнительный или инверсный код, а с него преобразованный код приходит на один из входов многоразрядного мультиплексора. Другой вход мультиплексора подключен к выходу аккумулятора. Мультиплексор чередует поступающие на него цифровые процессы с помощью счётного триггера, который срабатывает от импульсов переполнения аккумулятора (диаграмма B).
Результирующий процесс на выходе мультиплексора для случая дополнительного кода, как и соответствующий ему аналог на выходе ЦАП, показан на диаграмме C. Он представляет собой сумму двух составляющих: периодической треугольной функции G с полной амплитудой, равной Q, и периодом, равным двум циклам заполнения аккумулятора, а также сложного процесса (диаграмма D) с полной амплитудой, равной R. Последний содержит фазоманипулированную пилообразную функцию (диаграмма E) и низкочастотный импульсный сигнал (диаграмма F). Процесс E включает, в основном, высокочастотные компоненты, устраняемые фильтром ФНЧ, а спектр низкочастотных помеховых импульсов диаграммы F полностью лежит в полосе прозрачности ФНЧ и является главной причиной ухудшения спектра сигнала.
Полный период T процесса C равен 2Q=16 тактам опорной частоты Fr. На этом интервале размещаются R=3 периода треугольной функции G, которая, будучи таким образом 3-ей гармоникой процесса C, далее, после ФНЧ, трансформируется в синусоидальный сигнал с частотой Fc, равной
FC=FrR/ (2Q) =3Fr/16.
Мощности более высоких гармоник сигнала невелики, они убывают пропорционально квадрату номера гармоники, причём чётные гармоники отсутствуют. Поэтому фильтр может быть простым и довольно широкополосным, например, с октавным перекрытием. Чем больше отношение 2Q/R, то есть чем ниже получаемая частота сигнала относительно тактовой частоты, тем с большей точностью, за счёт большего количества ступенек, представляется треугольная функция, и тем выше спектральная чистота сигнала.
На рис.27 показан спектр сигнала для случая 7-разрядного аккумулятора (q=7; Q=128) и управляющего кода R=13, вычисленный в программе БПФ. Вычисления сделаны как при идеальном ЦАП, не имеющем погрешностей, так и при реальном, под которым здесь и далее подразумевается преобразователь с погрешностью в старшем разряде, равной минус единице самого младшего разряда (LSB). Рабочий сигнал синтезатора находится на 13-гармонике, её номер совпадает с числовым значением кода R. При идеальном ЦАП чётные гармоники в спектре отсутствуют в принципе. На рисунке не показаны также гармоники с ничтожными уровнями ниже -80 дБн. При реальном ЦАП появляются и чётные гармоники, однако их уровень пренебрежимо мал, ниже -70 дБн. В общем, деградация спектра при реальном ЦАП незначительна. В худшем случае, на 9-ой гармонике, превышение относительно случая идеального ЦАП составляет 1,5 дБ. Третья гармоника сигнала, 39-ая, в спектре, имеет значение -19 дБн, как и должно быть в соответствии с разложением треугольной функции в ряд Фурье.
![](/i/29/668229/image31_622cc49ff6c3210700f6e196_jpg.jpeg)
Рис.27. Спектр сигнала
Вычислен также спектр гармоник при тех же исходных данных, q и R, когда выход аккумулятора преобразовывается в инверсный код. Результаты вычислений при реальном ЦАП сведены в Табл.6, для сравнения уровней помех при дополнительном и инверсном кодах. Чётные гармоники, из-за их ничтожно малого уровня в таблицу не включены.
![](/i/29/668229/image32_622c4e61f6416400076124a0_jpg.jpeg)
Таблица 6
Из таблицы видно, что разница незначительна и не существенна. Для худшего случая, на 9-ой гармонике, отличие всего лишь на 0,1 дБ в пользу инверсного кода. Также важно отметить, что операция получения инверсного кода существенно проще, чем формирование дополнительного кода. Кроме того, упрощается и ЦАП, поскольку нет необходимости в дополнительном самом старшем разряде для кода 2q Из этого следует, что для практики более предпочтительно использование инверсного кода, и далее по тексту изложение будет касаться только такого вида кода.
Выше рассматривались случаи, когда цифровой процесс с выхода аккумулятора, все его разряды, преобразовывались в аналог с помощью ЦАП. Однако из-за ограниченной емкости ЦАП, а при этом – и аккумулятора, невозможно обеспечить желаемое высокое разрешение по частоте синтезируемого сигнала. Задача решается использованием для преобразования кода только старших разрядов аккумулятора при его полной неограниченной и достаточно большой ёмкости. Тогда единица переноса из младших разрядов в старшие примерно так же влияет на спектр, как и неточность ЦАП в единицу младшего разряда, то есть, как показано выше, деградация спектра оказывается незначительной. Это можно продемонстрировать на простом примере.
В Табл.7 представлен спектр сигнала при R=3, Q=32 и соответствующем этому случаю 5-разрядном ЦАП, а в Табл.8 – спектр, когда к имеющимся трём старшим разрядам аккумулятора добавлены 2 младших разряда, не имеющие выхода на ЦАП. Управляющий код в этом случае равен R=3+1/4, то есть число на входе младших разрядов равно единице.
![](/i/29/668229/image33_622c55d914ebc200066779c1_jpg.jpeg)
Таблица 7
![](/i/29/668229/image34_622c565014ebc200066779ed_jpg.jpeg)
Таблица 8
В Табл.7 сигнал является 3-ей гармоникой процесса длительностью в 64 периода опорной частоты, её номер совпадает со значением управляющего кода R=3. В Табл.8 его номер гармоники оказывается равным 13 в соответствии со значением кода R=13/4 при длительности процесса в 256 периодов. Фактически же на оси частот сигналы находятся рядом, 13-ая гармоника Табл.8 чуть выше по частоте 3-ей гармоники Табл.7.
Из рассмотрения данных приведенных таблиц следует вывод о несущественном ухудшении спектра из-за переносов единицы из младших разрядов в старшие. Поэтому нет проблемы достижения сколь угодно высокого разрешения по частоте путём увеличения количества младших разрядов аккумулятора, не имеющих выхода на ЦАП. В итоге можно получить выражения для частоты Fc сигнала и дискретности dF сетки частот:
FC=RFr/ (2Q) и dF=Fr/ (2Q),
где Q – полная ёмкость аккумулятора и R – целочисленное значение кода относительно ёмкости Q.
Вычисления спектров для более высоких порядков ЦАП и, следовательно, – старших разрядов аккумулятора, работающих на ЦАП, затруднительно из-за их громоздкости. Однако, при вычислении спектров при сравнительно малых порядках, ниже 8-го, проявляется простая закономерность: спектр улучшается на 6 дБ при каждом октавном уменьшении отношения R/2Q. Последнее отношение фактически есть отношение получаемой рабочей частоты Fc синтезатора к тактирующей опорной частоте Fr, то есть Fc/Fr.
Следуя отмеченной выше закономерности и отправным данным о наихудшем случае вычисленного уровня помехи – 47 дБн при блоке из 5-разрядах реального ЦАП и той же разрядности старших разрядов аккумулятора (см. Табл.8), когда Fr/Fc=~20, нетрудно подсчитать, что, например, при 6 разрядах этого блока и отношении Fr/Fc=40 можно гарантировать уровень помех не выше около —53 дБн. Можно получить и меньший уровень помех, увеличивая разрядность названного блока. При 8 разрядах, например, можно достичь уменьшения уровня до порядка -65 дБн. Правда, при этом частота сигнала понижается соответственно в 4 раза.
Конечно, полученные результаты нельзя считать выдающимися, но важно отметить, с какой простотой они достигнуты и какие при этом низкие требования к разрядности и точности ЦАП.
Сравнение этих результатов с возможностями классического DDS затруднительно. Дело в том, что производители микросхем DDS не дают гарантий на максимальный уровень помех. Приводят лишь диаграммы спектров на некоторых частотах без пояснений критерия выбора этих частот и не показывают наихудшие случаи, то есть с наибольшим уровнем помех. Правда, ADI, например, может дать такие гарантии, но при условии дополнительной платы за тестирование каждой микросхемы из покупаемой партии. Деньги, пожалуй, немалые, тем более при большой партии заказываемых микросхем. Также у ADI есть программа ADIsimDDS для расчёта спектра при любой частоте сигнала. Она не учитывает всех возможных неточностей преобразования, но, однако, может дать приближённое представление о возможностях традиционного DDS. В качестве примера можно взять одну из последних разработок ADI – синтезатор AD9914 с интегрированным 12-разрядным ЦАП, работающий при тактовой частоте 3,5 ГГц с потреблением около 3 Вт. Если следовать программе ADsimDDS, он имеет преимущество перед упрощённым DDS при сравнительно высоких частотах сигнала. До соотношения Fr/Fc=40 уровень помех составляет примерно -53 дБн и далее, при увеличении этого соотношения, остаётся таким же. В упрощённом же варианте уровень помех снижается на 6 дБ при каждом октавном увеличении отношения Fr/Fc Таким образом отношение Fr/Fc=40 является границей перехода преимущества по спектральной чистоте от обычного DDS к рассмотренному упрощённому варианту.
В упрощённом варианте DDS, как и в классическом, легко осуществляется частотная и фазовая модуляции с высокой скоростью. Для фазовой модуляции можно включить цифровой сумматор между аккумулятором и преобразователем кода, управляемый кодом фазы. Можно обойтись и без такого сумматора, воздействуя на фазу сигнала известным способом кратковременных положительных и отрицательных приращений к частоте сигнала.
Помимо чисто синтезаторных функций получения спектрально чистого синусоидального сигнала с возможностью быстрого переключения частоты с высоким частотным разрешением рассмотренный вариант, как и классический DDS, может использоваться для формирования сигналов и несинусоидального вида. Меандр может быть получен с выхода счётного триггера, а короткие импульсы – с выхода переполнения аккумулятора. Пилообразный и треугольный сигналы реализуются на основном выходе при расширении полосы пропускания ФНЧ вплоть до тактовой частоты. В случае пилообразного сигнала мультиплексор переводится в режим внешнего управления (счётный триггер отключается от его управляющего входа), позволяющий получать пилу растущего или падающего характера. Также такое устройство может использоваться как делитель частоты в синтезаторах частоты на основе ФАПЧ. Можно применять такой DDS и в качестве формирователя мелкой сетки на пониженных частотах для последующего сложения её с более крупной высокочастотной сеткой (заполнения её) в системе ФАПЧ.
Таким образом, рассмотренный вариант DDS синтезатора выполняет основные функции синтезаторов такого типа, как то: быстрое переключение частоты и модуляцию по частоте и фазе, обеспечивает высокое частотное разрешение и удовлетворительный уровень спектральной чистоты для возможных применений. При этом структура его существенно проще и экономичней по потребляемой мощности. Может быть выполнен в виде интегральной микросхемы или на ПЛИС с внешним недорогим стандартным ЦАП.
4. Идея многочастотного фазового детектора (МЧФД)
4.1. Идея Босселаерса
Босселаерс – это, пожалуй, автор первого патента, в котором проявилась попытка подойти к созданию МЧФД, способного работать при неравных частотах сравнения. Схема по его патенту представлена на рисунке 28 [53]. В ней используются в качестве фазового детектора в петле ФАПЧ два Аккумулятора, по одному в опорном и сигнальном трактах, и Вычитатель содержимого этих аккумуляторов.
![](/i/29/668229/image35_622c86be54daac0006e54901_jpg.jpeg)
Рис.28. Структура фазового детектора по патенту Босселаерса
Аккумулятор R тактируется опорной частотой Fr, а аккумулятор C – частотой сигнала Fc, поступающей от ГУН, охваченного петлёй ФАПЧ. На входы аккумуляторов поступают соответственно коды R и C, числовое значение каждого из которых добавляется к текущему содержимому соответствующего аккумулятора с каждым тактом соответствующей частоты. Выходы аккумуляторов подключены к вычитателю, тактируемого опорной и сигнальной частотами. В нём под действием тактирования сигнальными импульсами текущее содержимое аккумулятора C добавляется к текущему состоянию вычитателя, а под действием тактирования импульсами опорной частоты текущее содержимое аккумулятора R из него вычитается.
Также присутствует Реверсивный счётчик, назначение которого состоит в следующем. Каждый из его двух входов подключен к выходу переполнения соответствующего аккумулятора. При переполнении аккумулятора C состояние счётчика увеличивается на единицу, а при переполнении аккумулятора R – уменьшается на единицу. На выходе счётчика формируется, таким образом, разность двух старших разрядов процессов в вычитателе, которая соответственно составляет старшие разряды его выходного процесса. Выход вычитателя поступает далее на ЦАП для получения напряжения, управляющего частотой ГУН.
Принцип действия детектора, представленного на рисунке 28, можно пояснить с помощью временных диаграмм, приведенных на рисунке 29. Для облегчения понимания, выбран простой пример с небольшими значениями кодов на входах аккумуляторов: R=5 и C=4. На рисунке 29 показан процесс на выходе вычитателя или же пропорциональное ему напряжение на выходе ЦАП.
![](/i/29/668229/image36_622c8966f6416400076139fe_jpg.jpeg)
Рис.29. Временные диаграммы, поясняющие работу детектора
Проделав несложные геометрические построения, легко убедиться, что на выходе ЦАП, кроме постоянной составляющей EС, используемой для управления частотой ГУН, присутствуют только две пилообразные компоненты с исходными частотами Fr и Fc, которые, в силу их довольно высоких частот, легко могут быть устранены фильтром нижних частот, прежде чем попасть на управляющий вход ГУН. Выбранные значения кодов обеспечивают состояние синхронизма в системе ФАПЧ при соответствующем соотношении частот на входах детектора, а именно: Fr/Fc=4/5. Вполне понятно, что если отношение Fr/Fc окажется не равным 4/5, то тогда ФАПЧ перейдёт в режим перестройки, приводя частоту ГУН к заданному отношению.
В предложенной структуре делители частоты в явном виде отсутствуют. Однако их функцию выполняют аккумуляторы, результатом работы которых являются импульсы их переполнения, воздействующие на реверсивный счётчик. Последний выполняет роль собственно фазового детектора, переключающегося под действием импульсов переполнения аккумуляторов. Частоты переполнения одного и другого аккумуляторов равны соответственно RFr/Q и CFc/Q, в среднем, где Q – ёмкость каждого аккумулятора. Поэтому деление частоты фактически присутствует, хотя и может составлять всего лишь несколько единиц. Коэффициенты деления равны, соответственно, Q/R и Q/C, в среднем, и в общем случае являются дробными, поскольку число Q чаще всего не делится на R и C без остатка. При этом помеха дробности компенсируется в ЦАП, как это следует из рисунка 29.
Понятно, что качество спектра синтезатора с таким детектором зависит, в определённой мере, от точности ЦАП. Но в данной схеме это не является основным фактором его качества. Главный недостаток схемы состоит в том, что в моменты времени, когда положения импульсов Fr и Fc совпадают, невозможно однозначно определить результат на выходе вычитателя. На рисунке это отмечено как «область глитча». В такие моменты времени при поступлении нового текущего значения суммарного кода от аккумулятора С и реверсивного счётчика из него тут же надо вычесть текущее значение кода от аккумулятора R, что практически без ошибки сделать невозможно. Из-за этого возникает сбой в работе вычитателя, приводящий к весьма существенному ухудшению спектральной чистоты синтезируемого сигнала. Поэтому такая структура не получила практического применения.
4.2. Доработка схемы Босселаерса в развитие его идеи
Схема, предложенная Босселаерсом, может быть усовершенствована с устранением отмеченного недостатка, как это сделано в работах [54, 55].
В схеме на рисунке 30 используются два идентичных аккумулятора: опорный – Аккумулятор R и сигнальный – Аккумулятор С. В одном из них, например, в аккумуляторе R, на выход поступает инверсное значение кода, как это показано на рисунке. Особенность схемы состоит в том, что последующие операции с текущими значениями кодов, снимаемых с выходов аккумуляторов, производятся не в цифровом, как это есть в исходном варианте, в схеме Босселаерса, а в аналоговом виде. Для этого служит ЦАП суммирующего типа. Он имеет, соответственно, 2 входа, так что в каждом его разряде происходит суммирование, с соответствующим весом, логических уровней соответствующих разрядов аккумуляторов.
