Синтезатор частот - Frequency synthesizer

А синтезатор частот является Электронная схема что порождает ряд частоты из одной опорной частоты. Синтезаторы частоты используются во многих современных устройствах, таких как радио приемники, телевизоры, мобильные телефоны, радиотелефоны, рации, CB радио, конвертеры кабельного телевидения, спутниковые ресиверы и GPS системы. Синтезатор частот может использовать методы умножение частоты, деление частоты, прямой цифровой синтез, частотное смешение, и петли фазовой автоподстройки частоты для генерации его частот. Стабильность и точность выхода синтезатора частоты, связаны со стабильностью и точностью его вход опорной частоты. Следовательно, в синтезаторах используются стабильные и точные опорные частоты, например, обеспечиваемые кристалл генераторы.

Типы

Можно выделить три типа синтезаторов. Первый и второй тип обычно встречаются как автономная архитектура: прямой аналоговый синтез (также называемый смешивать, фильтровать, разделять архитектура^[1] как было найдено в 1960-х HP 5100A ) и более современные прямой цифровой синтезатор (DDS) (просмотр таблицы ). Третий тип обычно используется как система связи. IC строительные блоки: косвенный цифровой (ФАПЧ ) синтезаторы включая целое-N и дробное-N.^[2]

Дигифазный синтезатор

В чем-то он похож на DDS, но имеет архитектурные отличия. Одна из его больших преимуществ является то, чтобы позволить гораздо более высокое разрешение, чем другие типы синтезаторов с данной опорной частоты.^[3]

История

Эта секция возможно содержит оригинальные исследования. Пожалуйста Улучши это от проверка заявленные претензии и добавление встроенные цитаты. Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. (Февраль 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

До широкого использования синтезаторов, чтобы принимать радиостанции на разных частотах, радио- и телевизионные приемники полагались на ручную настройку гетеродин, который использовал резонансный контур состоит из индуктор и конденсатор, или иногда резонансные линии передачи; для определения частоты. Приемник настраивался на разные частоты либо с помощью переменного конденсатора, либо с помощью переключателя, который выбирал правильную настроенную схему для желаемого канала, например, с турельным тюнером, обычно используемым в телевизионных приемниках до 1980-х годов. Однако резонансная частота настроенного контура не очень стабильна; колебания температуры и старение компонентов, вызванные частотный дрейф, заставляя приемник отклоняться от частоты станции. Автоматическая регулировка частоты (AFC) решает некоторые проблемы смещения, но часто требовалась ручная перенастройка. Поскольку частоты передатчика стабилизированы, точный источник фиксированных, стабильных частот в приемнике решит проблему.

Кристалл кварца резонаторы на много порядков стабильнее, чем LC-схемы и когда используется для управления частотой гетеродин обеспечить адекватную стабильность, чтобы приемник был настроен. Однако резонансная частота кристалла определяется его размерами и не может быть изменен для настройки приемника на разные частоты. Одним из решений является использование множества кристаллов, по одному для каждой желаемой частоты, и включение в схему правильного. Этот метод «грубой силы» практичен, когда требуется лишь несколько частот, но быстро становится дорогостоящим и непрактичным во многих приложениях. Например, FM радио полоса частот во многих странах поддерживает 100 отдельных частот каналов примерно из 88 МГц до 108 МГц; для настройки каждого канала потребуется 100 кристаллов. Кабельное телевидение может поддерживать еще больше частот или каналы в гораздо более широком диапазоне. Большое количество кристаллов увеличивает стоимость и требует большего места.

Решение этой проблемы была разработка схем, которые могли бы генерировать несколько частот из опорной частоты «» производства кварцевого генератора. Это называется синтезатором частоты. Новые "синтезированные" частоты будут иметь стабильность частоты задающего кварцевого генератора, поскольку они были получены из него.

