Sintetizador de frecuencia

Sintetizador de frecuencia : un dispositivo para generar señales periódicas (oscilaciones armónicas o señales de reloj eléctrico) con ciertas frecuencias utilizando repeticiones lineales (multiplicación, suma, diferencia) basadas en uno o más osciladores de referencia. Los sintetizadores de frecuencia sirven como fuentes de oscilaciones estables (en frecuencia) en receptores de radio, transmisores de radio , medidores de frecuencia , generadores de señales de prueba y otros dispositivos que requieren sintonización de diferentes frecuencias en un amplio rango y alta estabilidad de la frecuencia seleccionada. La estabilidad generalmente se logra mediante el uso de bucle de bloqueo de faseo síntesis digital directa (DDS) utilizando un oscilador de referencia estabilizado por cristal. La síntesis de frecuencia proporciona una precisión y estabilidad mucho mayores que los osciladores electrónicos tradicionales con ajuste de inductancia o capacitancia, un rango de ajuste muy amplio sin ningún tipo de cambio y cambio casi instantáneo a cualquier frecuencia determinada.

Sintetizadores analógicos

La función principal de absolutamente cualquier sintetizador es convertir la señal de referencia (referencia) en la cantidad requerida de señales de salida. Los sintetizadores analógicos (Direct Analog Synthesizers) se implementan mezclando frecuencias base individuales con su posterior filtrado. Las frecuencias base se pueden obtener de osciladores de baja frecuencia (resonadores de cuarzo y SAW) o de alta frecuencia (resonadores dieléctricos, de zafiro, de guía de ondas, cerámicos) mediante multiplicación, división o bucle de enganche de fase.

La principal ventaja de los sintetizadores analógicos es la velocidad de conmutación extremadamente rápida, que se encuentra en el rango de micro o incluso nanosegundos. Otra ventaja: el uso de componentes (por ejemplo, mezcladores) con un ruido propio excepcionalmente bajo en comparación con las fuentes de frecuencia base. Es decir, el ruido de un sintetizador analógico está determinado principalmente por el ruido de las fuentes subyacentes utilizadas y puede ser bastante bajo.

La principal desventaja de esta topología es el rango limitado y la resolución de frecuencia. El número de señales generadas se puede aumentar introduciendo más frecuencias base y/o etapas de mezcla. Sin embargo, este enfoque requiere más componentes y, por lo tanto, complica el sistema. Una solución efectiva es usar un Sintetizador Digital (Direct Digital Synthesizer - DDS) para aumentar el paso de frecuencia mínimo requerido de la parte analógica.Otro problema serio son los muchos componentes espectrales no deseados que generan las etapas de mezcla. Deben filtrarse cuidadosamente. Los filtros conmutables también deben estar aislados. Hay muchos arreglos diferentes de mezcladores y filtros, todos los cuales generalmente requieren una gran cantidad de componentes para proporcionar pequeños pasos de frecuencia y un ancho de banda amplio. Por lo tanto, aunque los sintetizadores analógicos ofrecen una velocidad de afinación excepcionalmente rápida y un bajo nivel de ruido, su uso está limitado debido a sus características de costo relativamente alto.

Sintetizadores digitales

A diferencia de las soluciones tradicionales (analógicas), los sintetizadores digitales utilizan el procesamiento digital para obtener la forma de onda de salida deseada a partir de la señal base (reloj). Primero, se crea una representación digital de la señal usando un acumulador de fase, y luego la señal de salida en sí (sinusoidal o de cualquier otra forma deseada) se genera usando un convertidor de digital a analógico (DAC). La velocidad de generación de señales digitales está limitada por la interfaz digital, pero es muy alta y comparable a los circuitos analógicos. Los sintetizadores digitales también proporcionan un nivel bastante bajo de ruido de fase. Sin embargo, la principal ventaja de un sintetizador digital es su resolución de frecuencia extremadamente alta (por debajo de 1 Hz), determinada por la longitud del acumulador de fase. Las principales desventajas son el rango de frecuencia limitado y las grandes distorsiones de la señal. Mientras que el límite inferior del rango de frecuencia de funcionamiento de un sintetizador digital está cerca de cero hercios, su límite superior, de acuerdo con el teorema de Kotelnikov, no puede exceder la mitad de la frecuencia del reloj. Además, la reconstrucción de la señal de salida no es posible sin un filtro de paso bajo que limite el rango de la señal de salida a aproximadamente el 40 % de la frecuencia del reloj.

Otro problema grave es el alto contenido de componentes espectrales no deseados debido a errores de conversión en el DAC. Desde este punto de vista, el sintetizador digital se comporta como un mezclador de frecuencias, generando componentes espurias en las frecuencias de combinación. Si bien la ubicación de la frecuencia de estos componentes se puede calcular fácilmente, su amplitud es mucho menos predecible. Como regla general, las distorsiones de orden inferior tienen la amplitud más alta. Sin embargo, la distorsión de alto orden también debe tenerse en cuenta al diseñar la arquitectura de un sintetizador en particular. La amplitud de los componentes espectrales parásitos también aumenta al aumentar la frecuencia del reloj, lo que también limita el rango de frecuencias generadas. Los valores prácticos del límite superior del rango están en la región de varias decenas a varios cientos de megahercios al nivel de productos espectrales discretos -50…-60 dBc. Obviamente, la multiplicación directa de la señal de salida de un sintetizador de frecuencia es imposible debido a una mayor degradación de la composición espectral.