![](/i/29/668229/image37_622c8a5af641640007613a57_jpg.jpeg)
Рис.30. Улучшенный вариант схемы с ЦАП суммирующего типа
Здесь и далее схема ЦАП изображается, для простоты и наглядности, в виде резистивной матрицы, чтобы показать главное – весовые значения разрядов.
Самый старший разряд ЦАП работает от RS-триггера, который срабатывает от импульсов переполнения аккумуляторов. Импульс переполнения аккумулятора С устанавливает триггер в состояние «1», а импульс переполнения аккумулятора R возвращает его в состояние «0». Триггер, таким образом, как бы выполняет роль реверсивного счётчика в схеме Босселаерса. Постоянная составляющая импульсного процесса в ЦАП выделяется фильтром нижних частот и поступает на выход.
Представленная на рисунке схема соответствует определённой полярности статической характеристики фазового детектора. Полярность можно изменить на обратную, если поменять местами входы для импульсов Fr и Fc и, соответственно, для кодов R и C.
Если положить, что каждый из аккумуляторов 4-разрядный, а значения кодов, как и в примере со схемой Босселаерса, равны R=5 и C=4, то на выходе ЦАП получим процесс, с точностью до масштабного множителя совпадающий с представленным на рисунке 29. Но сбои в данной схеме, из-за временного совпадения импульсов Fr и Fc, исключены, что делает схему вполне пригодной для практического использования. Качество спектра здесь зависит от точности ЦАП.
4.3. Вариант с аккумулятором и RS-триггером
Схема, представленная на рисунке 30, может быть упрощена [56, 57], как это показано на рисунке 31.
![](/i/29/668229/image38_622c8e4f54daac0006e54bef_jpg.jpeg)
Рис.31. Вариант с аккумулятором и RS-триггером
Особенность схемы, по сравнению с предыдущим вариантом, состоит в том, что здесь используется один, опорный, аккумулятор. Второй, сигнальный, аккумулятор исключён благодаря тому, что на его входе как бы действует код C, значение которого выбрано равным ёмкости аккумулятора С, и тогда функция аккумулятора сводится к простой пересылке сигнальных импульсов на вход RS-триггера, то есть надобность в нём отпадает.
На рисунке 32 приведены временные диаграммы для случая, когда ёмкость аккумулятора R равна Q=8, а числовое значение кода на его входе равно R=3.
![](/i/29/668229/image39_622c8ed9f641640007613c4c_jpg.jpeg)
Рис.32. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 31
В аккумуляторе, под действием импульсов опорной частоты Fr, формируется ступенчатая функция, передаваемая на ЦАП. Импульсы переполнения аккумулятора поступают на один из входов RS-триггера, устанавливая его в состояние «1». На другой вход триггера приходят импульсы от ГУН с частотой Fc, которые возвращают триггер в состояние «0». Импульсы с выхода триггера поступают на самый старший разряд ЦАП, в то время как на остальные разряды ЦАП приходят импульсы упомянутой ступенчатой функции с выхода аккумулятора. Результирующий процесс в ЦАП содержит постоянную составляющую EС и две высокочастотные пилообразные компоненты с частотами Fr и Fc, которые устраняются, как и в предыдущих вариантах, фильтром ФНЧ.
Достоинство данной структуры состоит в возможности использования стандартного ЦАП; от него и будут зависеть характеристики спектральной чистоты сигнала синтезатора. Можно предположить, что они будут такого же порядка, как и в синтезаторах типа DDS, в то время как схема значительно проще, нет необходимости в тригонометрической таблице (LUT).
4.4. Вариант с кольцевым регистром
Данный вариант базируется на следующем методе [58, 59]. Положим, что имеется некоторая логическая структура, которая может выполнять следующие операции:
– накопление числа R логических единиц при поступлении каждого импульса частоты Fr, которую, например, можно считать опорной частотой;
– удаление числа C наиболее ранних из накопленных логических единиц при поступлении каждого импульса частоты Fc, которую, например, можно считать частотой сигнала.
Метод может быть использован для построения МЧФД, как это показано на рисунке 33, где названные выше операции выполняются с помощью распределителя импульсов и кольцевого сдвигового регистра. Текущее содержимое регистра преобразовывается в ЦАП в аналоговый эквивалент, чтобы получить управляющее напряжение для генератора, управляемого напряжением в схеме синтезатора частоты.
![](/i/29/668229/image40_622c8f9514ebc20006678fca_jpg.jpeg)
Рис.33. МЧФД на базе кольцевого регистра
На рисунке 34 приведены диаграммы работы такой структуры. Диаграммы соответствуют установившемуся состоянию в петле ФАПЧ, и в этом случае на выходе ЦАП присутствуют, как и в предыдущих вариантах схем, только постоянная составляющая EC, используемая для управления частотой ГУН, и две пилообразные компоненты с частотами Fr и Fc, подавляемые фильтром нижних частот
.
![](/i/29/668229/image41_622c900f54daac0006e54cbc_jpg.jpeg)
Рис.34. Диаграммы, поясняющие работу МЧФД на рисунке 33
Важно заметить, что, как следует из рисунков 33 и 34, здесь нет деления частоты в петле ФАПЧ, сравнение фаз происходит непосредственно на исходных, в общем случае, неравных частотах. Это важное достоинство схемы, поскольку, будучи включенной в петлю ФАПЧ, она не создаёт умножения помех, приведенных к её входу.
Кроме того, благодаря наличию множества равновесных разрядов в ЦАП, снижаются требования к точности каждого отдельного разряда или же, с другой стороны, улучшается точность ЦАП при исходной неточности разрядов, что способствует соответствующему улучшению спектра сигнала.
Однако, хотя описанная структура, когда она показана в обобщённом виде, и выглядит простой, но пока что нет достаточной ясности, во что выльется построение Распределителя импульсов. Этот вопрос можно обойти использованием двух кольцеых регистров, опорного и сигнального, тактируемых соответственно опорными и сигнальными импульсами. Тогда распределитель импульсов вообще исключается. При этом коды в одном и другом регистрах вращаются в противоположных направлениях. Также вводятся RS-триггеры по чису разрядов регистров, работающие от импульсов в разрядах регистров. Выходы триггеров поступают на сегментированный ЦАП.
Другой вопрос – это о разрешающей способности по частоте. Если стоит задача обеспечить довольно малый частотный шаг, то объём регистров может оказаться выше разумных пределов. Поэтому требуется найти решение как строить младшие разряды, как вводить перенос от них в регистры и как компенсировать помеху дробности, возникающую при этом.
Хотя, конечно, понятно, что описанная идея может успешно использоваться для получения ограниченного количества частот с высокой спектральной чистотой сигнала. Также её можно использовать и в более сложной структуре для формирования крупной сетки частот, которая заполняется, путём суммирования в отдельной петле ФАПЧ, с мелкой сеткой, полученной от отдельного источника, как было описано выше.
Далее рассмотрим варианты схем МЧФД, свободные от отмеченных недостатков, и с улучшенными характеристиками по сравнению с предыдущими вариантами.
5. Синтезаторы PDS и PDS-DSM типов
5.1. Идея расщепления фаз
Положим, что в некоторой системе, в которой, наряду с полезной постоянной составляющей, присутствует помеха в виде импульса с периодом Т=32 условных временных интервалов, как это показано на рисунке 36 (диаграмма «A»).
![](/i/29/668229/image42_622c90b314ebc2000667903b_jpg.jpeg)
Рис.35. К пояснению идеи расщепления фаз
Сдвинем представленную диаграмму на 1, 2 и 3 интервала (такта), просуммируем исходную и сдвинутые диаграммы, каждую с весом 1/K, где K=4 (по числу диаграмм), и в результате получим диаграмму «B». При этом понятно, что с постоянной составляющей ничего не могло случиться, она останется на прежнем уровне, и потому на диаграммах не показана. Как видим из этой диаграммы, амплитуда полученного импульса уменьшилась в 4 раза, но во столько же раз увеличилась ширина импульса, то есть мощность его осталась прежней. На диаграмме «C» показан случай, когда сдвиги выбраны равными 2, 4 и 6 тактов. И в этом случае мощность помехи практически не изменилась. Если же выбрать сдвиги в 8, 16 и 24 такта (диаграмма «D»), то выигрыш по уменьшению уровня помехи оказывается существенным: более того, амплитуда помехи уменьшилась в К раз, и её частота увеличилась в К раз (легче её отфильтровать). То есть, чтобы идея эффективно работала, дискретность сдвигов должна быть равной T/K.
Использование описанного метода для целей частотного синтеза предполагает наличие нескольких парциальных фазовых детекторов, на входах которых действуют сравниваемые по фазе импульсные последовательности, должным образом сдвинутые во времени относительно друг друга. Тогда, согласно с описанной идеей, от каждого парциального детектора берётся доля 1/K его полного напряжения на выходе.
Казалось бы, идея проста, универсальна и пригодна для борьбы с помехами в любой системе частотного синтеза. Однако это не совсем так. В принципе, можно её применить, к примеру, в синтезаторе типа Fractional-N PLL для снижения помех дробности, и такие попытки предпринимались [60, 61], но при этом возникают проблемы практического плана. Нетрудно представить какой длины во времени будет процесс на входах парциальных детекторов Fractional-N PLL синтезатора, в том числе и в варианте с дельта-сигма модуляцией, если требуется получить сетку частот, скажем 1 Гц. Это многие миллионы тактов, и потому, чтобы получить существенный положительный эффект необходимы сдвиговые регистры чрезвычайно большой длины. Кроме того, поскольку меняется целочисленная часть коэффициента деления N, надо менять и длину регистров, что сопряжено с дальнейшим существенным усложнением структуры. На практике же используют сдвиги всего лишь на несколько тактов, что, естественно, малоэффективно в снижении уровня помех дробности и шумов. Так, в работе [62} показано, что при использовании 4-х временных сдвигов получается выигрыш по шумам порядка 3 дБ, но при отстройках от сигнала, значительно превышающих 10 кГц. При меньших отстройках, 10 кГц и менее, выигрыша практически нет.
Следует также отметить, что в простейшем виде, в синтезаторах с целочисленными коэффициентами деления, идею расщепления фаз используют для снижения уровня шумов за счёт повышения частоты сравнения и некогерентного сложения шумов [63]. Небезынтересно также заметить, что в таком виде идея запатентована как новая [64] без ссылки на первоисточники [65, 66], где она значительно ранее заявлена в обобщённом виде, а позже развита в работах [67÷72].
Далее рассмотрим структуры МЧФД, в которых рассмотренный метод действует в полную силу заложенных в нём потенциальных возможностей.
Идея фазового расщепления может использоваться в двух новых типах синтезаторов. Для краткости назовём их как PDS (Phase Digital Synthesizer) и PDS-DSM (с дельта-сигма модуляцией). Для них соответствующие 2 варианта МЧФД включают часть блоков, общих для обоих вариантов, а также ряд других блоков с особенностями для каждого из них. Общая для обоих вариантов структура, собственно и отражающая идею расщепления фаз, показана на рисунке 36.
![](/i/29/668229/image43_622c916654daac0006e54d5a_jpg.jpeg)
Рис.36. Общая для вариантов МЧФД структура
Она включает идентичные опорный и сигнальный фазовые расщепители, работающие на блок парциальных фазовых детекторов и далее – на сумматор выходов детекторов. Каждый из фазорасщепителей имеет, соответственно, вход для управляющего кода R или C и вход для тактовой частоты Fr или Fc. Они действуют таким образом, чтобы с каждым тактом Fr или Fc импульсы, называемые далее как расщеплённые фазы, в количестве R или C поступали последовательно во времени на выходы фазорасщепителей, как бы замкнутых в кольцо. Сумматор может быть выполнен в виде KR-матрицы (с резисторами одинаковой величины), или же может использоваться сегментированный ЦАП. На выходе сумматора формируется сигнал, который через ФНЧ управляет частотой ГУН.
Количество расщеплённых фаз Kr и Kc, соответственно в опорном и сигнальном трактах, могут отличаться в целое число k раз. Тогда входы парциальных фазовых детекторов тракта с меньшим количеством фаз объединяются в группы по k входов в каждой группе и подключаются к выходам фазорасщепителя с меньшим количеством фаз. Например, если в опорном тракте количество фаз равно Kr=32, а в сигнально тракте Kc=4, то k=Kr/Kc=8. В таком случае в качестве фазорасщепителя, например, сигнального тракта можно использовать простой 4-разрядный кольцевой счётчик.
На рисунке 37 представлены диаграммы, поясняющие работу МЧФД в сравнении с работой обычного фазового детектора. Диаграммы A – для обычного ФД и диаграммы B – для МЧФД. Фазорасщепители в МЧФД могут быть довольно большой ёмкости Q и тактироваться неравными частотами Fr и Fc. Однако для большей наглядности сравнения ёмкости в обоих трактах ограничены малым значением Q=4, тактовые частоты выбраны равными и количество расщеплённых фаз равно K=4.
![](/i/29/668229/image44_622ceb86f6c3210700f6e19f_jpg.jpeg)
Рис.37. Сравнение работы МЧФД с работой обычного ФД
Из рассмотрения рисунка 37 следует важный факт, что в МЧФД нет необходимости в делении частоты для приведения частот к равенству с последующим фазовым сравнением, что неизбежно в случае обычной системы с ДПКД. Сравнение фаз происходит непосредственно на исходных частотах: временное положение каждого импульса сигнальной последовательности контролируется опорными импульсами и каждый опорный импульс через МЧФД используется для этого контроля. Умножение помех, приведенных ко входу МЧФД, отсутствует. Важно ещё и то, что парциальные детекторы работают на пониженных частотах, чем обеспечивается более точное сравнение фаз.
Однако тезис об отсутствии умножения помех в петле ФАПЧ нуждается в дополнительном пояснении. Это практически верно, когда тактовые частоты примерно равны. Если же частота сигнала существенно превосходит опорную частоту, то, естественно, возникает умножение в Fc/Fr раз. Из этого следет практическая рекомендация поддерживать примерное равенство тактовых частот, а синтезируемую частоту сигнала повышать за счёт повышения опорной частоты. В случае, когда возможности повышения тактовых частот исчерпаны, например, из-за технологических ограничений в фазорасщепителях, тогда для повышения частоты сигнала на выходе ФАПЧ следует включать в петлю прескалер с неизбежным при этом умножением в петле, равным коэффициенту деления прескалера.
5.2. МЧФД в вариантах для синтезаторов PDS и PDS-DSM
Схемы МЧФД для синтезаторов PDS и PDS-DSM типов служат для формирования управляющего напряжения для ГУН, в сочетании с которым образуют полные структуры синтезаторов частоты. Схема МЧФД для PDS синтезатора приведена на рисунке 38.
![](/i/29/668229/image45_622ce7f4f641640007615b8e_jpg.jpeg)
Рис.38. Схема МЧФД для синтезатора PDS
Схема МЧФД выглядит вполне симметрично; она включает идентичные по виду опорный и сигнальный тракты. Однако как по количеству элементов в трактах, то полной симметрии здесь нет, о чём будет ниже.
В схеме на рисунке 38 каждый из трактов, опорный и сигнальный, содержит фазорасщепители, управляемые соответствующими кодами R и C Фазорасщепители работают на парциальные фазовые детекторы, в качестве которых могут быть использованы RS-триггеры, схемы XOR, частотно-фазовые детекторы с накачкой заряда (ЧФД), а также фазовые детекторы других типов.
Но для обеспечения необходимой разрешающей способности по частоте одних фазорасщепителей с блоком парциальных детекторов может оказаться недостаточно, поскольку существуют технологические ограничения количества расщеплённых фаз и равного ему количества парциальных детекторов. Нет проблем получить количество фаз, скажем, 32, а то и 256, но чтобы обеспечить разрешение по частоте, допустим, 1 Гц, что не является таким уж жёстким требованием, их бы потребовалось многие тысячи. Это, конечно, превосходит разумные пределы.