За прошедшие годы было разработано множество методов синтеза частот. Некоторые подходы включают петли фазовой автоподстройки частоты, двойной микс, тройной микс, гармонический, двойной микс деления и прямой цифровой синтез (DDS). Выбор подхода зависит от нескольких факторов, таких как стоимость, сложность, размер шага частоты, скорость переключения, фазовый шум, и ложный вывод.

Когерентные методы генерируют частоты, полученные от одного стабильного задающего генератора. В большинстве приложений кварцевый генератор является обычным явлением, но можно использовать другие резонаторы и источники частоты. Некогерентные методы получают частоты из набора из нескольких стабильных генераторов.^[4] Подавляющее большинство синтезаторов в коммерческих приложениях используют когерентные методы из-за простоты и низкой стоимости.

Синтезаторы, используемые в коммерческих радиоприемниках, в значительной степени основаны на петли фазовой автоподстройки частоты или ФАПЧ. Многие типы синтезаторов частот доступны как интегральные схемы, уменьшая стоимость и размер. Приемники высокого класса и электронное испытательное оборудование используют более сложные методы, часто в сочетании.

Системный анализ и дизайн

Продуманный процедура проектирования считается первым важным шагом на пути к успешному проекту синтезатора.^[5] в Системный дизайн По словам Манассевича, «лучших» методик проектирования синтезатора частот столько же, сколько и опытных разработчиков синтезаторов.^[5] Системный анализ синтезатора частот включает выходной частотный диапазон (или полосу частот, или диапазон настройки), приращения частоты (или разрешение или настройку частоты), стабильность частоты (или фазовую стабильность, сравните паразитные выходы), характеристики фазового шума (например, спектральную чистоту), время переключения (сравнить время установления и время нарастания ), а также размер, энергопотребление и стоимость.^[6][7] Джеймс А. Кроуфорд говорит, что это взаимно противоречащие требования.^[7]

Влиятельные ранние книги по методам синтеза частот включают книги автора Флойд М. Гарднер (его 1966 г. Техники фазовой синхронизации)^[8] и по Венцеслав Федорович Крупа (его 1973 Частотный синтез).^[9]

Математические методы, аналогичные механическим передаточное число соотношения могут использоваться в частотном синтезе, когда коэффициент частотного синтеза является отношением целых чисел.^[9] Этот метод позволяет эффективно планировать распределение и подавлять спектральные выбросы.

Синтезаторы переменной частоты, в том числе DDS, обычно разрабатываются с использованием арифметики Modulo-N для представления фазы.

Принцип синтезаторов с ФАПЧ

Смотрите основную статью: Фазовая автоподстройка частоты

Фазовая автоподстройка частоты - это система управления с обратной связью. Он сравнивает фазы двух входных сигналов и выдает сигнал ошибки что пропорционально разнице между их фазами.^[10] Затем сигнал ошибки фильтруется нижними частотами и используется для управления генератор, управляемый напряжением (VCO), который создает выходную частоту. Выходная частота подается через делитель частоты обратно на вход системы, производя негативный отзыв петля. Если выходная частота дрейфует, сигнал фазовой ошибки будет увеличиваться, перемещая частоту в противоположном направлении, чтобы уменьшить ошибку. Таким образом, результат заблокирован к частоте на другом входе. Этот другой вход называется Справка и обычно происходит от кварцевого генератора, который очень стабилен по частоте. На блок-схеме ниже показаны основные элементы и устройство ФАПЧ на базе синтезатора частот.

Блок-схема синтезатора ФАПЧ распространенного типа.

Ключом к способности синтезатора частот генерировать несколько частот является делитель, расположенный между выходом и входом обратной связи. Обычно это делается в виде цифровой счетчик, при этом выходной сигнал действует как тактовый сигнал. Счетчик предварительно установлен на некоторое начальное значение счета и ведет обратный отсчет при каждом цикле тактового сигнала. Когда он достигает нуля, выход счетчика меняет состояние, и значение счетчика перезагружается. Эту схему легко реализовать, используя шлепки, и потому что это цифровой в природе, очень легко взаимодействовать с другими цифровыми компонентами или микропроцессор. Это позволяет легко управлять выходной частотой синтезатора с помощью цифровой системы.