Hay muchas soluciones de hardware y software diseñadas para mejorar el contenido espectral de un sintetizador digital. Los métodos de hardware generalmente se basan en elevar la frecuencia de la señal del sintetizador digital y luego dividirla.

Este método reduce los productos espectrales no deseados en 20 dB/octava. Desafortunadamente, esto también reduce el rango de frecuencias generadas. Para expandir el rango de frecuencias a la salida del sintetizador, es necesario aumentar el número de frecuencias base y filtros, tal como se hace en los circuitos analógicos.

Los métodos de software se basan en el hecho de que las frecuencias de distorsión espuria del sintetizador son una función de la frecuencia de muestreo del DAC. Por lo tanto, para cada frecuencia de salida específica del sintetizador, las distorsiones espurias se pueden desplazar en frecuencia (y filtrar aún más) cambiando la frecuencia de muestreo del DAC. Este método es especialmente efectivo si el reloj DAC se genera utilizando sistemas basados ​​en PLL. Cabe señalar que el método del software funciona con bastante eficacia para suprimir distorsiones de un orden relativamente pequeño. Desafortunadamente, la densidad de los productos espectrales discretos suele aumentar en proporción a su orden. Por lo tanto, el método del software puede filtrar distorsiones solo hasta el nivel de -70 ... -80 dBc.

Por lo tanto, debido al rango de frecuencia limitado y al alto contenido de productos espectrales no deseados, los sintetizadores digitales rara vez se utilizan para generar directamente una señal de microondas. Al mismo tiempo, se utilizan ampliamente en sistemas PLL y analógicos más complejos para proporcionar una resolución de alta frecuencia.

Sintetizadores PLL

Un sintetizador PLL típico de bucle único incluye un oscilador controlado por voltaje variable (VCO) cuya señal, después de la división de frecuencia requerida (programable), se entrega a la entrada del detector de fase (PD) igual al paso de frecuencia requerido . El detector de fase compara las señales en ambas entradas y genera una señal de error que, después de filtrar y amplificar (si es necesario), ajusta la frecuencia del VCO a

donde FREF es la frecuencia de la señal de referencia a la entrada del detector de fase.

Las principales ventajas de los circuitos basados ​​en PLL son el espectro de salida más limpio debido al uso eficiente del filtro de paso bajo (LPF) y la complejidad mucho menor del dispositivo en comparación con los sintetizadores analógicos . La principal desventaja es el tiempo de sintonización más largo y el ruido de fase significativamente mayor en comparación con los circuitos analógicos. El ruido de fase del sintetizador dentro de la banda de paso del filtro PLL es

donde λPD es el nivel total de ruido de fase de la señal de referencia, detector de fase, filtro y amplificador del circuito de realimentación recalculado a la entrada del detector de fase. Por lo tanto, el ruido de fase depende del factor de división del divisor de frecuencia, que puede ser bastante grande para proporcionar la resolución de frecuencia requerida. Así, para obtener una señal a una frecuencia de 10 GHz con una resolución de 1 MHz, el factor de división debe ser igual a 10000, lo que corresponde a un aumento del ruido de fase de 80 dB . Además, los divisores programables se utilizan en frecuencias relativamente bajas, lo que requiere la introducción de un divisor de alta frecuencia adicional con una relación de división fija (prescaler - PS). Como resultado, aumenta el factor de división total del circuito de retroalimentación y, como resultado, aumenta el ruido de fase. Obviamente, un circuito tan simple no permite utilizar las capacidades de ruido de los modernos generadores de señales de referencia de bajo ruido. Como resultado, los circuitos PLL de bucle único rara vez se utilizan, es decir, en sistemas con requisitos bajos para la calidad de la señal generada.