Проблема решается тем, что, как показано на рисунке, в трактах, опорном и сигнальном, включены аккумуляторы младших разрядов (Less Significant Bits) R-LSBs и C-LSBs, подключенные к шинам соответствующих управляющих кодов R и C и тактируемые теми же частотами Fr и Fc. Эти аккумуляторы формируют импульсы переноса для более старших разрядов всего МЧФД (R-MSBc и C-MSBs) в соответствующих фазорасщепителях Таким путём, благодаря увеличению ёмкостей трактов, достигается желаемое разрешение по частоте.
В общем случае числовые значения управляющих кодов аккумуляторов R-LSBs и C-MSBs не кратны полным ёмкостям соответствующих трактов, из-за чего возникают помехи дробности на выходе синтезатора. Для компенсации этих помех используются, как показано на рисунке, R2R-секции ЦАП, R-R2R и C-R2R. Их входы подключаются к выходам более старших разрядов соответствующих аккумуляторов R-LSBs и C-LSBs, а выходы, через согласующие резисторы, – к KR-секции ЦАП. Количество разрядов, используемых для компенсации помех, определяется достижимой их точностью и составляет порядка 12—14 разрядов.
Схема МЧФД для варианта PDS-DSM синтезатора показана на рисунке 39. Она отличается наличием блоков R-DSM и C-DSM, служащих для компенсации помех дробности путём дельта-сигма модуляции содержимого фазорасщепителей R-MSBs и C-MSBs. В каждом тракте содержится блок аккумуляторов R-DSM или C-DSM для формирования последовательностей треугольника Паскаля [71, 72], являющихся командами для добавления соответствующих чисел к текущим состояниям фазорасщепителей R-MSBs и C-MSBs через соответствующие сумматоры R-Adder и C-Adder. В блоках аккумуляторов R-DSM и C-DSM необходимое количество разрядов может быть меньшим, чем в блоках R-LSBs и C-LSBs. Оно, как и в случае PDS синтезатора, ограничено достижимой точностью ЦАП (KR-матрицы) и так же может составлять порядка 12—14 разрядов.
![](/i/29/668229/image46_622ce8a654daac0006e56b05_jpg.jpeg)
Рис.39. Схема МЧФД для синтезатора PDS-DSM
Каждый из описанных вариантов МЧФД обеспечивает частоту Fc синтезатора, равную
FС=FrRQc/ (CQr),
где Qr и Qс – полные ёмкости опорного и сигнального трактов, включающие ёмкости блоков MSBs и LSBs, а R и C – числовые значения соответствующих кодов, представленных целыми числами относительно указанных ёмкостей.
Шаг dF сетки частот равен
dF=FrQc/ (CQr).
Как следует из формулы для Fc, можно управлять частотой синтезатора как путём изменения значения кода R так и кода C. Однако, чтобы обеспечить требуемый, достаточно малый шаг сетки частот, можно ограничиться большой ёмкостью только в одном, например в опорном тракте, а в сигнальном тракте она может быть значительно меньшей, вплоть до исключения блока LSBs. Тогда всё ещё остаётся возможность получать практически одну и ту же частоту сигнала при различных комбинациях значений кодов R и C. Это позволяет выбирать наиболее предпочтительные комбинации этих кодов с точки зрения минимума помех дробности на выходе синтезатора, в частности, избавляться от помех типа Integer Boundary Spurs (IBS).
5.3. Схемы фазорасщепителей
Возможны несколько вариантов схем фазорасщепителей для МЧФД. Далее рассматриваются три из них. Это варианты на основе аккумуляторов, цифровых сумматоров и элементов логики.
5.3.1. МЧФД с фазорасщепителем на аккумуляторах
На рисунке 40 показана схема МЧФД, в которой функции расщепителя фазы выполняет набор из K=4 (как пример) аккумуляторов. В то же время аккумуляторы в своей сумме составляют блок более старших разрядов (More Significant Bits – MSBs) полного аккумулятора, в который, кроме того, входит блок менее значащих разрядов (Less Significant Bits – LSBs), также являющийся аккумулятором.
![](/i/29/668229/image47_622ce9b414ebc2000667af3a_jpg.jpeg)
Рис.40. Схема МЧФД с фазорасщепителем на аккумуляторах
Блок LSBs связан с блоком MSBs цепью переноса, так что импульс его переполнения в виде логической единицы поступает на вход приёма переноса каждого аккумулятора. Оба блока тактируются опорной частотой Fr.
Аккумуляторы блока MSBs отличаются лишь начальными условиями их работы. Если процесс накопления в первом из них начинается с «0», то второй стартует с состояния «1», третий – с состояния «2» и четвёртый – с состояния «3». Импульсы переполнения аккумуляторов поступают на входы парциальных детекторов; каждому аккумулятору соответствует свой детектор. На другие входы детекторов приходят импульсы с сигнального фазорасщепителя, в качестве которого в данной схеме используется, кольцевой счётчик, тактируемый импульсами сигнала с частотой Fc. Так выбрано для упрощения пояснений о работе МЧФД и соответствует случаю, когда емкость фазорасщепителя в сигнальном тракте равна Q=4, а числовое значение кода на его входе равно C=1, и тогда он превращается в эквивалент кольцевого счётчика.
С той же целью упрощения, разрядность аккумуляторов выбрана небольшой, всего по 2 двоичных разряда в каждом аккумуляторе. Значение кода на входе полного аккумулятора равно R=5: по единице в MSBs и LSBs блоках. Если же считать относительно ёмкости Q=4 фазорасщепителя, то значение кода R равно R=1+1/4. В данном случае предполагается, как пример, что в качестве парциальных детекторов использованы RS-триггеры.
Выходы детекторов составляют K равновесных старших разрядов ЦАП. Младшие разряды ЦАП, построенные по системе R2R, работают от импульсов с выхода блока LSBs, что, как будет показано ниже, служит для компенсации помех дробности. На выходе ЦАП формируется напряжение для управления частотой ГУН.
На рисунке 41 показаны текущие состояния аккумуляторов и импульсы на выходе фазорасщепителя. Значения текущего содержимого каждого аккумулятора в моменты переполнений на рисунке подчёркнуты. Когда аккумулятор LSBs переполняется, он переходит в состояние «0», и в этом случае, за счёт переноса из блока LSBs в блок MSBs, к текущему содержимому последнего добавляется единица, в результате чего на соседних выходах фазорасщепителя одновременно появляются 2 импульса вместо одного. При этом получается, что выходы фазорасщепителя как бы замкнуты в кольцо.
![](/i/29/668229/image48_622cea8d54daac0006e56bd4_jpg.jpeg)
Рис.41. К пояснению работы фазорасщепителя
Характерно, что после каждого интервала между импульсами в 4 такта на рисунке 41 далее следуют 4 интервала длительностью в 3 такта. Для большей наглядности этой закономерности интервал в 4 такта заштрихован. Это свидетельствует о том, что импульсные процессы на выходах фазорасщепителя полностью идентичны и сдвинуты по времени относительно друг друга на Q/K=16/4=4 такта, где Q – ёмкость полного аккумулятора (включая блок младших разрядов).
Важно заметить, что эта закономерность сохраняется независимо от разрядностей MSBs и LSBs блоков. Таким образом, здесь решена проблема, которая возникала при попытке применения идеи расщепления фаз в варианте Fractional-N PLL синтезатора. Нет необходимости использовать сдвиговые регистры ёмкостью во много миллионов бит (см. предыдущий раздел).
На рисунке 42 приведены. временные диаграммы, поясняющие работу примера МЧФД на рисунке 40.
![](/i/29/668229/image49_622cee2f14ebc2000667b0ef_jpg.jpeg)
Рис.42. Временные диаграммы, поясняющие работу МЧФД на рисунке 40
Диаграммы на рисунке 42 выполнены для случая установившегося в системе ФАПЧ отношения частот Fr/Fc=4/5. Выход ЦАП содержит только постоянную составляющую EС, используемую для управления частотой ГУН, и две пилообразные компоненты с частотами Fr и Fc, устраняемые фильтром нижних частот.
Важной особенностью рассмотренной структуры, как и предыдущих вариантов МЧФД, является отсутствие делителей частоты для приведения частот опоры и сигнала к равенству. Фазовое сравнение происходит непосредственно на исходных частотах. Поэтому в системе ФАПЧ нет умножения помех, приведенных ко входу ФД, как это имеет место в синтезаторах типа Fractional-N PLL.
Другая особенность состоит в наличии множества парциальных детекторов и,
соответственно, множества равновесных разрядов в старшей секции ЦАП, что позволяет значительно повысить его точность, которая в итоге определяет спектральную чистоту сигнала.
5.3.2. МЧФД с фазорасщепителем на сумматорах
Возможен и другой вариант построения фазорасщепителя. Он может быть выполнен с использованием цифровых сумматоров, как показано на рисунке 43.
![](/i/29/668229/image50_622ceef514ebc2000667b138_jpg.jpeg)
Рис.43. Вариант фазорасщепителя на сумматорах
Здесь, так же, как и в случае фазорасщепителя на аккумуляторах, выбран простой пример, когда аккумулятор содержит всего лишь по два двоичных разряда в блоках MSBs и LSBs, то есть полная его ёмкость равна Q=16. Числовое значение кода на входе аккумулятора равно R=5.
Одна из расщеплённых фаз получается непосредственно в виде импульсов переполнения аккумялятора, а 3 другие формируются как переполнения сумматоров. Для этого разрядные входы A сумматоров подключаются к соответствующим разрядным выходам блока MSBs аккумулятора, а входы В – к источникам кодов с постоянными числовыми значениями 1; 2 и 3, то есть в соответствии с порядковыми номерами сумматоров.
В случае, когда число на входе B сумматора меньше или равно числу на входе MSBs блока аккумулятора, то в некоторые моменты времени сумматор может не переполниться. Поэтому в старший разряд сумматора включается схема для фиксации момента квази-переполнения. Это момент, когда старший разряд переходит из состояния «1» в состояние «0». Такая схема показана на том же рисунке 43. Выход суммы собственно разряда подключен ко входу инвертера и к D-входу D-триггера, тактируемого импульсами Fr. Выходы этих элементов соединены со входами схемы «И». В момент времени, когда состояние старшего разряда меняется с «1» на «0», на входе схемы «И» появляются две логические единицы, и, следовательно, возникает импульс на её выходе. Это и есть импульс квази-переполнения. Эту же схему целесообразно включить и в старший разряд аккумулятора так же для получения импульса квази-переполнения, чтобы его временное положение было согласовано с квази-переполнениями сумматоров.
Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 44.
![](/i/29/668229/image51_622d9fdf14ebc2000667d168_jpg.jpeg)
Рис.44. Диаграммы, поясняющие работу фазорасщепителя на рисунке 43
На рисунке 44 обозначено и показано: Fr – тактовая частота; LSBs – текущее содержимое LSBs блока; MSBs – текущее содержимое MSBs блока и его импульсы переполнения; MSBs+1, MSBs+2, MSBs+3 – текущие состояния сумматоров и их импульсы переполнения, в том числе и при квази-переполнениях. Значения сумм при квази-переполнениях подчёркнуты.
Как видно из рисунка, расположение импульсов расщеплённых фаз точно такое же, как и в случае фазорасщепителя на аккумуляторах. Импульсные последовательности в фазах сдвинуты относительно друг друга на Q/K=4 такта, где K – количество расщеплённых фаз. Рассмотренный вариант выглядит более простым по сравнению с предыдущим.
5.3.3. Фазорасщепитель на схемах логики
Вариант фазорасщепителя с использованием логических схем [65, 66] показан на рисунке 45.
![](/i/29/668229/image52_622da0c4f6c3210700f6e1c3_jpg.jpeg)
Рис.45. Фазорасщепитель на логических элементах
Для облегчения понимания его устройства и работы выбран пример, когда он подключен к блоку MSBs с небольшим количеством двоичных разрядов k=3. Фазорасщепитель включает в себя дешифратор и соответственно K=8 логических цепей.
Дешифратор преобразовывает двоичный код в линейный, количество единиц в котором равно числовому значению кода. Дешифратор принимает данные с блока MSBs главного аккумулятора (см. например, рисунок 43) и формирует входные импульсные последовательности для работы логических цепей.
Ниже поясняется работа дешифратора на примере, приведенном на рисунке 45, когда он имеет 3-разрядную шину на входе для двоичного кода и, соответственно, 8-разрядную шину на выходе для линейного кода. Таблица истинности для дешифратора представлена в Табл. 9.
![](/i/29/668229/image53_622da3ecf6c3210700f6e1c4_jpg.jpeg)
Таблица 9
Разряд 1 в таблице является самым младшим (LSB) в том смысле, что отклик в нем в виде логической единицы появляется при наименьших значениях входного кода дешифратора. Разряд 8 – самый старший (MSB).
Каждая из логических цепей фазорасщепителя на рисунке 45 содержит соединенные последовательно D-триггер, схему И1, одноразрядный мультиплексор M и схему И2. В каждой из логических цепей тактовый вход C D-триггера и один из входов схемы И2 подключены к шине опорной частоты. Управляющие входы мультиплексоров M объединены, образуя управляющий вход Z фазорасщепителя, подключаемый к схеме квази-переполнения, показанной на рисунке 43.
В половине логических цепей, а именно в цепях, входы и выходы которых пронумерованы как 1..4 (назовем их цепями 1..4) и представляющих менее значащие разряды кода на D-входе фазорасщепителя, вход каждой из логических цепей соединен с D-входом D-триггера, одним из входов схемы И1 и одним из входов мультиплексора M. Инверсный выход D-триггера подключен к другому входу схемы И1, а выход мультиплексора M соединен с другим входом схемы И2. Выход каждой схемы И2 является одним из четырех выходных разрядов фазорасщепителя.
Схемы другой половины логических цепей, входы и выходы которых пронумерованы как 5..8 (назовем их цепями 5..8), построены, в основном, так же, за исключением того, что схема И1 расположена между входом логической цепи и мультиплексором, а выход D-триггера соединен с одним из входов мультиплексора M. Выход каждой схемы И2 является одним из четырех остальных разрядных выходов фазорасщепителя.
Фазорасщепитель работает следующим образом. D-триггеры всех логических цепей хранят полученное в предыдущем такте значение линейного кода, а схемы И1 вычитают предыдущее значение кода из его текущего значения. Результирующая разность передается через мультиплексоры на схемы И2, которые позволяют (при наличии единиц в полученном коде) импульсам Fr проходить на выход фазорасщепителя и затем – ко входам парциальных фаховых детекторов.
Результаты вычитаний используются во всех тактах вплоть до момента заполнения аккумулятора, а следовательно, и до заполнения дешифратора. До этого момента нет импульса переполнения или квази-переполнения аккумулятора на управляющих входах мультиплексоров M, и каждый мультиплексор позволяет импульсам Fr проходить с выхода соответствующей схемы И1 к соответствующей схеме И2. Как только старший разряд аккумулятора переходит из состояния «1» в состояние «0» (момент квази-переполнения аккумулятора), появляется импульс на управляющих входах мультиплексоров, который отключает выходы схем И1 от входов схем И2. Одновременно, в логических цепях 1..4, соответствующих менее значащим разрядам входного кода, мультиплексоры подключают к схемам И2 выходы дешифратора, а в логических цепях 5..8 – выходы соответствующих D-триггеров. Это необходимо для начала следующего цикла заполнения дешифратора, чтобы обеспечить вращение «единиц» на выходах мультиплексоров, как бы замкнутых в кольцо.
Под действием логического уровня на выходе мультиплексора, прикладываемого к одному из входов схемы И2, последняя разрешает или запрещает прохождение импульсов Fr на вход соответствующего парциального фазового детектора.
Положим для примера, что управляющий код на входе блока MSBs аккумулятора равен R1=3 (в то время как емкость последнего составляет k=3 разряда, то есть K=8), а код на входе блока LSBs равен R2=0, то есть этот блок как бы отключен. Тогда, в соответствии с описанным выше принципом действия фазорасщепителя, переменный код R1 (i) (i – номер такта) на информационном входе фазорасщепителя преобразовывается в процесс распределения импульсов Fr по выходам фазорасщепителя, как это показано в Таблице 10, где цифра «1» означает присутствие импульса на соответствующем выходном разряде фазорасщепителя или, что то же самое, на входе соответствующего парциального детектора. Здесь и далее числа, соответствующие состояниям переполнения аккумулятора, заключены в скобки.
