Цифровые синтезаторы частоты с косвенным синтезом (ФАПЧ)

Несмотря на то, что прямые цифровые синтезаторы активно вытесняют традиционные косвенные синтезаторы из их традиционных областей применения, последние остаются непревзойденными по ряду параметров и вряд ли когда-нибудь будут заменены на DDS полностью. В табл.2.4.2.1 даны сравнительные характеристики этих двух типов синтезаторов частоты.

Табл.2.4.2.1.

Таким образом, синтезаторы с косвенным синтезом (на основе петли ФАПЧ) незаменимы в ОВЧ-СВЧ-генераторах, гетеродинах высокочувствительных приемников и передатчиков, к которым предъявляются жесткие требования по чистоте спектра сигнала.

Рассмотрим структуру простейшего синтезатора частоты с косвенным методом синтеза (рис.2.4.2.1). Принцип работы этой схемы хорошо известен: частотно-фазовый детектор (ЧФД) подстраивает частоту генератора, управляемого напряжением (ГУН) до тех пор, пока не буде выполнено равенство

F0 / M = Fвых / N , тогда Fвых = (F0 / M )* N .

Здесь (F0 / M) имеет смысл шага перестройки по частоте синтезатора. Петлевой фильтр обеспечивает заданные динамические характеристики и устойчивость петли ФАПЧ. Периодическая модуляция частоты в такой схеме (эта схема применяется, например, в цифровых передатчиках системы DECT не частоте 1.9 ГГц) осуществляется после достижения установившегося значения средней частоты ГУН. Для этого петля ФАПЧ размыкается путем установления выхода ЧФД в третье состояние, затем через гауссовский фильтр на ГУН подается пачка модулирующих частоту импульсов, после чего петля ФАПЧ снова замыкается и производится подстройка среднего значения частоты.

Рис.2.4.2.1.

Недостатком подобного синтезатора является увеличение шага перестройки частоты при повышении его рабочей частоты. Это происходит потому, что для повышения рабочей частоты синтезатора перед ДПКД (который может работать на частотах до нескольких десятков МГц) устанавливают предварительный делитель частоты с коэффициентом деления К, при этом и шаг перестройки частоты увеличивается в К раз:

Fвых = (К*F0 / M )* N .

Для сохранения на высоких рабочих частотах такого же шага перестройки, как в схеме без предварительного делителя (F0 / M ) применяют схему с перестраиваемым поглощающим счетчиком и перестраиваемым предварительным делителем (рис.2.4.2.2).

Рис.2.4.2.2.

Предварительный делитель в этой схеме имеет переключаемый коэффициент деления: К или К+1 (например, 10/11 или 40/44, такие ИМС выпускаются промышленностью).

ДПКД и поглощающий счетчик работают таким образом, что по команде загрузки они загружаются числом В и А соответственно (причем обязательно В>À), после чего каждый входной импульс уменьшает их состояние на 1. Пока в счетчиках остается число, большее 0, на их выходах присутствует высокий логический уровень, а при достижения 0 этот уровень меняется на низкий.

Схема с поглощающим счетчиком работает следующим образом. Пусть в какой-то момент времени счетчик В обнулился, при этом оба счетчика, согласно схеме, перезагружаются величинами А и В соответственно, и начинается новый цикл счета на уменьшение их значений. Пока поглощающий счетчик не обнулился, на его выходе 1 и предварительный делитель работает с коэффициентом К+1, поэтому он обнулится через (К+1)*А периодов частоты ГУН. Как только его значение достигнет 0, на его выходе установится низкий логический уровень, он перестанет считать, а коэффициент предварительного делителя станет равным К. До обнуления счетчика В останется еще (В-А) циклов счета (счетных импульсов). Поскольку счетные импульсы теперь поступают с частотой ГУН, деленной на К, то до обнуления счетчика В пройдет еще (В-А)*К периодов частоты ГУН. После обнуления ДПКД описанный цикл повторится.

Итак, подсчитаем эквивалентный коэффициент деления схемы: он равен полному числу периодов частоты ГУН до ее повторной перезагрузки

N = ( A *( K +1))+(( B - A )* K ) = A + B * K .

Частота ГУН при этом описывается той же формулой, что и для простейшей петли ФАПЧ:

Fвых = (F0 / M )* N .

Важно здесь то, что теперь изменением коэффициента деления поглощающего счетчика А можно добиться перестройки синтезатора на высокой частоте с малым шагом, равным (F0 / M ). Пределы изменения эквивалентного коэффициента деления N = К2-К... Amax + Bmax * K .

Описанный принцип реализован в отечественных ИМС К1015ХК2А (им требуется внешний предварительный делитель с изменяемым модулем счета) и в ИМС семейства ADF4110-ADF4112 (у них этот делитель выполнен на кристалле ИМС).

В цифровых приемопередатчиках широко используют сдвоенные синтезаторы частоты - микросхемы, способные формировать одновременно две частоты от одного опорного сигнала. Сдвоенные синтезаторы частоты можно разделить на два типа: ВЧ/ВЧ синтезаторы, вырабатывающие одновременно две высокие частоты, номиналы которых различаются незначительно, и ВЧ/ПЧ синтезаторы, у которых номиналы частот различаются более, чем на порядок.

Заключение:

Основным направлением развития систем связи является обеспечение множественного доступа, при котором частотный ресурс совместно и одновременно используется несколькими абонентами. К технологиям множественного доступа относятся TDMA, FDMA, CDMA и их комбинации. При этом повышают требования и к качеству связи, т.е. помехоустойчивости, объему передаваемой информации, защищенности информации и идентификации пользователя и пр. Это приводит к необходимости использования сложных видов модуляции, кодирования информации, непрерывной и быстрой перестройки рабочей частоты, синхронизации циклов работы передатчика, приемника и базовой станции, а также обеспечению высокой стабильности частоты и высокой точности амплитудной и фазовой модуляции при рабочих частотах, измеряемых гигагерцами. Что касается систем вещания, здесь основным требованием является повышение качества сигнала на стороне абонента, что опять же приводит к повышению объема передаваемой информации в связи с переходом на цифровые стандарты вещания. Крайне важна также стабильность во времени параметров таких радиопередатчиков - частоты, модуляции. Очевидно, что аналоговая схемотехника с такими задачами справиться не в состоянии, и формирование сигналов передатчиков необходимо осуществлять цифровыми методами.

Список литературы:

1. Кириллов С.Н., Бодров О.А., Макаров Д.А. Стандарты и сигналы средств подвижной радиосвязи. Рязань: РГРТА. 1999.

2. Гольцова М. Широкополосные ЦАП: борьба на рынке коммуникационных систем усиливается. // Электроника. 2001. №2.

3. Bluetooth: устройства всех стран, соединяйтесь! ...без проводов. // Электроника. 2000. №5.

4. Уолт Кестер, Джеймс Брайэнт. Аналого-цифровые преобразователи для задач цифровой обработки сигналов. www.analog.com.ru/public/3.pdf

5. Проектирование радиопередатчиков: Учеб. пособие для вузов. / Под ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь. 2000. 654 с.