Las características principales del sintetizador se pueden mejorar significativamente al incluir un convertidor de frecuencia (mezclador) en el circuito de retroalimentación. En este caso, la señal del VCO se transfiere hacia abajo en frecuencia, lo que puede reducir significativamente el factor de división del circuito de retroalimentación. La referencia del mezclador se genera utilizando un PLL opcional (circuitos de bucle múltiple) o un multiplicador de frecuencia. Una buena solución es utilizar un mezclador de armónicos, que utiliza múltiples armónicos de la señal de referencia generada por un diodo integrado en el mezclador. El mezclador armónico le permite simplificar significativamente el diseño del sintetizador. Al mismo tiempo, debe tenerse en cuenta que este tipo de mezclador es extremadamente sensible a los parámetros de los elementos individuales del circuito, cuya optimización está lejos de ser una tarea trivial. Dependiendo de los requisitos específicos para el ruido de fase y la resolución de frecuencia, es posible introducir un mayor número de etapas de mezcla, lo que, sin embargo, complica el diseño del sintetizador. Otro problema asociado con el uso de esquemas basados ​​en conversión de frecuencia es la captura de frecuencias falsas (por ejemplo, al usar el canal de imagen del mezclador). Por lo tanto, primero es necesario sintonizar con precisión la frecuencia del VCO, por ejemplo, utilizando un DAC. Esto, a su vez, requiere una linealidad (y repetibilidad) extremadamente alta de la dependencia de la frecuencia de salida del VCO del voltaje de control en el rango de temperatura de funcionamiento, así como una calibración precisa del VCO para compensar la desviación de temperatura de esta dependencia. Además, los convertidores de digital a analógico suelen ser ruidosos, lo que afecta las características de ruido del sintetizador y requiere que el DAC se elimine del bucle PLL después de la sintonización previa a la frecuencia deseada.

También es posible reducir el factor de división total utilizando factores de división fraccionaria, dividiendo la frecuencia por N + 1 cada M períodos de señal y dividiendo por N durante el resto del intervalo de tiempo. En este caso, el factor de división promedio es igual a

donde N y M son números enteros. Para un tamaño de paso de frecuencia dado, los esquemas de división fraccionaria permiten utilizar una frecuencia de referencia más alta en la entrada del detector de fase, lo que da como resultado un ruido de fase reducido y una mayor velocidad de sintonización del sintetizador. El principal inconveniente de la técnica de división fraccionaria es el mayor contenido de componentes espectrales no armónicos debido a los errores de fase inherentes al mecanismo de división fraccionaria.

Elementos básicos de un sintetizador de frecuencia digital

Expliquemos que por el término "sintetizador de frecuencia digital", en relación con los sistemas de bucle de bloqueo de fase de pulso (IFAP) (o [Impulse] Phase Locked Loop - PLL), nos referimos a elementos digitales, utilizando principalmente circuitos digitales, del Anillo FIPA:


La ruta de generación de frecuencia de referencia es un divisor entero fijo (FIDF) o divisor de referencia, y su factor de división se puede establecer mediante una palabra de control externa, por ejemplo, de 1 a 16384.

La ruta de conversión de frecuencia del oscilador sintonizable es un divisor de factor variable (CVD) o un divisor con un factor flotante de división, divisor de N entero, su factor de división también se establece mediante un código externo y se puede cambiar en pasos unitarios. En los sintetizadores de baja frecuencia (por ejemplo, en el ADF4001), la ruta de división de frecuencia del VCO por un factor de N se realiza en divisores de contrafrecuencia DPCD convencionales, ya que la tecnología CMOS utilizada permite implementar contradisparadores con una conmutación tiempo de hasta 4–6 ns. Por lo tanto, la ruta de división de frecuencia del oscilador de referencia DPCD garantiza un funcionamiento confiable del sintetizador hasta valores de MHz (por ejemplo, en ADF4106). Cabe señalar que todos los sintetizadores de la serie ADF4000 proporcionan un factor de división de frecuencia de referencia mínimo . La introducción de un "prescaler", o un prescaler de dos módulos, permitió elevar la frecuencia de operación del DPCD a valores modernos (por ejemplo, hasta 4 GHz para el sintetizador ADF4113 y hasta 6 GHz para el sintetizador ADF4106). El módulo de preescalador mínimo permite proporcionar NMIN = 56. La frecuencia de salida del sintetizador se puede determinar mediante la fórmula:







donde: es la frecuencia de salida del sintetizador; — módulo preescalador; - el factor de división del contador B; — factor de división del contador A (0 ≤ A < B); es la frecuencia de la oscilación de referencia; es el factor de división del divisor de referencia.






Cualquier prescaler consta de un contador de deglución y un circuito de absorción de pulsos . El retardo de conmutación total de estos nodos no debe ser un múltiplo del período de la oscilación de entrada, es decir, las caídas activas de los pulsos de entrada y control no deben coincidir. De lo contrario, se produce el efecto de "competencia" y el dispositivo comienza a funcionar mal. En la práctica, intentan que el valor del retardo total en el prescaler no exceda el período mínimo de la oscilación de entrada. En otras palabras, el retraso en el preescalador determina la frecuencia máxima de funcionamiento del microcircuito.

Una característica interesante de la operación del preescalador en los sintetizadores ADF4110(1/2/3) es el llamado modo de resincronización, o resincronización de la salida del preescalador.

En el modo de sincronización de la operación del preescalador, los momentos de su cambio del modo "dividir por " al modo "dividir por" están controlados por la frecuencia de la señal de entrada RF. La activación reduce el ruido de fase del divisor (jitter), pero impone requisitos más estrictos sobre la magnitud y la estabilidad de los retrasos internos del microcircuito. Por lo tanto, la frecuencia de entrada máxima en la entrada de RF, a la que el sintetizador funciona de forma fiable, puede disminuir.

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