![](/i/29/668229/image54_622da56bf6c3210700f6e1c5_jpg.jpeg)
Таблица 10
Как видно из Таблицы 10, в каждом такте импульсы появляются на входах трех соседних детекторов, и с каждым тактом импульсы сдвигаются на следующие три детектора, продвигаясь по кольцу.
В Таблице 11 показан также случай, когда код R2 на входе блока LSBs не равен 0. В этом примере R2=1, и, как было сказано выше, количество разрядов блока LSBs равно 3. Тогда имеется процесс R2 (i) в этом блоке, и в определенных тактах импульс переполнения этого блока передается в блок MSBs. Вследствие этого количество импульсов на выходе фазорасщепителя в этих тактах возрастает на единицу (см. такты с номерами i = 4 и 12).
![](/i/29/668229/image55_622da681f6c3210700f6e1ca_jpg.jpeg)
Таблица 11
Здесь для простоты изложения мы ограничились небольшими разрядностями блоков MSBs и LSBs, полагая, что далее без труда можно представить процессы в реальном многоразрядном МЧФД. Из рассмотрения работы такого варианта фазорасщепителя также видно, что результат его действия точно такой же, как и двух других вариантов, приведенных ранее.
В заключение можно сказать, что выбор конкретного варианта фазорасщепителя, из здесь рассмотренных, зависит не только от сравнительной сложности, то есть от количества схемных элементов, но также и от структурной особенности каждого из них, а именно, насколько регулярной окажется структура при воплощении её по твёрдотельной технологии. Так что вопрос выбора приемлемого варианта остаётся за разработчиками интегральной микросхемы МЧФД.
5.4. Некоторые особенности МЧФД с дельта-сигма модуляцией
5.4.1 Взгляд на историю метода
Как было показано выше, для компенсации помех дробности в МЧФД можно использовать метод дельта-сигма модуляции (Delta-Sigma Modulation – DSM), предложенный Уэлсом [73, 74] из фирмы Marconi Instruments (ныне IFR) применительно к синтезаторам типа Fractional-N PLL. Метод не требует аналоговых компонентов для компенсации помех дробности, которые были необходимыми в рассмотренных выше схемах с дробным делением частоты.
Сам метод, как таковой, был известен намного раньше, ещё в 1960-х годах, и использовался для построения одноразрядных ЦАП и АЦП [75—78] В частности, фирма Matsushita разработала и применяла такой ЦАП для чтения компакт-дисков в плеерах. Кроме того, Nigel King из фирмы Racal Electronics добавил второй аккумулятор в синтезаторе RA1792, осуществив, таким образом, много раньше Уэлса, MASH второго порядка [79]. Brian Miller из Hewlett Packard тоже предложил свою версию MASH [80]. Хотя это было позже патента Уэлса, версия никаких улучшений не давала, а отличие было, образно выражаясь, как между A+B и B+A.
Перечисленные выше факторы привели к длительным судебным процессам между Marconi Instruments, Racal Electronics, Hewlett Packard и другими для установления заслуг каждой из фирм в развитии метода. Однако же результатов эти процессы не дали, и фирмы решили их прекратить, просто перейдя со своей продукцией к конкуренции на рынке.
Однако же заслуга Уэлса, несомненно, является наиболее значительной, поскольку именно он первый предложил использование метода с включением всех его возможностей, то есть при MASH любого порядка. И недаром в одной из статей от фирмы Marconi Instruments, для которой он и сделал это изобретение, его назвали «чародеем профильной лаборатории».
Естественно, что первой компанией, которая начала интенсивно использовать изобретение Уэлса, была именно Marconi Instruments, в частности, в своих генераторах 2030 и 2031. В апреле 1995 года она была удостоена высокой награды Queens Award за технологические достижения в работах над Fractional-N системами. И после вхождения в IFR она продолжала работы в этом направлении, одновременно продавая лицензии на данную технологию многим другим компаниям.
Однако путь к настоящему широкому воплощению идеи оказался довольно-таки долгим. Прошло не менее 20 лет с момента опубликования патента Уэлса, когда практически каждая фирма, имеющая выход на интегральную технологию, производит чипы Fractional-N PLL синтезаторов своей собственной разработки. Это, к примеру, Analog Devices Inc. (ADI), Hittite (входит теперь в ADI), Texas Instruments, Synergy Microwave Corp., Maxim Integrated, Linear Technology Corp. и другие. В этих разработках идея Уэлса не претерпела каких-либо существенных изменений и усовершенствований, масса чипов на рынке как близнецы-братья, и трудно представить, как каждая из фирм выдерживает жёсткую рыночную конкуренцию.
Российские фирмы тоже не исключение. Это, например, Элвис и Миландр. Однако их успехи довольно скромные, синтезаторные микросхемы их разработки пока не находят широкого применения даже в отечественной аппаратуре.
5.4.2. Вариант введения модуляции в МЧФД с DSM
В отличие от варианта, описанного в разделе 5.2, где дельта-сигма модуляция осуществляется по частоте, она также возможна и по фазе, а именно после блока MSBs аккумулятора, то есть в самом фазорасщепителе, как показано на рисунке 46. В качестве примера аккумулятор содержит 4 двоичных разряда: 2 в блоке MSBs и 2 в блоке LSBs.
![](/i/29/668229/image56_622da7f154daac0006e59028_jpg.jpeg)
Рис. 46. Дельта-сигма модуляция в фазовой области
Аккумулятор тактируется либо опорной частотой Fr, либо сигнальной частотой Fc, в зависимости от того, в каком тракте, опорном или сигнальном, находится данная схема. Модуляция выполняется с помощью сумматора DSM. Одна группа разрядов сумматора со входами, обозначенными на рисунке как «А», подключена к соответствующим разрядам блока MSBs аккумулятора. На другие входы сумматора, обозначенные как «B», поступает модуляция от блока DSM. В остальном описанная структура не отличается от приведенной на рисунке 43.
Что касается структуры фазорасщепителя на аккумуляторах (см. рисунок 40), то там тоже можно применить дельта-сигма модуляцию, но для этого надо включить сумматор DSM после каждого аккумулятора. Понятно, что такой вариант существенно сложнее описанного выше, и поэтому подробно здесь не рассматривается.
5.5. Статические характеристики МЧФД
Статические характеристики многочастотного фазового детектора (МЧФД) имеют ту особенность, что их крутизна в общем случае не одинакова для опорного и подстраиваемого сигналов. Покажем это расчетами.
Протяжённость по фазе статических характеристик по опорному и подстраиваемому сигналам определяется частотами сравнения в парциальных фазовых детекторах. Эти частоты равны, в среднем, для опорного тракта – RFr/Qr, а для сигнального тракта CFc/Qc, где Qr и Qc – ёмкости распределителей импульсов (фазорасщепителей) соответственно опорного и сигнального трактов, а R и C – соответствующие им числовые значения управляющих кодов.
В установившемся режиме, то есть в состоянии синхронизма в петле ФАПЧ, эти частоты равны: RFr/Qr=CFc/Qc, но частоты Fr и Fc в общем случае отличаются, и потому во столько же раз отличаются отношения R/Qr и C/Qc. Это значит, что протяжённость по фазе характеристики опорного тракта составляет 2πQr/R, а для сигнального тракта – 2πQc/C. Отсюда следуют выражения для крутизны статических характеристик Sr и Sc для опорного и подстраиваемого сигналов соответственно:
Sr=UmaxR/ (2πQr) и Sc=UmaxC/ (2πQc),
где Umax – полная шкала напряжения на выходе МЧФД.
На рисунке 47 наглядно представлено подтверждение полученных формул. Рисунок иллюстрирует случай, когда Qr=Qc=8; R=3, C=2 (т.е. отношение частот равно Fc/Fr=3/2). Диаграмма «A» относится к некоторому исходному положению импульсов Fr и Fc; диаграмма «B» – к случаю, когда импульсы в опорном тракте сдвинуты вправо относительно исходных на полпериода Fr, то есть на π радиан; диаграмма «C» – когда импульсы в сигнальном тракте сдвинуты влево относительно исходных на полпериода Fc, то есть тоже на π радиан. Полная шкала напряжения на выходе ЦАП, в соответствии с ёмкостями Qr и Qc, составляет Umax=8 условных единиц.
![](/i/29/668229/image57_622da8b9f64164000761818e_jpg.jpeg)
Рис.47. К определению статических характеристик МЧФД
На диаграмме «B» постоянная составляющая EС изменилась на dEС=1,5 единицы. Если теперь использовать выведенное выше выражение для крутизны Sr, то получим те же 1,5 единицы, как это и показано на рисунке.
На диаграмме «С» постоянная составляющая EС уменьшилась на dEС=1. При использовании выражения для крутизны SС так же получим dEС=1, что и отражено на рисунке. В первом случае, для опорного тракта, крутизна статической характеристики равна Sr=3Umax/16π, а во втором случае, для сигнального тракта, – Sc=Umax /8π.
Приведенные примеры подтверждают справедливость полученных формул для крутизны статических характеристик МЧФД в опорном и сигнальном трактах.
Понятно, что то или другое выражение для крутизны характеристики используется в зависимости от структуры модели ФАПЧ: к какой точке модели приложено внешнее воздействие, и где ожидается отклик системы на это воздействие. Вместе с тем надо также учитывать, что характеристики по «опоре» и сигналу жёстко связаны друг с другом через отношение частот Sc/Sr=Fr/Fc; зная одну из них, легко вычислить другую.
Чем больше отношения R/Qr и С/Qc, тем выше крутизна характеристики в соответствующем тракте. Но при этом существует ограничение сверху в выборе этих параметров. Оно связано с уменьшением рабочего участка характеристики по амплитуде с увеличением названных отношений. Это можно пояснить на примере с помощью рисунка 48 при тех же параметрах МЧФД: Qr=Qc=8, R=3, C=2. На нём представлены два пограничных случая, когда МЧФД ещё работает в линейной области, то есть без сбоев.
![](/i/29/668229/image58_622da92e54daac0006e590be_jpg.jpeg)
Рис.48. К определению рабочего участка статической характеристики МЧФД
На диаграмме «A» разность фаз такова, что длительность импульсов в парциальных детекторах минимально возможная, и выход МЧФД равен 1,5 единицы при полной шкале ЦАП, равной 8 единицам. Диаграмма «B» относится к случаю, когда импульсы в парциальных детекторах максимально возможной длительности, и тогда выход ЦАП составляет 6,5 единиц.
Таким образом, теряется R/Qr=3/8 доли рабочей области характеристики по амплитуде. Для практики можно рекомендовать отношение R/Qr вокруг среднего значения 1/4. Тогда крутизна характеристики будет равной порядка Sr=Umax/ (8π), а протяжённость характеристики по амплитуде – порядка 3/4 от Umax.
Полученные выше зависимости относятся к случаю, когда в сигнальном тракте отношение Qc/C=4 – есть целое число, и потому в качестве фазорасщепителя может быть использован кольцевой счётчик, процесс на выходе которого периодический и не влияет на протяжённость линейного, рабочего участка статической характеристики МЧФД. Если же фазорасщепитель сигнального тракта имеет ту же структуру, что и в опорном тракте, и отношение Qc/C в общем случае не является целым числом, то картина процесса на выходе МЧФД значительно усложняется. Однако вполне понятно, что при этом справедлив принцип суперпозиции, и в таком случае протяжённость линейного участка характеристики дополнительно уменьшится на долю C/Qc от Umax. Если, к примеру, отношения R/Qr и С/Qc будут порядка 1/4, то линейный участок сократится до половины шкалы Umax. При этом частота переключений сегментов ЦАП оказывается примерно в 4 раза ниже опорной частоты, что способствует повышению точности ЦАП. Также понятно, что если выбирать отношение R/Qr <1/4, то рабочая область характеристики обратно пропорционально расширяется.
5.6. Спектры сигналов синтезаторов PDS и PDS-DSM типов
Как отмечалось выше, синтезаторы частоты, использующие МЧФД, будем назавать фазоцифровыми (Phase Digital Synthesizer – PDS). Пока что были рассмотрены идеализированные варианты схем, в которых ЦАП, не имел погрешностей, и поэтому помехи дробности в варианте PDS синтезатора отсутствовали, а в варианте PDS-DSM составляли пренебрежимо малую величину.
В реальности же, чтобы получить представление о спектральной чистоте сигнала синтезатора необходимо знать эти погрешности. Естественно, что наибольший вклад в деградацию спектра сигнала синтезатора с МЧФД в петле ФАПЧ вносят неточности старших разрядов ЦАП, а именно его KR-сегментов. Поэтому неточности R2R-секций из-за их значительно меньшего веса можно не учитывать. Влияние неточностей разрядов, когда их множество (например, 32), на спектр помех дробности рассчитать не просто, закономерность довольно сложная. Но некоторые зависимости известны. Например, когда неточности соседних разрядов, допустим, первого и второго, равны и противоположны по знаку, то уровень первой гармоники помехи уменьшается на 4,7 дБ по сравнению с неточностью одного разряда. В случае «противофазных» разрядов, к примеру 1 и 17, при равенстве их неточностей по величине и знаку помеха от них отсутствует.
В общем, приходится прибегать к статистическим методам расчёта. Из опыта Analog Devices известно, что неточность одного KR-сегмента возможно свести к значению, не превышающему 0,1% от его веса. Положим далее, что неточности разрядов распределены по нормальному закону со среднеквадратическим значением 0,1%. Один из примеров такого распределения показан на рисунке 51, где по горизонтали расположены номера разрядов, а по вертикали – процент их неточности.
![](/i/29/668229/image59_622daa1614ebc2000667d523_jpg.jpeg)
Рис. 49. Пример распределения неточностей KR-сегментов ЦАП
Романовым С. К. из Воронежского НИИ связи, автором статьи [81] о помехах дробности в PDS-синтезаторах (с МЧФД), на модели Simulink-Matlab при множестве вариантов такого типа распределения неточностей выявлена простая закономерность: уровень помех в спектре каждого из вариантов возрастает не более чем на 12 дБ в сравнении со спектром при той же погрешности, но в одном разряде. Поэтому расчёты можно вести для одного разряда, что значительно проще, и для этого разработана специальная программа, позволяющая значительно, по сравнению с Simulink-Matlab, увеличить расчётное количество разрядов аккумулятора и диапазон отстроек от несущей частоты сигнала.
В связи с выше сказанным, приведём расчёты спектров фазовых шумов из-за помех дробности при погрешности одного из KR-сегментов ЦАП, равной 0,4%, полагая при этом, что это соответствует среднеквадратической неточности 0,1% при нормальном законе распределения неточностей по всем разрядам.
Типичные спектры помех на выходе PDS синтезатора, соответствующие такому подходу, показаны на рисунке 50. При этом выбраны следующие параметры МЧФД и петли ФАПЧ. Общее количество разрядов МЧФД – 19, из них 5 – старших, имеющих выход, через фазорасщепитель, на KR-секцию ЦАП, включающую 32 сегмента. В качестве фазорасщепителя в сигнальном тракте используется 4-разрядный кольцевой счётчик, а в систему ФАПЧ включен прескалер с коэффициентом деления, равным 4. Опорная частота – 1 ГГц. Фильтр нижних частот в системе ФАПЧ отсутствует. Его влияние на спектр можно учесть отдельно.
![](/i/29/668229/image60_622daa92f641640007618246_jpg.jpeg)
Рис. 50. Спектры помех дробности на выходе PDS синтезатора
Спектр «A» соответствует коду R=01000,00000000000001, при котором частота сигнала равна Fc=4,000 030 518 ГГц. Этот случай, можно назвать, по аналогии с Fractional-N PLL синтезатором, как Integer Boundary Spurs (IBS), когда значение кода R дробное и ближайшее к его целому значению. Целым значением кода считается то, на которое без остатка делится полная ёмкость аккумулятора. Все остальные значения – дробные.
