• Главная "RFDesign"
  • Новые статьи
  • Принципы построения ССПО
  • Принципы функционирования ССПО
  • РЧ функциональные узлы и радиокомпоненты
  • Основные параметры компонентов РЧ блоков
  • Стандарты и технологии мобильной связи
  • Форум
  • Карта сайта
  • Гостевая книга
  • О сайте

  • Синтезаторы частот РЧ блоков (Frequency Synthesiser)

  • Прямые цифровые синтезаторы ПЦС (Direct Digital Synthesiser, DDS)

  • Основные сведения о синтезаторах частоты

  • Пассивный синтез

  • Активный синтез

  • Аналоговые и цифровые системы синтеза

  • Синтезаторы частот, выполненные по методу активного синтеза

  • ИС синтезатора частот универсального применения

  • Уменьшение шага сетки частот. Дробное деление

  • Уменьшение энергопотребления СЧ

  • Разновидности СЧ, используемые в устройствах мобильной связи

  • Одночастотный синтезатор
  • Сдвоенный СЧ
  • Сдвоенный СЧ сигналов РЧ/ПЧ


  • Основные сведения о синтезаторах частоты

    В тракте синтеза частот происходит процесс получения одного или нескольких колебаний требуемых номиналов путем преобразования опорной частоты, называемый обычно синтезом частот.

    Для этого используются операции сложения, вычитания, деления и умножения частот. Эти операции производят соответственно с помощью делителей частоты, умножителей частоты и сумматоров частот. Очень часто умножение частоты осуществляют с помощью петель автоподстройки частоты (Phase-Locked Loop, PLL), состоящих из управляемого напряжением генератора ГУН, фазового или частотного детекторов ФД и делителя частоты на N.

    Сигнал опорной частоты получают от высококачественных генераторов, имеющих повышенную стабильность, называемых опорными генераторами ОГ (Reference oscillator). В РЧ блоках устройств подвижной связи, как правило, используется один, общий для всех синтезаторов частоты системный высококачественный опорный сигнал (Clock), получаемый от стабилизированного кварцевым резонатором опорного генератора ОГ. В таких генераторах, особенно в стационарных радиоблоках больших систем, часто используется кварцевые генераторы, управляемые напряжением (Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCCO) или высокостабильные термокомпенсированные кварцевые генераторы (Temperature-compensated Crystal Oscillator, TCCO).

    Если устройство синтеза частот выполняется в виде функционально законченного блока или прибора, его называют синтезатором частот СЧ (Frequency Synthesizer). В том случае, если в системе синтеза частот ССЧ используется одна опорная частота, она называется одноопорной. Именно одноопорные ССЧ получили наибольшее распространение в устройствах радиосвязи. СЧ, формирующий на выходе в каждый момент времени только одно колебание определенного номинала, будем называть одночастотным синтезатором (ОЧС). Устройство, позволяющее сформировать несколько выходных колебаний различных номиналов одновременно, называют многочастотным синтезатором (МЧС). Как правило, одночастотные СЧ имеют один выход, многочастотные – несколько (рис. 15.1).

     

    Рис. 15.1 Одночастотный (а) и многочастотный (b) синтезаторы частот

    Совокупность значений частот, которые могут быть получены на выходе СЧ, принято называть сеткой частот.

    Минимальный интервал F между соседними частотами, формируемыми в СЧ, называют шагом сетки частот (Frequency Step Size).

    Если шаг между всеми выходными частотами, которые могут быть получены в СЧ, одинаков, говорят, что синтезатор предназначен для создания сетки эквидистантных частот.

    Все системы синтеза частот делят на две группы: системы активного (косвенного) и системы пассивного (прямого) синтеза.

    Системами активного (косвенного) синтеза называют системами синтеза частот, в которых фильтрация колебания синтезируемой частоты осуществляется с помощью колец фазовой автоподстройки частоты или компенсационного кольца.

    В системах пассивного (прямого) синтеза получение выходных частот производится без применения колец АПЧ.

    Пассивный синтез

    Основным достоинством систем пассивного синтеза частот является их высокое быстродействие. В аналоговых системах быстродействие ограничивается инерционностью применяемых узлов, в цифровых - быстродействием цифровых ИС.

    Наиболее существенным недостатком рассматриваемых синтезаторов является наличие в выходном сигнале побочных составляющих. В аналоговых системах они возникают при выполнении всех операций преобразования частот, в цифровых системах побочные составляющие принципиально могут возникать на всех этапах получения выходного сигнала.

    В современном радиооборудовании ССПО редко применяются традиционные системы пассивного синтеза. Зато в последнее время начинают использовать рассмотренные далее системы прямого цифрового синтеза ПЦС (DDS).

    Достоинства систем прямого цифрового синтеза:

      • Очень высокое быстродействие;
      • Возможность получения очень малого шага сетки частот, определяемый величиной сотые доли Гц и даже менее.