Структура спектра «A» определяется положением единицы в самом младшем разряде управляющего кода R. При этом помеха проявляется на выходе ЦАП в виде пилообразной компоненты, модулирующей сигнал ГУН. Частота помехи вычисляется исходя из количества нулей в коде R между «старшей» и «младшей» единицами. Чем больше нулей, тем ниже частота. Физический смысл этого состоит в процессе накопления младшей единицы в аккумуляторе, а именно в продолжительности этого процесса, когда произойдёт перенос из младших разрядов в разряд, соответствующий старшей единице на входе аккумулятора. Поэтому первая гармоника помехи в спектре наиболее близка к сигналу и имеет наибольший уровень при всех возможных комбинациях единиц и нулей в коде R. Более высокие гармоники монотонно убывают в соответствии с пилообразным характером помехи. Понятно, что случай IBS желательно исключить из использования при практическом применении синтезатора. Ниже будет пояснено как это можно сделать.
Здесь мы упростили структуру PDS, считая, что в сигнальном тракте установлен кольцевой счётчик, не создающий помех. Сделано это в расчёте на принцип суперпозиции. Если и в сигнальном тракте будет фазорасщепитель, аналогичный опорному тракту, то спектр его помех, рассчитаный точно таким же образом, наложится на спектр помех опорного тракта. Но разрядность сигнального распределителя импульсов может быть небольшой, так что помехи от него оказываются достаточно высокочастотными, чтобы быть отфильтрованными без существенного сужения полосы ФАПЧ, то есть практически без снижения быстродействия синтезатора. Тогда одна и та же частота сигнала Fc может быть получена при различных комбинациях кодов R и C, и поэтому возможен выбор наиболее удачной комбинации с точки зрения спектральной чистоты сигнала, в том числе исключён случай IBS.
Диаграмма «B» получена при коде R=01000,001000000000001, задающем частоту сигнала Fc=4,062 530 518 ГГц, и может быть названа случаем 1/64 IBS, поскольку частота сигнала отстроена на 1/64 от частоты, определяемой целочисленным значением кода R.
Спектр «С» соответствует коду R=01000,01000000000001 и частоте сигнала, равной Fc=4,125 030 518 ГГц. Этот случай можно назвать как 1/32 IBS, согласно с отстройкой сигнала на 1/32 от упомянутой выше частоты.
В последних двух случаях присутствуют явно выраженные дискретные компоненты в спектре. Их положение на оси отстроек от несущей определяется расположением единиц в коде R. Более низкочастотные помеховые компоненты, определяемые положением менее значаших единиц кода, являются модулирующим фактором для более высокочастотных компонентов, определяемых положением более старших единиц. Благодаря этому возникает множество как бы поднесущих частот более высокого уровня, вокруг которых группируются боковые полосы низкочастотных помех меньшего уровня. В итоге уровень спектральных составляющих оказывается существенно меньшим, чем в случае IBS. Кроме того, они довольно далеко отстоят от несущей и потому могут быть отфильтрованы петлёй ФАПЧ.
На рисунке 51 показаны спектры сигнала синтезатора с дельта-сигма модуляцией, когда в DSM-блоке включены 2 последовательно соединённые аккумулятора (DSM MASH-3). В остальном параметры МЧФД и петли ФАПЧ, а также значения кода R для соответствующих диаграмм «A», «B» и «C» остаются прежними. В отличие от PDS, спектры PDS-DSM более гладкие, помехи дробности возрастают, монотонно, в основном, с увеличением отстройки от сигнала. Также нетрудно заметить, что случай IBS в PDS-DSM (даграмма A) значительно менее выражен, чем в варианте PDS.
![](/i/29/668229/image61_622dab0554daac0006e59187_jpg.jpeg)
Рис.51. Спектры помех дробности на выходе PDS-DSM синтезатора
Временное рассогласование разрядов ЦАП также влияет на качество спектра сигнала. В виде примера на рисунке 52 показаны графики суммарной мощности фазового шума дробности в полосе пропускания ФАПЧ для случая 1/32 IBS, когда в одном из KR-сегментов импульсы сдвинуты на 40 пикосекунд. (В изделиях Analog Devices эта цифра не превышает значения 10 pS). Опорная частота равна Fr=1000 МГц, частота сигнала – Fc=4,125 030 518 ГГц (R=01000,01000000000001).
![](/i/29/668229/image62_622dab94f6c3210700f6e1cb_jpg.jpeg)
Рис.52. Шумы дробности при временных рассогласованиях в разрядах ЦАП
Расчёты выполнены как для варианта PDS, так и для варианта PDS-DSM (MASH-3). Также на рисунке показан спектр для PDS-DSM при отсутствии временной погрешности (dt=0). Аналогичный спектр для варианта PDS отсутствует, так как в этом случае помех дробности в нём вообще нет.
Как видно из приведенных графиков, при некоторых значениях полосы пропускания ФАПЧ вариант PDS обладает некоторым преимуществом по спектральной чистоте относительно варианта PDS-DSM. Однако для худших случаев полосы их возможности примерно одинаковы.
Сравнение спектральных диаграмм на рисунке 52 приводит к выводу, что возможности вариантов PDS и PDS-DSM в обеспечении спектральной чистоты сигнала, при наличии временных рассогласований довольно высокие и примерно одного порядка.
5.7. Возможности снижения потребляемой мощности
Энергопотребление синтезатора PDS-DSM можно значительно уменьшить. Это возможно для случаев применения МЧФД, когда не требуется обеспечивать исключительно широкую полосу пропускания системы ФАПЧ, и, следовательно, быстродействие синтезатора, как это вытекает из приведенных выше спектральных диаграмм.
Положим, что требуемое разрешение по частоте обеспечивается достаточно большой ёмкостью опорного тракта, в то время как ёмкость сигнального тракта ограничена несколькими разрядами, как об этом говорилось выше. Тогда частота тактирования R-LSBs и R-DSM блоков в варианте PDS-DSM может быть понижена в несколько раз. В результате снижается мощность, потребляемая как этими блоками, так и МЧФД в целом. Выигрыш получается довольно существенным, поскольку значительная доля схемных элементов приходится на эти блоки.
В этом случае, чтобы сохранить ту же эффективность компенсации помех дробности, длительность импульса переноса из блока R-LSBs в блок R-MSBs, а также длительность импульса переполнения блока R-DSM, нужно укоротить до периода опорной частоты Fr.
Из-за того, что частота тактирования блока R-LSBs уменьшилась, положим, в М=4 раз, во столько же раз уменьшился вес разрядов этого блока. Это значит, что его ёмкость, как бы, увеличилась на 2 разряда и, соответственно, улучшилось разрешение по частоте. Чтобы оставить частотное разрешение прежним, можно убрать 2 самых младших разряда этого блока.
В то же время в этом блоке, как бы, появились 2 дополнительных самых старших разряда, в которых к коду R нет доступа, поскольку физически эти разряды отсутствуют. Из-за этого в диапазоне частот синтезатора появляется «мёртвая» зона, в которой нет требуемых частот. Чтобы исключить такую ситуацию, необходимо добавить 2 младших разряда в блоке C-LSBs, и тогда появляется возможность выхода на эти частоты путём выбора соответствующих комбинаций кодов R и C.
Коэффициент деления M не обязательно должен быть равным 2 в степени m, и тогда количество упомянутых разрядов, исключаемых из блока R-LSBs, должно быть ближайшим к 2 в степени m, но не превышающим его, чтобы не ухудшить разрешение по частоте относительно исходного варианта (без делителя частоты). В то же время количество разрядов, добавляемых в блок C-LSBs, также должно быть ближайшим к 2 в степени m, но больше него, чтобы не потерять некоторые участки частотного диапазона синтезатора. Например, если M=5, то надо исключить 2 разряда в блоке R-LSBs и добавить 3 разряда в блоке C-LSBs.
Важно отметить, что включение делителя не приводит к умножению помех, поскольку тактовая частота для главного тракта остаётся по-прежнему высокой.
На рисунке 53 в качестве примера показаны для сравнения спектры фазовых шумов дробности для двух вариантов PDS-DSM синтезатора: без делителя частоты (M=1) и с делителем при M=8. При этом опорная частота равна Fr=1000 МГц, частота на выходе синтезатора равна Fc=1015,6326 МГц и неточность одного KR-сегмента ЦАП составляет 0,4%, что, как отмечалось выше, соответствует 0,1% среднеквадратической неточности при нормальном законе её распределения по разрядам. Количество расщеплённых фаз – 64. В DSM-блоке включены 2 аккумулятора (MASH-3), и управляющий код равен R=010000,01000000000001 (1/64 IBS).
![](/i/29/668229/image63_622dac2554daac0006e591ee_jpg.jpeg)
Рис.53. Сравнение спектров с делителем частоты и без делителя
Из приведенного рисунка видно, как при этом изменяется график помех дробности. Если считать, что максимально возможная полоса пропускания петли ФАПЧ определяется точкой на оси отстроек, где помехи начинают резко увеличиваться из-за действия дельта-сигма модуляции, и их надо эффективно подавлять, то график показывает как сокращается полоса пропускания ФАПЧ с делителем частоты М=8 по сравнению с вариантом без делителя. При этом уровень помех в полосе ФАПЧ возрастает примерно на 6 дБ, оставаясь в то же время на исключительно низком уровне. Это и есть плата за снижение потребляемой мощности.
5.8. Сравнение спектров PDS, PDS-DSM и Fractional-N PLL синтезаторов
На рисунке 54, для сравнения, показаны примеры спектров PDS, PDS-DSM и Fractional-N PLL синтезаторов при равных, насколько это возможно, условиях для одного из типичных случаев, когда частота сигнала равна Fc=~2,5 ГГц.
![](/i/29/668229/image64_622e029cf6c3210700f6e1e5_jpg.jpeg)
Рис.54. Сравнение спектров PDS, PDS-DSM и Fractional-N PLL синтезаторов
МЧФД содержит 15-разрядный опорный аккумулятор (5 разрядов в MSBs-блоке и 10 разрядов в LSBs-блоке). Опорная частота равна Fr=1000 МГц. Управляющий код на входе аккумулятора равен R=01000,0100000001 (1/32 IBS). При этом предполагается, что неточность одного из KR-разрядов ЦАП составляет 0,4% Влияние неточности R2R-секции ЦАП на спектр из-за её существенно меньшего веса здесь не учитывается.
Также приведен график для варианта PDS-DSM при той же неточности ЦАП. Блок младших 10 разрядов содержит 2 аккумулятора для формирования DSM типа MASH-3. Этот вариант уступает варианту PDS при таких условиях сравнения. Однако при выборе одного из вариантов следует учитывать влияние на спектр временных рассогласований в ЦАП, о чём было показано вразделе 5.6, что их возможности примерно одинаковые. Также предпочтение может быть отдано варианту PDS-DSM из-за более простой его структуры (отсутствует R2R-секция ЦАП).
Для синтезатора Fractional-N PLL, чтобы получить ту же частоту сигнала, что и в PDS, целочисленный коэффициент деления выбран равным N0=8, а код на входе блока младших, десяти дробных разрядов – таким же, как и в синтезаторе PDS, т.е. 0100000001. Опорная частота равна Fr=320 МГц. Из-за наличия делителя частоты, обязательного с системе, использовать опорную частоту 1000 МГц нет возможности. Блок дробных разрядов также содержит 2 аккумулятора для формирования DSM типа MASH-3. Фазовый детектор считается идеальным в смысле линейности его характеристики.
Для справки приведен график, когда в варианте Fractional-N PLL используется ЧФД с накачкой заряда при неравенстве токов в плечах заряда dI=1% [82]. При этом получается дополнительное ухудшение спектра. Правда, стоит заметить, что получить такое низкое рассогласование токов, как 1%, на такой высокой частоте, как 320 МГц, при таких больших вариациях коэффициента деления, как 50% (при MASH-3), на сегодня весьма сомнительно. Например, в работе [76] при моделировании используются более скромные параметры: частота сравнения – 12 МГц; вариации коэффициента деления – в пределах 10%; рассогласование токов – 2%.
Из рисунка 54 видно подавляющее преимущество вариантов PDS и PDS-DSM над синтезатором типа Fractional-N PLL как по спектральной чистоте, так и по быстродействию (за счёт значительно более широкой полосы пропускания ФАПЧ).
5.9. О количестве расщеплённых фаз
Выше, при вычислении спектров предполагалось, что статические характеристи как МЧФД в целом, так и отдельного парциального фазового детектора при использовании его в Fractional-N PLL синтезаторе, обладают идеальной линейностью. В варианте PDS синтезатора это так или же близко к этому, поскольку работа его происходит в одной точке в середине статической характеристики.
В варианте PDS-DSM, равно как и в Fractional-N PLL, дело обстоит по другому. Из-за наличия дельта-сигма модуляции область фазовых скачков может занимать существенную часть характеристики, и на практике это приводит к ухудшению спектра из-за проявления нелинейности характеристики ФД. Трудно, однако, назвать характер этой нелинейности и её величину. Одно очевидно, что чем меньший участок характеристики используется, тем меньше влияние линейности. Это обстоятельство является важным, если не сказать решающим, в достижении удовлетворительного качества спектра в вариантах Fractional-N PLL и PDS-DSM синтезаторов, в которых девиация фазы из-за дельта-сигма модуляции может оказаться значительной.
К примеру, при N0=4 в Fractional-N PLL варианте и модуляции типа MASH-3 полная девиация фазы равна π радиан, что составляет половину раствора статической характеристики. Видимо, это слишком много, чтобы получить удовлетворительный спектр, тем более при использовании ЧФД с накачкой заряда, в котором имеются, как будет показано далее, дополнительные, относительно, например, RS-триггера в качестве парциального фазового детектора, факторы, ухудшающие его линейность. Поэтому, для снижения девиации фазы, увеличивают коэффициент деления. Но с его увеличнием пропорционально повышается уровень шумов ЧФД, пересчитанных на выход синтезатора. Так что приходится находить компромисс между выигрышем по линейности и проигрышем по умножению шумов. В любом случае только из-за увеличения коэффициента деления, кривая спектра для Fractional-N PLL синтезатора должна пройти существенно выше, в соответствии с его выбранным значением, чем как это показано на рисунке 54.
В PDS-DSM синтезаторе уменьшить девиацию фазы можно за счёт наращивания количества К расщеплённых фаз. При этом требования к точности сегментов ЦАП соответственно понижаются.
На рисунке 55 показано, что в таком случае происходит со спектором фазового шума дробности (суммарная мощность шума в полосе ФАПЧ; dA в процентах – амплитудная неточность одного из сегментов ЦАП). Спектр не только не ухудшается (из-за снижения точности ЦАП), а наоборот становится чище с каждым октавным увеличением количества К расщеплённых фаз и пропорциональным ему допустимым снижением точности ЦАП. Также пропорционально уменьшается и девиация фазы. И что очень важно, всё это достигается без привлечения деления частоты, в чём и заключается одно из основных преимуществ идеи расщепления фаз. Уменьшение девиации фазы способствует меньшему влиянию нелинейности статической характеристики МЧФД.
![](/i/29/668229/image65_622e4149f6c3210700f6e1ea_jpg.jpeg)
Рис.55. Сравнение спектров при различных значениях К
На рисунке 56 показана, как пример, спектральная плотность шумов дробности для случая К=128 расщеплённых фаз и неточности ЦАП, равной 10%! Опорная частота Fr=1 ГГц, частота сигнала Fc около 10 ГГц. Возможна экстраполяция. Если неточность ЦАП ещё увеличить, например, в 2 раза, до 20%, то кривая спектра поднимется на 6 дБ, а если уменьшить в 2 раза, то опустится на те же 6 дБ. Можно также получать результат, изменяя частоты «опоры» и сигнала.
![](/i/29/668229/image66_622e4249f6c3210700f6e1eb_jpg.jpeg)
Рис.56. Спектральная плотность шумов дробности
При таком подходе, когда не требуется высокая точность ЦАП, можно использовать FPGA с резистивной матрицей на печатной плате. Конечно, увеличиваются аппаратурные затраты, но они ложатся, в основном, на FPGA, теперешние объёмы которых позволяют это делать. Так что проблем с этим не должно быть. Таким путём можно придти к простой однопетлевой структуре синтезатора, не уступающей по параметрам усложнённым многопетлевым системам.
6. Патентный приоритет
Нельзя не отметить следующее. В последние годы появилось несколько патентов зарубежных фирм, приближающихся к идее расщепления фаз [83÷90]. К примеру, авторы патента [83] вплотную подошли к этому. Они приводят простой пример при расщеплении на 2 фазы. Как получить большее количество фаз – не сообщается. В описании есть ссылки на предыдущие патенты [84÷87], однако и там количество расщеплённых фаз не превышает 4 (0 – 90 – 180 – 270 degree). Фирма Broadcom Corporation также выступила со своим патентом. В патенте [89] заявляется только сам принцип расщепления фаз без конкретизации как это делается. Ни в одном из наиболее поздних патентов [89].и [90] (опоздали на два десятилетия и более) нет ссылок на российский и американский патенты [65, 66] автора данной работы (первый заявлен в 1991 г., опубликован в 1993 г.; второй – соответственно в 1994 и 1998 гг.), где описан не только принцип расщепления фаз, но и описаны подробности его осуществления при неограниченном количестве фаз. Нет ссылок и на его статьи по этой теме: [68] (2010 г.), [69] (2011 г.) и [57]. (2011 г.), которые вышли в печати много ранее упомянутых патентов. В итоге можно только сожалеть о низком уровне экспертизы заявок на новизну.
Примечание
В данной монографии не упоминается ещё одно возможное достоинство метода расщепления фаз. Это может дать дополнительное снижение шумов за счёт некогерентного их сложения на выходах парциальных фазовых детекторов. На сайте ADI опубликована статья [91], в которой авторы экспериментально, на K=4 синтезаторных чипах, подтвердили это явление, получив выигрыш в 6 дБ в точном соответствии с формулой 10lgK. Будет ли подобный выигрыш в PDS и PDS-DSM синтезаторах из-за сложения множества расщеплённых фаз заслуживает отдельного исследования.
Заключение
Много разных идей по улучшению характеристик частотных синтезаторов можно встретить в патентах, в основном, американских. Их сотни, и выделить из них действительно ценные, а не «бумажные», весьма затруднительно. По статистике не более 2% патентов реализуются на практике. В данной работе были рассмотрена только те идеи, которые удалось выделить автору как наиболее интересные, способные вызвать у читателей размышление – а всё ли уже изобретено и улучшено? не остались ли ещё «тропы нехоженные»? не рано ли успокаиваться на достигнутом?
Особого внимания заслуживает идея расщепления фаз. На её основе может быть решена главная проблема частотного синтеза – одновременно обеспечить исключительно высокие характеристики спектральной чистоты и быстродействия в простой однопетлевой структуре синтезатора, что пока достигается только в сложных и дорогих многопетлевых системах ФАПЧ. Путь к этому лежит через разработку интегральной микросхемы МЧФД.
Литература
1. Левин В. А., Стабилизация дискретного множества частот, М., Энергия, 1970, 328 с.
2. V. Kroupa, Frequency Synthesis Theory, Design and Applications, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, NJ, 1973, 295 p.
3. Зарецкий М. М. и Мовшович М. Е., Синтезаторы частот с кольцом фазовой автоподстройки, М., Энергия, 1974, 256 с.
4. Галин А. С., Диапазонно-кварцевая стабилизация СВЧ, М., Связь, 1976, 255 с.
5. В. Манассевич, Синтезаторы частот (теория и проектирование), Пер. с англ. под ред. А. С. Галина, М., Связь, 1979, 384 с.
6. Д. Н. Шапиро и А. А. Паин, Основы теории синтеза частот, Радио и связь, М., 1981, 259 с.
7. В. А. Левин, В. Н. Малиновский, С. К. Романов, Синтезаторы частот с системой импульсно – фазовой автоподстройки, Изд. «Радио и связь», 1989, 231 с.
8. Рыжков А. В. и Попов В. Н., Синтезаторы частот в технике радиосвязи, М., Радио и связь, 1991, 263 с.
9. Ulrich L. Rohde, David P. Newkirk, RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications, Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Inc., 954 p.
10. Белов Л. А., Формирование стабильных частот и сигналов, Учебное пособие, М., Академия, 2005, 224 с.
11. F. Gardner, Phaselock Techniques, 3 rd ed., NJ, Wiley, 2005, 450 p.
12. Шахтарин Б. И. и др. (всего 6 авторов), Синтезаторы частот, Учебное пособие, М., Горячая линия – Телеком, 2007, 128 с.
13. W.F. Egan, Phase—Lock Basics, 2-nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2007, 432 p.
14. J. Rogers, C. Plett and F. Dai, Integrated Circuit Design for High-Speed Frequency Synthesis, Artech House, Boston/London, 2007, 478 p.
15. J. Crawford, Advanced Phase-Lock Techniques, MA, Artech House, 2008, 510 p.
16. A. Chenakin, Frequency Synthesizers: Concept to Product, Artech House, Boston/London, 2010, 214 p.
17. А.В.Ченакин, А.В.Горевой, Практическое построение синтезаторов частот СВЧ-диапазона, М., Горячая линия – Телеком, 2021.
18. Young C.J., Stabilized Oscillator Generator, US Patent #2,490,500, 06.12.1949, Filed Dec. 29, 1946.
19. Woodward J.D., Variable Frequency Oscillation Generator, US Patent #2,490,499, 06.12.1949, Filed April 23, 1947.
20. Loposer T.L., Frequency Synthesizer using fractional division by digital techniques within a Phase-Locked Loop, US Patent #3,353,104, 14.11.1967, Filed Oct. 02, 1963.
21. Варфоломеев Г. Ф., Спектр помех дробности в системе фазовой АПЧ с дробным делителем частоты, Техника средств связи, Сер. ТРС, Вып. 10 (21), 1978.
22. Романов С. К. Определение помех в системе ИФАПЧ с дробным делителем частоты в цепи обратной связи, Теория и техника радиосвязи: науч.-техн. сб. / Вниис, Вып. 2, Воронеж, 2003.
23. Tollefson R.D., Frequency Synthesizer, US Patent #3,435,367, 28.06.1971, Filed Jan.16, 1969.
24. Денисов Г. В., Патент России №171025, Способ получения дискретной сетки частот в возбудителе, приоритет 03.02.1958.
25. Martin D.J., Frequency Synthesizers, US Patent #3,600,683, 17.08.1971, Filed June 20, 1969, Priority GB 30796/68.
26. Thrower K.R., Improvements Relating to Frequency Synthesis, GB Patent 1,303,631, 17.01.1973, Filed Mar 01, 1969.
27. Chenakin Oleksandr, Low Phase Noise PLL Synthesizer, US Patent #2009/0309665 A1, 17.12.2009, Filed Sep. 05, 2008;
28. Alexander Chenakin, Novel Approach Yields Fast, Clean Synthesizers, Microwaves & RF, October 2008;
29. An Interview with Alexander Chenakin, Microwaves & RF, March 2009;
30. Alexander Chenakin, Frequency Synthesizers: from Concept to Product, Art.ch House, 2010.
31. Горевой А. В., Патент России №2523188, Синтезатор частот, приоритет 09.04.2013;
32. Горевой А. В., Получение субгерцового разрешения в синтезаторах частот при высокой степени спектральной чистоты и малом энергопотреблении.
2014 24-th Int. Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’2014), 7—13 September, Sevastopol, Crimea, Russia ISBN: 978-966-335-412-5. IEEE Catalog Number: CFP14788.
33. Горевой А. В., О применении метода повышения частотного разрешения в сверхширокополосных портативных измерительных генераторах СВЧ, 2014 24-th Int. Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo’2014). 7—13 September, Sevastopol, Crimea, Russia ISBN: 978-966-335-412-5. IEEE Catalog Number: CFP14788;
34. Портативный USB синтезатор. http://www.micran.ru/sites/micran_ru/tmpl/micran_ru/inc/pdf/PLG06.pdf
35. Козлов В. И., Патент России №1149395, Делитель-синтезатор частоты, приоритет 10.11.82.
36. Генератор сигналов SG8-HP01M, SG8-HPSS01M. Технические характеристики,
http://advantex-rf.com/Downloads/SG8_Manual_en.pdf
37. Bogdan Sadowski, A Self-offset Phse-locked Loop, Microwave Journal, April 2008.
38. Никитин Ю. А. Построение тракта приведения активного синтезатора частот, Известия вузов. Приборостроение., 2012, т.55, №3, стр.19—26.
39. А. С. Кузменков, А. Е. Поляков и Л. В. Стрыгин, Обзорный анализ современных архитектур синтезаторов частот с ФАПЧ, ТРУДЫ МФТИ – Радиотехника и телекоммуникации, Том 5, №3, 2013, с.121—133.
40. Braymer N.B., Frequency Synthesizer, US Patent #3,555,446, 12.01.1971, Filed Jan. 17, 1969.
41. Gillette G.C., Frequency Synthesizer System, US Patent #3,582,810, 01.06.1971, Filed May 05, 1969.
42. Жук О. Я. и Козлов В. И., Патент России
© Виталий Иванович Козлов, 2022 ISBN 978-5-0056-2904-3 Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero Предисловие 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. Введение 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 1.1. Простейшая однопетлевая структура 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. Рис.1. Integer-N PLL синтезатор Синтезатор содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), работающий в требуемом диапазоне частот сигнала. Он охвачен отрицательной обратной связью через ДПКД с управляемым коэффициентом деления N, содержит также фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). После ФНЧ может быть установлен также усилитель постоянного тока для получения необходимого размаха управляющего напряжения. На другой вход фазового детектора подаётся опорный сигнал, частота FФД которого равна требуемому шагу сетки частот. В фазовом детекторе формируется сигнал ошибки, который через фильтр нижних частот поступает в цепь управления ГУН, приводя его частоту Fc к равенству FC=NFФД Частота FФД, используемая для сравнения в фазовом детекторе, может быть получена путём деления в R раз частоты Fr опорного источника. Тогда выражение для частоты Fc на выходе синтезатора может быть записано в виде FC=NFr/R. В качестве примера положим, что требуется получить сетку частот с шагом 10 кГц в диапазоне частот Fc=700÷800 МГц при использовании опорной частоты Fr, равной Fr=10 МГц. Тогда следует выбрать коэффициент деления R, равным R=1000, чтобы частота сравнения FФД оказалась равной FФД=10 кГц. Понятно, что поставленная задача будет решена при выборе коэффициента N в диапазоне значений от 70000 до 80000. Очевидным достоинством рассмотренной схемы является её исключительная простота. Однако имеются и весьма существенные недостатки. Помехи с выхода ФД модулируют ГУН, создавая боковые полосы дискретных помех в спектре сигнала. Для их подавления полоса пропускания ФНЧ должна быть по крайней мере на порядок меньше частоты сравнения FФД. Это существенно ограничивает быстродействие синтезатора. Кроме того, есть и другая проблема со спектральной чистотой сигнала. Выражение для фазового шума на выходе синтезатора в пределах полосы пропускания ФАПЧ можно записать как G=GФД+20lgN где GФД составляет сумму шумов собственно фазового детектора и шумов опорного источника и делителей частоты на N и R, пересчитанные ко входу ФД. Соответственно шумовой спектр сигнала существенно ухудшается при желании получить мелкую сетку, увеличивая коэффициент N. Также при этом, из-за соответствующего сужения полосы пропускания ФАПЧ, слабо подавляются шумы ГУН, что даёт дополнительный вклад в деградацию спектра сигнала. Названную проблему можно несколько смягчить, сделав коэффициент деления R так же, как и N, управляемым. Это позволяет получать сетку частот с более мелким шагом dF при частоте сравнения такого же порядка, как и в случае постоянства этих коэффициентов. Это можно показать с помощью Табл.1, в которую сведены значения R, FФД, N, dF и получаемой при этом частоты Fc. Таблица 1 Как видно из таблицы, шаг сетки частот dF уменьшается на три порядка, но при этом диапазон возможных значений частоты Fc также сокращается до такой исключительно малой величины как всего лишь 5 кГц. Однако же не исключаются и такие уникальные случаи, в которых описанная идея может найти своё воплощение. Вместе с тем диапазон частот Fc может быть получен и более широким, если выбирать значения коэффициента R не столь большими, как это показано в Табл.2. Там этот коэффициент уменьшен на порядок, благодаря чему диапазон частот Fc расширен также на порядок, до 50 кГц. Но при этом шаг сетки стал значительно крупнее по сравнению с предыдущим случаем, максимальное его значение стало равным 990 Гц, и всё же он оказался на порядок меньшим, чем в варианте с постоянным значением FФД=10 кГц. Кроме того, на порядок возросла частота сравнения в ФД и соответственно уменьшился коэффициент умножения помех, приведенных к его входу, что способствует улучшению как спектральной чистоты, так и быстродействия синтезатора. 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 .FC= (N/R+M) Fr. 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 FC=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 Вторая строка иллюстрирует случай, когда c изменением коэффициента деления N2 получена фактически та же самая частота (разница в несколько тысячных долей герца), но при этом обеспечена значительная отстройка от случая IBS. Предпочтительные комбинации коэффициентов деления могут быть запрограммированы в виде справочной таблицы по аналогии с таблицей LUT в синтезаторе типа DDS. 1.6. Трёхпетлевая схема Из более сложных структур синтезаторов частоты наибольшее распространение получила, пожалуй, трёхпетлевая схема, показанная на рисунке 6. В ней функционально можно выделить две петли – мелкой и крупной сеток частот и третью – суммирующую петлю. На рисунке наименования блоков петли мелкой сетки снабжены индексом «1», а крупной сетки – индексом «2». В петлях мелкой и крупной сеток используются делители частоты с управляемыми коэффициентами: ДПКД-1 c коэффициентом N1 и ДПКД-2 c коэффициентом N2 соответственно. Опорные частоты F01 и F02 (суть частоты сравнения в фазовых детекторах) соответственно петель мелкой и крупной сеток получаются от общего источника опорной частоты Fr с помощью ДФКД – делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления. Рис.6. Трёхпетлевая схема синтезатора Выход петли мелкой сетки завершается делителем частоты с фиксированным коэффициентом M, за счёт чего на 20lgM снижаются шумы сигнала FМС на входе последующего фазового детектора ФД суммирующей петли ФАПЧ. Параметры петли мелкой сетки выбираются таким образом, чтобы получить как можно меньший шаг dFМС=F01/M сетки при, по возможности, наибольшей частоте сравнения F01. Диапазон частот FМС, получаемый при этом, может быть небольшим, значительно меньшим требуемого диапазона частот FС на выходе синтезатора. Во второй петле ФАПЧ формируется крупный шаг dFКС сетки, равный этому ограниченному диапазону FМС, то есть dFКС=FМС. Суммирование сеток, крупной и мелкой, происходит в суммирующей петле. Для этого в неё включен смеситель частоты СМ, в котором происходит вычитание частоты FКС из частоты Fc или наоборот. Результат вычитания фильтруется фильтром Ф, который может быть как полосовым, так и фильтром нижних частот. Сигнал разностной частоты с выхода фильтра поступает на второй вход фазового детектора для фазового сравнения с сигналом FМС. Таким образом, крупная сетка заполняется мелкой, и в итоге выражение для частоты FC на выходе синтезатора может быть записано как FC=FКС±FМС=N2F02±N1F01/M Генераторы, выходной (ГУН) и крупной сетки (ГУН-2) имеют практически одинаковый частотный диапазон перестройки, поскольку FС>> FМС, то есть диапазоны отличаются лишь на небольшую величину FМС. Поэтому необходимо тщательно их сопрягать по управляющим напряжениям, чтобы избежать «зеркальной» настройки выходного генератора. В синтезаторах по такой структуре выходной уровень шума определяется в полосе суммирующего кольца генератором ГУН-2, а за полосой – выходным генератором ГУН. В качестве примера положим, что требуется получить диапазон частот от 700 МГц до 1 ГГц с шагом dF=10 кГц. Тогда можно выбрать следующие параметры петель ФАПЧ: F01=F02=1 МГц; изменение коэффициента N1 – от 900 до 1000 через единицу; диапазон перестройки ГУН-1 от 900 МГц до 1 ГГц и M=100, то есть диапазон частот FМС на входе суммирующей петли равен FМС=9÷10 МГц с шагом 10 кГц; изменение коэффициента N2 второй петли – от 691 до 990 через единицу; диапазон перестройки генератора ГУН-2 – от 691 до 990 МГц с шагом 1 МГц. Выбор такой довольно высокой частоты сравнения в фазовых детекторах, как 1 МГц, позволяет обеспечить в трёхпетлевом синтезаторе время переключения частоты порядка долей миллисекунд при высокой спектральной чистоте выходного сигнала. Недостаток – очевидная сложность системы, необходимость тщательной проработки конструкции с экранированием отдельных узлов, чтобы избежать в спектре сигнала помех комбинационного характера. 