    Недостатки систем прямого цифрового синтеза:

      • Недостаточно высокий диапазон выходных частот, ограниченный в настоящее время величинами около 500 МГц;
      • Очень высокое энергопотребление;
      • Значительные массогабаритные показатели;
      • Значительный уровень дискретных составляющих в выходном сигнале, увеличивающийся с ростом номинала выходной частоты СЧ.

     

    Активный синтез

    Достоинства систем активного синтеза:

      • Высокая спектральная чистота синтезируемых сигналов;
      • Достаточно высокие значения номиналов выходных частот, подходящие для использования в устройствах ССПО;
      • Значительно меньшее энергопотребление по сравнению с системами прямого цифрового синтеза.

    Недостатки систем активного синтеза:

      • Невысокое быстродействие, определяемое инерционностью применяемых петель ФАПЧ;
      • Трудности получения малого шага сетки выходных частот, необходимого для использования в устройствах ССПО.

     

    Аналоговые и цифровые системы синтеза

    Системы синтеза частот можно разделить на две группы: системы, выполняемые на аналоговой элементной базе - аналоговые ССЧ и системы, выполняемые на цифровой элементной базе, зачастую называемые цифровыми ССЧ. Идеология выполнения ССЧ в этих двух группах и основные их характеристики сильно отличаются. Цифровые ССЧ обладают более высокой технологичностью, могут быть выполнены в виде ИС, обладают лучшими массогабаритными показателями. Основным фактором, сдерживающим широкое распространение цифровых ССЧ, является не достаточно высокое быстродействие современных цифровых ИС, ограничивающее верхнюю границу частотного диапазона синтезаторов. Однако, по мере улучшения технологии цифровых ИС, повышения их быстродействия, доля цифровых СЧ среди систем синтеза увеличивается.

     

    Синтезаторы частот, выполненные по методу активного синтеза

    В системах подвижной связи, и DECT в частности, используются, в основном, цифровые СЧ, выполненные по методу активного синтеза.

     

    Рис. 2 Цифровой СЧ, выполненный по методу активного (косвенного) синтеза

    В них выходная частота генератора, управляемого напряжением ГУН (Voltage Controlled Oscillator, VCO), являющаяся и выходной частотой СЧ, подается на делитель частоты с коэффициентом деления N (рис. 15.2). Выходная частота делителя fср, называемая частотой сравнения, подается на один из входов устройства сравнения УС. Отметим, что номинал частоты сравнения в N раз меньше, чем номинал fвых. На другой вход устройства сравнения подается сигнал опорного генератора с частотой fo. В качестве устройства сравнения используется, как правило, фазовый детектор ФД или частотный детектор ЧД. Узлы, в которых происходит преобразование выходной частоты синтезатора в частоту сравнения, образуют тракт приведения частоты.

    Устройство сравнения вырабатывает управляющий сигнал, величина которого пропорциональна разности частот fo и fср. Управляющий сигнал через фильтр нижних частот ФНЧ, необходимый для фильтрации этого сигнала и обеспечения устойчивости работы синтезатора, подается на вход ГУН и производит подстройку номинала частоты fвых выходных колебаний. В работающем синтезаторе обычно устанавливается режим синхронизации, при котором fср = fo, тогда номинал выходной частоты: fвых = N fср = N fo. Можно сказать, что в данной структуре происходит умножение опорной частоты fo на коэффициент N.

    Таким образом, изменяя коэффициент деления N, в синтезаторе частот можно сформировать сетку выходных частот с шагом fo.

    ИС синтезатора частот универсального применения

    Типовая структура СЧ, предназначенного для использования в системах мобильной связи и выполненного в виде ИС универсального применения, представлена на рис. 15.3.

     

    Рис. 3 Типовая структура СЧ, выполняемого в виде ИС

    Интегральная схема содержит опорный генератор ОГ, фазовый детектор ФД (phase detector), делители опорного тракта (Reference divider) и тракта приведения (Prescaler/VCO divider) и два запоминающих устройства ЗУ, в которых содержится информация об устанавливаемых коэффициентах деления K и N. Для реализации СЧ необходимо подключить на выход ФД устройство фильтрации ФНЧ или петлевой фильтр (Loop filter) и ГУН. Конкретная схемотехническая и конструктивная реализация этих узлов СЧ сильно зависят от диапазона выходных частот синтезатора, требований, предъявляемых к качеству выходного сигнала СЧ, быстродействия, стоимости и других показателей качества устройства. В связи с этим ФНЧ и ГУН, как правило, не размещают внутри ИС. Внешним элементом является также и кварцевый резонатор (КР), имеющий по сравнению с корпусом ИС значительные размеры. Выбор номинала КР также зависит от параметров выходного сигнала СЧ. Такой подход делает ИС универсальным устройством применимым в различных по качеству, стоимости и назначению РЧ блоках.