1.7. Схема Сровера Разновидностью трёхпетлевого синтезатора является вариант, предложенный Сровером [26]. Он показан на рисунке 7. В нём используются два синхронно управляемых делителя с одинаковыми коэффициентами деления при последовательном соединении петель ФАПЧ. В некоторых периодических изданиях эта схема получила название «близнецы». Рис.7. Схема Сровера В первой петле представленной схемы формируется исходный шаг сетки частот, в третьей – крупная сетка с шагом Fr/M, вторая петля выполняет функцию суммирования, но в отличие от суммирующей петли предыдущей схемы здесь требования к петле значительно слабее, поскольку она выполняет сложение практически на одной частоте Fr. Наличие делителя с коэффициентом деления M и малая перестройка ГУН-2 снижают требования по шумам к генераторам первой и второй петель. Выходной уровень шума в этой схеме определяется, в первую очередь, генератором ГУН-3. Согласно со структурой схемы выходная частота Fc синтезатора определяется выражением FC= (N1F01+N2Fr) /M. Аналогично предыдущей схеме данная структура позволяет выбирать повышенные частоты сравнения в петлях, что позволяет реализовать синтезатор с улучшенными характеристиками спектральной чистоты и быстродействия. Недостатки трехпетлевых вариантов построения синтезаторов вполне очевидны: – значительное увеличение габаритов, потребления электроэнергии и стоимости в сравнении с однопетлевым синтезатором; – наличие трех высокочастотных генераторов является, как правило, причиной образования паразитных дискретных составляющих в спектре сигнала синтезатора, для устранения которых требуются дополнительные усилия схемно-конструктивного плана. 2. Комбинированные схемы 2.1. Схема QuickSyn Идея частотного синтеза, предложенная Александром Ченакиным. раскрыта в его американском патенте [27] и описана в ряде публикаций, например [28÷30]. Здесь мы ограничимся лишь описанием упрощённой схемы, только чтобы пояснить саму идею, особо не углубляясь в подробности. Схема показана на рисунке 8. Она представляет собой систему фазовой автоподстройки частоты, содержащую в своей основе, как обычно, фазовый детектор ФД, фильтр нижних частот ФНЧ и генератор, управляемый напряжением ГУН. Особенность синтезатора заключается в построении цепи обратной связи системы. Рис.8. Схема QuickSyn Эта цепь содержит два параллельных тракта, работающих последовательно во времени и образующих две петли ФАПЧ. При задании нового значения синтезируемой частоты, ключ переходит в соответствующее положение, чтобы сработала первая петля (та, в которой включён делитель частоты с переменным коэффициентом деления N) и привела частоту сигнала к заданному значению с точностью, достаточной для захвата частоты второй петлёй. После этого включается в работу вторая петля. Она действует через многокаскадный преобразователь частоты в цепи обратной связи. Преобразователь частоты содержит последовательно включённые смесители частоты, в которых в результате взаимодействия с опорными частотами происходит смещение частоты сигнала вниз к частоте сравнения в ФД. Опорная частота для каждого последующего каскада понижается с помощью многокаскадного формирователя опорных частот, состоящего из набора делителей, умножителей и смесителей частоты. Этот блок работает от сравнительно высокочастотного опорного источника частоты Fr. Здесь, можно сказать, просматривается аналогия с обычным аналоговым синтезатором с той лишь разницей, что преобразование частоты происходит вниз, а не вверх. Выход последнего каскада формирователя опорных частот служит также опорой для обеих петель ФАПЧ. Задача для преобразователя частоты – донести спектр управляемого генератора до ФД без деления частоты. Благодаря этому, не снижается усиление в этой петле, как это имеет место в предыдущей петле, и этим достигается высокая эффективность подавления собственных шумов управляемого генератора. Важно отметить, что интермодуляционные продукты такого многоступенчатого преобразователя частоты являются гармониками частоты сравнения фазового детектора и могут быть легко подавлены фильтром ФАПЧ. Таким образом, предложенное архитектурное решение позволяет получить довольно низкие побочные составляющие (спуры) в сравнении с классическими схемами. Однако отмеченное достоинство схемы реализуется лишь при достаточно крупной сетке частот, шаг которой равен частоте сравнения в ФД. При уменьшении шага сетки уменьшается и частота сравнения, сужается полоса петли и соответственно снижаются качество спектра сигнала и быстродействие синтезатора. Описанную схему можно использовать как составную часть более сложной структуры, дополнительно включающей средства для заполнения крупной сетки более мелкой сеткой. Например, можно добавить ещё одну петлю ФАПЧ, чтобы просуммировать полученную крупную сетку с мелкой, образованной с помощью DDS синтезатора.. При этом, конечно, необходимо принять меры для обеспечения достаточно низкого уровня помех от DDS. К этим мерам можно отнести использование нескольких опорных частот при выборе диапазона DDS с относительно малым уровнем помех, скажем порядка -75 дБн, подъём этого диапазона вверх с последующим делением частоты, что соответственно даёт дополнительное улучшение спектра. Более простым вариантом может оказаться также реализация опорного сигнала Fr в относительно узкой полосе частот (достаточной для заполнения крупной сетки) с помощью дополнительной петли ФАПЧ. В итоге общая структура синтезатора существенно усложняется. Она реализована на практике в линейке синтезаторов типа QuickSyn фирмы Phase Matrix, ныне в составе National Instruments (см. те же, приведенные выше ссылки на источники), где показала очень высокие характеристики спектральной чистоты. В модели QuickSyn Lite FSW-0010, обеспечивающей диапазон от 0,5 до 10 ГГц, «полка» шума на частоте сигнала порядка 10 ГГц в полосе ФАПЧ составляет около -120 дБн/Гц, а уровень дискретных компонентов менее -70 дБн и время переключения порядка десятков микросекунд. В следующей модели – FSW-0020 – диапазон частот расширен до 20 ГГц, и на её базе создан ряд синтезаторов миллиметрового диапазона, характеристики которых приведены в Табл.3. При этом во всех приведенных модификациях шаг сетки частот равен 1 Гц, паразитные спектральные составляющие не превышают -60 дБн и время переключения частоты не более 1 мс. Таблица 3 Недостаток – сравнительно высокая сложность и, соответственно, – стоимость. Вместе с тем всё относительно. Если при этом учесть довольно высокое отношение качества к сложности и цене, то вряд ли это можно отнести к недостаткам. Более того, полученные характеристики спектральной чистоты и быстродействия – это не архитектурные ограничения в принципе, а конкретная и весьма упрощенная реализация. Эти характеристики могут быть значительно улучшены при более полном задействовании потенциальных возможностей данного метода синтеза. 2.2. Схема на серийных микросхемах Конечно, не всем заказчикам нужны ультранизкие шумы и спуры, а также и экстра высокое быстродействие, что в сумме достигается, как правило, за счёт увеличения энергопотребления, габаритов и стоимости. Поэтому существует задача разработки такого прибора, в котором характеристики в первой названной группе требований могут быть несколько ослабленными, зато во второй – значительно ужесточены. Один из вариантов решения этой задачи представлен в работах [31÷33]. Предложенная схема синтезатора поясняется рисунком 9, который иллюстрирует пример получения из опорной частоты Fr=100МГц, умноженной в 20 раз, сигнала с частотой Fc в диапазоне от 25 до 6000 МГц. Рис.9. Схема синтезатора на серийных микросхемах Синтезатор состоит из двух последовательно включённых блоков – опорного и основного синтезаторов. Первый и из них обеспечивает частоту с малым шагом перестройки в сравнительно небольшом диапазоне, а второй – использует эту частоту в качестве опорной, расширяя диапазон перестройки синтезатора в целом до нескольких октав. Частотные преобразования, как и обозначения элементов на схеме, пояснений не требуют. Собственно, это известный принцип построения синтезатора, который, в частности, использован и в QuickSyn (см. предыдущий раздел). Новизна состоит в удачном подборе микросхем для названных блоков. Например, вместо DDS для получения мелкой сетки в опорном синтезаторе, как это имеет место в том же QuickSyn, здесь используется дробный делитель частоты с дельта-сигма модулятором. Для этого подходит, например, микросхема ADF4159 от Analog Devices. Это существенно экономит энергопотребление и габариты, так как делитель частоты находится в составе микросхемы (ФАПЧ-1), где содержатся и другие необходимые узлы: частотно-фазовый детектор, токовый ключ и др. Фактически, система потребляет столько, сколько она потребляла бы без прямого цифрового синтезатора (экономия порядка 0,5÷1 Вт). Уровень остальных характеристик не сильно уступает решению с DDS. Так же и в блоке основного синтезатора могут быть использованы экономичные недорогие серийные микросхемы: HMC704 от Hittite (ФАПЧ-2) и MAX2870 от Maxim Integrated (ГУН-2 и ДЧ-2). По описанной структуре в ЗАО НПФ «Микран» разработан портативный USB синтезатор PLG06 [34] со следующими основными характеристиками: диапазон выходных частот 25—6000 МГц с шагом 1 Гц; уровень фазовых шумов -122 дБн/Гц при отстройке 10 кГц от несущей 1 ГГц; уровень негармонических составляющих в спектре -70 дБн; уровень гармоник -30 дБн; время перестройки частоты 100 мкс. Имеется режим аналоговой модуляции: АМ, ФМ, ЧМ, ИМ (внешний/внутренний источник) и режим сканирования. Прибор, обладая функциональными возможностями классических лабораторных генераторов, потребляет всего 2,5 Вт, питается и управляется через один провод USB 2.0. Габариты прибора всего лишь 125х65х25 мм. 2.3. DDS в петле ФАПЧ Идею использования DDS в петле ФАПЧ для формирования сетки частот рассмотрим на примере генератора SG8-HP01M фирмы ООО Адвантех, Москва [36]. Схема генератора показана на рисунке 10. Рис.10. Пример синтезатора с DDS в петле ФАПЧ DDS в этой схеме выполняет роль делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). Он тактируется поделённой в 8 раз частотой в октавном диапазоне 4÷8 ГГц, поступающей от ГУН. Коэффициент деления DDS, как делителя частоты, также перестраивается в октавном диапазоне в соответствии с октавным частотным диапазоном 0,5÷1 ГГц на его входе. Таким образом, частота на выходе DDS остаётся постоянной и равной опорной частоте Fr (при наличии синхронизма в петле). Верхний, наиболее крупный, октавный диапазон получается непосредственно на выходе ГУН, а остальные, более мелкие, – после деления верхнего диапазона двоичными делителями частоты, как это будет рассмотрено в разделе 2.5. Очевидное достоинство схемы, как и любой другой однопетлевой структуры, состоит в простоте её реализации. Недостаток – довольно высокий уровень негармонических составляющих в спектре сигнала, происходящих из DDS.. При постоянном значении опорной частоты Fr он достигает -50 дБн в полосе отстроек от сигнала 2 МГц. Этот уровень можно снизить на 10 дБ путём использования двух опорных частот, переключаемых автоматически по встроенной программе. В рассматриваемом генераторе уровень фазовых шумов составляет -120 дБн на частоте сигнала 1 ГГц при отстройке на 10 кГц и время переключения частот – порядка 4 мс. Полученные характеристики можно считать достаточными, чтобы данный отечественный прибор мог составить конкуренцию зарубежным аналогам. 2.4. Схема Садовского Идея, предложенная автором, отличается особым способом построением ДДПКД в петле ФАПЧ [37]. Схема синтезатора частоты, в которой используется эта идея, показана на рисунке 11. Рис.11. Схема Садовского Дробный делитель частоты представлен в ней двумя делителями с целочисленными коэффициентами K и L и смесителем частоты СМ с фильтром Ф на его выходе. Результирующий коэффициент деления для такой структуры равен N=KL/ (K±L) .где К больше L. Достоинство идеи состоит в том, что такой делитель частоты, обладая свойствами дробного деления, не имеет на своём выходе помех дробности. Это можно показать на примере. Положим, что при опорной частоте Fr=10 МГц требуется получить частоту Fc=119 МГц на выходе ГУН, включенного в петлю ФАПЧ. При этом необходимо иметь коэффициент деления в петле равный N=11,9. Его можно обеспечить, задав следующие значения коэффициентов деления: K=17 и L=7. Тогда частоты на входах смесителя СМ окажутся равными соответственно FK=119/17=7 МГц и FL=119/7=17 МГц, а их разность на выходе смесителя составит 10 МГц, которая и используется для сравнения с опорой частотой 10 МГц в фазовом детекторе ФД. Если же использовать суммирование частот FK и FL при тех же коэффициентах деления 17 и 7, то получится результирующий коэффициент деления N= (17×7) / (17+7) =4.9583 (3) и соответствующая ему частота равна Fc=49,583 (3) МГц. При этом частоты на выходах соответствующих делителей равны FK=2,916 (6) МГц и FL=7,083 (3) МГц, а их сумма равна 10 МГц, которая, как и в предыдущем случае, используется для сравнения в фазовом детекторе. Недостатком рассмотренной структуры является необходимость включения фильтра Ф, чтобы избавиться от комбинаций типа +/-nFK+/-mFL. Это существенно ограничивает возможности широкого выбора коэффициентов K и L. Кроме того, стремление обеспечить высокое разрешение по частоте приводит к необходимости соответствующего увеличения этих коэффициентов и сужения полосы пропускания фильтра, что – и то и другое – соответственно снижает быстродействие синтезатора. К недостаткам можно также отнести и относительно сложный алгоритм выбора требуемой частоты сигнала. Для каждых конкретных требований к диапазону частот синтезатора, шагу сетки частот и быстродействию необходима таблица с предварительно рассчитанными значениями коэффициентов K и L. Однако, благодаря бесспорным достоинствам схемы по сравнению со схемами, использующими как целочисленные, так дробные коэффициенты деления, данная схема могла бы найти практическое применение, хотя и ограниченное отмеченными недостатками. Более обстоятельно схема проанализирована в работе [38]. 2.5. Расширение диапазона частот Понятно, что пределы перестройки ГУН ограничены, и в первую очередь из-за необходимости обеспечения допустимого уровня шума. Генераторы с перекрытием по частоте более октавы практически не применяются. Расширить диапазон частот синтезатора можно, используя набор из нескольких коммутируемых генераторов. Однако это довольно сложно и дорого. Но если уже получен октавный диапазон, то далее можно расширять диапазон частот синтезатора вниз по частоте достаточно простым способом, как это показано на рисунке 12. Рис.12. Схема расширения диапазона частот Fc На рисунке показан пример получения диапазона частот Fc=FС0/2, где FС0 – исходный октавный диапазон. Чтобы избежать попадания в спектр сигнала Fc её субгармоник, последующие делители частоты, после используемых, отключаются. В качестве делителей частоты целесообразно использовать триггеры с выходным напряжением в виде меандра, не содержащим второй гармоники. Поэтому синусоидальный сигнал на выходе Fc может быть получен с помощью довольно простых фильтров нижних частот октавного диапазона. Данный способ расширения диапазона частот широко используется на практике [39], в частности в разработках фирм Phase Matrix / NI, США, (FSW-0010), Stanford Research Systems, США (7SG392, 7SG394, 7SG396), AnaPico Inc, Швейцария (APSIN6010), Advantex, Москва (SG8), Микран, Томск (PLG06) и некоторых других фирм. 3. Схемы с дробным делителем частоты и компенсацией помех дробности и другие схемы Перейдём далее к рассмотрению однопетлевых структур с дробным делителем частоты и различными вариантами схем для компенсации помех дробности. 3.1. Схема Бреймера-Джиллета Один из таких вариантов представлен на рисунке 13. Если в общих чертах, то она почти одновременно запатентована авторами Бреймером и Джиллетом [40, 41]. Правда, в описаниях к их патентам много внимания уделено построению оригинальных схем ДДПКД, хотя это не касается самого принципа компенсации помех дробности и потому не отражено на приведенном рисунке. Рис.13. Схема Бреймера-Джиллета ДДПКД представлен в виде целочисленной части с коэффициентом деления N0 и дробной части, выполненной на аккумуляторе (накапливающем сумматоре). Импульс переполнения последнего передаётся в целочисленную часть, и общий коэффициент деления увеличивается при этом на единицу, из-за чего и возникает помеха дробности. Для её компенсации используется ЦАП, с помощью которого формируется сигнал – копия помехи, продетектированной в ФД. В сумматоре напряжения с выходов ЦАП и ФД складываются в противофазе, благодаря чему помеха дробности подавляется. Понятно, что степень подавления помехи зависит от точности ЦАП и от точности сумматора, и эти точности, естественно, ограничены. Поэтому если ёмкость аккумулятора довольно большая (чтобы получить достаточно мелкий шаг сетки частот), нет смысла брать ЦАП той же ёмкости, её ограничивают 12÷14 разрядами, подключаемым к соответствующим старшим разрядам аккумулятора. 3.2. Вариант с интегратором Другой вариант [42] схемы компенсации помехи дробности показан на рисунке 14. В нём используются, в основном, те же блоки, что и в предыдущей схеме. Добавлен только интегратор, а ЦАП предназначен для другой цели. Рис.14. Вариант схемы с интегратором Каждое переполнение аккумулятора вызывает скачёк частоты на выходе делителя частоты. Чтобы его скомпенсировать, необходимо создать сигнал, соответствующий получаемому при этом отклонению фазы, и сложить его в противофазе с напряжением на выходе фазового детектора. Для этого и служит интегратор. Он может быть выполнен на базе операционного усилителя. Требуемый уровень компенсирующего сигнала обратно пропорционален коэффициенту деления. Поэтому при достаточно большом частотном перекрытии синтезатора, и, следовательно, широком диапазоне изменений коэффициента деления, необходимо управлять коэффициентом передачи интегратора, для чего и служит ЦАП. Он может быть использован в качестве источника для питания интегратора, чтобы напряжение на его выходе контролировалось управляющим кодом. В предыдущей схеме такая возможность отсутствовала. Но и там можно ввести дополнительный ЦАП, питающий уже имеющийся (который должен быть умножающего типа) и подключенный к управляющей шине. 3.3. Схема Кокса По своей структуре схему Кокса [43] можно отнести к прямым цифровым синтезаторам с некоторыми особенностями. Сигнал в ней получается делением опорной частоты в переменное дробное число раз с последующей компенсацией помех дробности путём программируемого временного сдвига сигнала на выходе схемы. Схема представлена на рисунке 15. Она содержит программирующее устройство для задания целочисленной и дробной частей коэффициента N, поглощающий счётчик (обозначен на схеме как: N), аккумулятор для формирования дробной части коэффициента деления и генератор задержек, управляемый цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Поглощающий счётчик тактируется импульсами опорной частоты Fr, а аккумулятор – сигнальными импульсами частоты Fc. Поглощающий счётчик вместе с аккумулятором образуют, в целом, схему ДДПКД. Рис.15. Схема Кокса Работу схемы можно рассмотреть на конкретном примере. Положим, что при опорной частоте, равной Fr=100 МГц, требуется получить частоту сигнала Fc=30 МГц. Это значит, что при некотором разрешении по частоте импульс на выходе синтезатора должен появляться через каждые 3,3333 периодов опорных импульсов. Для этого целочисленная часть коэффициента деления N устанавливается равной N0=3, а для обеспечения дробной части этого коэффициента, число на входе аккумулятора равно 3333 при его ёмкости, равной 10000. Понятно, что при этом искомая частота 30 МГц будет получена с погрешностью 300 Гц. Положим также, что поглощающий счётчик и аккумулятор оба включаются в работу при нулевых начальных условиях. Поглощающий счётчик устроен таким образом, что импульсом переполнения аккумулятора один опорный импульс с его входа вычёркивается. Первые три опорных импульса беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая первый сигнальный импульс, который и далее беспрепятственно проходит через генератор задержек на выход схемы. Это потому, что, во-первых, импульс переполнения аккумулятора отсутствует, а во-вторых, содержимое аккумулятора, как и ЦАП, равно нулю и, следовательно, генератор задержек не создаёт временного сдвига для этого импульса. Данный импульс, воздействуя на аккумулятор, меняет его содержимое с нуля до 3333. Следующие 3 опорных импульса также беспрепятственно проходят через поглощающий счётчик, создавая на его выходе второй сигнальный импульс. Однако далее этот импульс проходит на выход схемы с задержкой на 0,3333 периода Tr опорных импульсов, которая создаётся генератором задержек под воздействием сигнала с выхода ЦАП. Этот сигнальный импульс увеличивает содержимое аккумулятора до значения 6666. После трёх последующих импульсов Fr получается третий сигнальный импульс на выходе поглощающего счётчика, который проходит на выход схемы с задержкой 0,6666Tr в соответствии с новым значением содержимого аккумулятора. Аналогичным образом формируется четвёртый сигнальный импульс с задержкой 0,9999Tr. На пятом сигнальном импульсе аккумулятор переполняется, его содержимое сбрасывается до значения 3332, а его импульсом переполнения вычёркивается один импульс Fr на входе поглощающего счётчика. И далее схема действует по описанному алгоритму, выравнивая, с помощью генератора задержек, расстановку сигнальных импульсов во времени, чтобы сделать процесс периодическим, то есть исключить помеху дробности. Один из возможных вариантов схемы генератора задержек показан на рисунке 16. При отсутствии импульса с выхода ДДПКД ключ замкнут, что предотвращает заряд конденсатора C от источника тока. Рис.16. Схема генератора задержек В то же время триггер находится в состоянии «0». С появлением упомянутого импульса ключ размыкается, и источник тока заряжает конденсатор C по линейному закону. Напряжение с конденсатора сравнивается в компараторе с напряжением на выходе ЦАП, и при их равенстве возникает импульс на выходе компаратора, который переводит триггер в состояние «1». Временной интервал между импульсами с выходов ДДПКД и триггера является линейной функцией напряжения с выхода ЦАП. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы максимальное напряжение с выхода ЦАП соответствовало задержке, равной одному периоду импульсов опорной частоты Fr. По эффективности действия рассмотренные выше схемы примерно эквивалентны. Из-за относительно невысокой точности цифро-аналогового преобразования, суммирования и аналогового интегрирования в них не удаётся достичь высокой спектральной чистоты сигнала, чем и ограничивается область их использования. 3.4. Схема Ундервуда Схема представлена на рисунке 17 [44]. В качестве ДДПКД в ней используется накапливающий сумматор (аккумулятор) для деления опорной частоты Fr с коэффициентом N=Q/A, где Q – ёмкость аккумулятора, а A – накапливаемое им число, содержащееся в управляющем коде N. Импульсы переполнения аккумулятора поступают на один из входов фазового детектора ФД, являясь, таким образом, «опорой» для петли ФАПЧ, формирующей частоту Fc сигнала. Другой вход ФД подключен к выходу ГУН. Рис.17. Схема Ундервуда В итоге, частота сигнала Fc равна средней частоте импульсов на выходе аккумулятора, то есть Fc=Fr/N=AFr/Q. Для компенсации помех дробности здесь используется ЦАП. В нём остатки от переполнения аккумулятора преобразовываются к аналоговому виду, и этот процесс складывается в сумматоре в противофазе и с соответствующим весом с выходным сигналом фазового детектора, благодаря чему помеха дробности устраняется. Фильтр ФНЧ служит для подавления компонентов с частотой Fc и их гармоник, а также остатков высокочастотных составляющих помехи дробности. Уровень помех дробности на выходе синтезатора зависит как от точности ЦАП, так и от точности суммирования сигналов в сумматоре. Правда, весовые соотношения складываемых сигналов постоянны, и это облегчает достижение более высокого уровня компенсации, чем в схеме Бреймера-Джиллета и в схеме с интегратором, рассмотренных выше. Также важно заметить, что частота Fc сигнала ниже опорной частоты Fr. Чтобы поднять частотный диапазон сигнала вверх, можно дополнительно включить делитель частоты в сигнальный тракт. Если его коэффициент деления равен M, то получим частоту сигнала Fc, равную Fc=Fr/N=AMFr/Q. Но при этом, естественно, помехи дробности в спектре сигнала возрастут на 20lgM дБ. Возможен и такой вариант, когда аккумулятор в роли ДДПКД, включен в сигнальный тракт. Но тогда потребуются средства для управления весовыми соотношениями в сумматоре, как это имело место в схеме с интегратором и в схеме Бреймера-Джиллета. Это неизбежно приведёт к снижению суммарной точности компенсации, то есть к ухудшению спектральной чистоты сигнала. 3.5. Вариант с импульсным ФД типа «выборка-хранение» Схема варианта представлена на рисунке 18 [45]. Она содержит последовательно включенные аккумулятор, ЦАП, фильтр нижних частот и импульсный детектор типа «выборка-хранение» Её работа поясняется с помощью рисунка 19. Рис.18. Вариант с ФД типа «выборка-хранение» Рис.19. Временные диаграммы, поясняющие работу детектора на рисунке 18. Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. В качестве примера, он содержит 4 двоичных разряда, и код на его входе равен R=5. Импульсный, ступенчатый процесс в аккумуляторе и, соответственно, пропорциональное ему напряжение на выходе ЦАП включают в себя две пилообразные компоненты: непериодическую G и периодическую H с опорной частотой Fr. Высокочастотная компонента H подавляется фильтром нижних частот, а низкочастотная компонента G проходит на аналоговый вход детектора типа «выборка-хранение». На импульсный вход детектора подаются импульсы сигнальной частоты Fc, производящие выборки из компоненты G. Эта компонента обладает тем свойством, что при состоянии синхронизма в петле ФАПЧ, значение выборок, от импульса к импульсу, остаётся постоянным, и таким образом формируется напряжение EС для управления частотой ГУН. При своей относительной простоте, схема имеет существенный недостаток. Выделить компоненту G с желаемой точностью можно лишь при значительном отношении частот Fr/Fc, чтобы в нужной степени подавить компоненту H, не внося существенных искажений в компоненту G. В противном случае уровень помех дробности в спектре сигнала может оказаться недопустимо высоким. Поэтому схема может быть использована в диапазоне довольно низких частот сигнала, когда пилообразная компонента G не искажается фильтром нижних частот в верхней части его частотного диапазона. Нетрудно заметить, что эту схему можно использовать и как синтезатор прямого типа. Если после фильтра включить пороговый элемент, то на его выходе получим импульсы синтезируемой частоты Fc=RFr/Q с шагом сетки частот, равным dF=Fr/Q, где Q – ёмкость аккумулятора. При этом отмеченный выше недостаток остаётся в силе. 3.6. Схема Никифорова Недостаток предыдущего варианта устраняется в схеме, предложенной Никифоровым В. И. [46; 47] и показанной на рисунке 20. Рис.20 Схема Никифорова Диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 21. Рис.21. Диаграммы, поясняющие работу схемы на рисунке 20 Аккумулятор тактируется опорной частотой Fr. Чтобы избежать излишней сложности в описании работы схемы, здесь выбраны небольшие значения как его ёмкости Q=16 так и накапливаемого им числа R=3. Импульс переполнения аккумулятора поступает на формирователь импульсов, синхронизируемый частотой Fr. Цифровая последовательность с выхода аккумулятора подаётся на один из входов мультиплексора, а на другой вход последнего – код R. Мультиплексор переключается импульсом с одного из выходов формирователя импульсов таким образом, что на выходе мультиплексора с каждым переполнением аккумулятора чередуются код R и остаток H в аккумуляторе как результат его переполнения. При этом время действия остатка удваивается относительно периода T1=1/Fr. Далее цифровая последовательность с выхода мультиплексора преобразовывается ЦАП в аналоговый эквивалент и поступает на интегрирующее звено, которое может быть выполнено на основе операционного усилителя. Элемент разряда служит для сброса заряда в интегрирующем звене во время переполнения аккумулятора. Для этого используется управляющий импульс с другого выхода формирователя импульсов. Длительность этого импульса равна T2=2/Fr. За это время интегрирующее звено должно быть полностью очищенным от заряда. На диаграммах рисунка 21 показано: A) – процесс в аккумуляторе; B) – импульс управления разрядом интегрирующего звена; C) – импульс управления мультиплексором; D) – текущие значения кода на выходе мультиплексора и пропорциональные им аналоговые величины на выходе ЦАП; E) – напряжение на выходе интегрирующего звена. Следует обратить внимание на характерные особенности диаграммы E в моменты времени, отмеченные пронумерованными точками на оси абсцисс. Точка 0 – интегрирующее звено полностью разряжено. Точка 1 – мультиплексор включил на входе ЦАП число R=3, и на интервале времени до точки 2 звено заряжается по линейному закону со скоростью, определяемой эквивалентом этого числа на выходе ЦАП. Точка 2 – аккумулятор переполнился; импульс «B» сбросил заряд интегрирующего звена; импульс «C» включил через мультиплексор остаток от переполнения аккумулятора. Точка 3 – интегрирующее звено заряжается со скоростью, пропорциональной преобразованной в ЦАП величине остатка H=2. Точка 4 – снова включен код R=3, и интегрирующее звено в течение интервала до точки 5 заряжается с соответствующей, упомянутой выше, скоростью. От точки 5 до точки 6 повторяются операции как они были на интервале 2÷3 (от точки 2 до точки 3). Точка 6 – остаток изменился на H=1, и на интервале 6÷7 скорость заряда интегрирующего звена уменьшилась в 2 раза по сравнению с интервалом 3÷4. На интервале 7÷8 заряд интегрирующего звена снова происходит в соответствии с кодом R=3, и далее процесс повторяется. Как показано на рисунке 21, если брать выборки функции E через некоторые одинаковые интервалы времени TС в области значений функции от Umin до Umax, где она строго линейна, то значения Ec выборок оказываются неизменными. Umin – это значение функции, соответствующее точке 4, то есть когда остаток и накопленный в интегрирующем звене заряд во время действия этого остатка минимальны. Umax – это значение функции, соответствующее точке 8, то есть когда её максимальное значение на интервале от переполнения аккумулятора до его очередного переполнения максимально среди всех возможных случаев для выбранных параметров R и Q. Период упомянутых выборок равен Tc=QTr/R, то есть их частота равна RFr/Q. Благодаря этому, если сигнал с выхода интегрирующего звена подать на аналоговый вход импульсно-фазового детектора типа «выборка-хранение», а другой его вход подключить к импульсному выходу ГУН, включенному в петлю ФАПЧ (для этого используется выход 1 на рисунке 20), то его частота Fc будет приведена, с помощью управляющего напряжения EC, в соответствие с опорной частотой через полученное выше соотношение частот. Шаг сетки частот при этом равен dF=Fr/Q. Рабочая область статической характеристики ФД, простирающаяся от Umin до Umax, достаточно широкая для успешной работы системы ФАПЧ. Понятно, что в случае реального интегратора, из-за его несовершенства, возникает искажение процесса Е на его выходе, что приводит к появлению помех дробности, обязанных взаимной некратности чисел R и Q. О величине этих помех будет сказано ниже. В принципе, входы частот Fr и Fc на рисунке 20 можно поменять местами, чтобы получить на выходе системы ФАПЧ более высокую частоту в соответствии с выражением Fc=QFr/R. Однако при этом надо учитывать, что в этом случае интегрирующее звено оказывается включенным в петлю ФАПЧ, и, обладая задержкой сигнала, может ухудшить устойчивость системы. Если в рассмотренной схеме используется импульсно-фазовый детектор типа выборка-хранение, то объективных причин для включения в систему ФАПЧ фильтра нижних частот нет. Его можно использовать лишь для подавления компонентов с частотами Fc и Fr, просачивающихся через ФД, но эти частоты достаточно высокие, ФНЧ может быть широкополосным, а ФАПЧ – с высоким быстродействием.