    Уменьшение шага сетки частот. Дробное деление

    Часто от СЧ требуется получить мелкую сетку частот с шагом, меньшим fo/K. Данная проблема решается путем применения дробных коэффициентов деления (делителей с дробным коэффициентом деления, ДДПКД). При этом в течение некоторого временного цикла коэффициент деления N меняется по определенному закону. Если на протяжении какого-то временного отрезка коэффициент деления половину времени будет равняться N, а другую половину времени будет равняться N+1, тогда средний коэффициент деления за цикл будет равен N+0.5 и шаг сетки частот при этом станет в два раза меньше, т.е. f=fo/2K. При этом коэффициент N необходимо менять по сложному закону для минимизации побочных дискретных составляющих, т.е. для улучшения спектра выходного сигнала. Если говорить о среднем значении выходной частоты, то при таком изменении коэффициента N может быть получена достаточно мелкая сетка выходных частот с малым шагом f.

    Уменьшение энергопотребления СЧ

    Синтезатор частот наряду с УМ передатчика является одним из самых энергопотребляющих узлов современного устройства подвижной связи. В устройствах подвижной связи узлы, которые в данный момент не используются, стремятся перевести в режим пониженного энергопотребления. Это касается всех узлов, кроме СЧ, т.к. сигнал от СЧ нужен для работы РЧ блока практически постоянно, поэтому СЧ нельзя просто отключить для экономии энергии. В связи с этим СЧ переводится в режим пониженного энергопотребления при частичном отключении некоторых его узлов. При этом СЧ продолжает формировать выходную частоту, но его энергопотребление уменьшается.

    Рис. 4 Реализация режима пониженного энергопотребления в СЧ

    Например, для перевода СЧ в данный режим отключаются делители N и K, но ГУН не отключается (рис. 15.4). При этом на некоторое время, например, в паузах между обработкой - приемом и передачей - информационных РЧ посылок, петля автоподстройки частоты размыкается, и соответственно несколько ухудшается качество формируемого сигнала. Перед переходом РЧ в режим обработки РЧ посылок делители N и K включаются, начинается подстройка ГУН с восстановлением качественных характеристик формируемого сигнала.


    Разновидности СЧ, используемые в устройствах мобильной связи

    В устройствах мобильной связи используются три основных разновидности СЧ, выполняемых в виде интегральных схем:

    Одночастотный синтезатор

    В самом общем случае для формирования каждой из необходимых опорных частот для РЧ блока в приемопередатчике может быть использован отдельный одночастотный СЧ.

    Рис. 5 Использование одночастотного СЧ в РЧ блоке

    На рис. 5 приведен пример структуры приемопередатчика, в котором одночастотный СЧ используется для поочередной подстройки двух генераторов: ГУН1, формирующего опорную частоту, используемую в тракте приема, и ГУН2, выходной сигнал которого с предварительно введенной модуляцией используется в тракте передачи. Более подробно схемотехническая реализация и частотный план такой архитектуры приемопередатчика уже рассматривались ранее.

    Сдвоенный СЧ

    В устройствах ССПО могут использоваться сдвоенные синтезаторы частоты (dual frequency synthesizer), в корпусе ИС которых находятся две раздельные петли автоподстройки частоты, позволяющие одновременно управлять частотами двух ГУН (рис. 6). В таких синтезаторах происходит формирование двух выходных частот, номиналы которых отличаются незначительно. Один из сигналов, как правило, используется для переноса сигнала ПЧ, сформированного в передающей части, в диапазон выходных частот передатчика, а другой сигнал СЧ служит для преобразования принимаемого сигнала в область ПЧ.

     

    Рис. 6. Типовой вариант использования сдвоенного СЧ в РЧ блоке

     

    Сдвоенный СЧ сигналов РЧ/ПЧ

    В сдвоенных СЧ сигналов РЧ/ПЧ (Dual RF/IF Frequency Synthesizer) номиналы двух одновременно формируемых выходных частот значительно (на порядок и более) различаются. Как правило сигналы, сформированные такими СЧ, используются в трактах РЧ и ПЧ соответственно. На рис. 7 показана обобщенная структура приемопередатчика, в котором использован такой сдвоенный ВЧ/ПЧ синтезатор.

    Рис. 7. Применение сдвоенного ВЧ/ПЧ синтезатора в устройствах подвижной связи


     
  • Last update on 04/05/2007

    Сайт находится в стадии оформления, информационного наполнения и тестирования. Приносим извинения за возможные неточноcти и некорректную работу. Рады конструктивным замечаниям, предложениям и вопросам, которые можно записать в гостевую книгу или отправить по е-почте.
    |||| Гостевая книга ||||
    Copyright © 1999-2007 Sergey Dinges - Сергей Дингес, RFDesign.ru, email: rfdesign@yandex.ru