пример

Предположим, что опорный сигнал составляет 100 кГц, а делитель может быть предварительно установлен на любое значение от 1 до 100. Сигнал ошибки, создаваемый компаратором, будет равен нулю только тогда, когда выходной сигнал делителя также равен 100 кГц. Для этого ГУН должен работать на частоте, которая равна 100 кГц x значение счетчика делителя. Таким образом, на выходе будет 100 кГц для счета 1, 200 кГц для счета 2, 1 МГц для счета 10 и так далее. Обратите внимание, что только целые кратные опорной частоты могут быть получены с помощью простейших целое число N делителей. Делители дробного азота легко доступны.^[11]

Практические соображения

Philips TDA6651TT - смеситель / генератор на 5 В и малошумящий синтезатор с ФАПЧ для гибридного наземного тюнера

На практике этот тип синтезатора частот не может работать в очень широком диапазоне частот, потому что компаратор будет иметь ограниченные пропускная способность и может страдать от сглаживание проблемы. Это могло бы привести к ложным ситуациям блокировки или к невозможности блокировки вообще. Кроме того, сложно создать высокочастотный ГУН, работающий в очень широком диапазоне. Это связано с несколькими факторами, но основным ограничением является ограниченный диапазон емкости варакторные диоды. Однако в большинстве систем, где используется синтезатор, мы стремимся не к огромному диапазону, а скорее к конечному числу в определенном диапазоне, например, к количеству радиоканалов в определенном диапазоне.

Для многих радиоприложений требуются частоты, которые выше, чем можно напрямую ввести в цифровой счетчик. Чтобы преодолеть это, весь счетчик может быть построен с использованием высокоскоростной логики, такой как ECL или, чаще, с помощью быстрого начального этапа деления, называемого предварительный делитель что снижает частоту до приемлемого уровня. Поскольку предварительный делитель является частью общего коэффициента деления, фиксированный предварительный делитель может вызвать проблемы при проектировании системы с узким разносом каналов, что обычно встречается в приложениях радиосвязи. Это можно преодолеть с помощью двухмодульный предварительный делитель.^[11]

Дополнительные практические аспекты касаются количества времени, в течение которого система может переключаться с канала на канал, времени блокировки при первом включении и того, сколько времени шум есть на выходе. Все это является функцией контурный фильтр системы, которая представляет собой фильтр нижних частот, расположенный между выходом компаратора частоты и входом ГУН. Обычно выходной сигнал компаратора частоты имеет форму коротких импульсов ошибки, но на входе ГУН должно подаваться плавное бесшумное постоянное напряжение. (Любой шум в этом сигнале естественным образом вызывает модуляция частоты ГУН.) Сильная фильтрация заставит ГУН медленно реагировать на изменения, вызывая дрейф и медленное время отклика, но легкая фильтрация вызовет шум и другие проблемы с гармоники. Таким образом, конструкция фильтра имеет решающее значение для производительности системы и фактически является основной областью, на которой разработчик сконцентрируется при создании системы синтезатора.^[11]

Использовать как частотный модулятор

Многие синтезаторы частоты с ФАПЧ также могут генерировать модуляция частоты (FM). Модулирующий сигнал добавляется к выходу контурного фильтра, напрямую изменяя частоту ГУН и выход синтезатора. Модуляция также появится на выходе фазового компаратора, амплитуда будет уменьшена любым делением частоты. Любые спектральные составляющие в модулирующем сигнале, слишком слабые для блокировки контурным фильтром, попадают обратно на вход ГУН с полярностью, противоположной модулирующему сигналу, тем самым нейтрализуя их. (Контур эффективно рассматривает эти компоненты как шум ГУН, который необходимо отслеживать.) Компоненты модуляции выше частоты среза петлевого фильтра не могут вернуться на вход ГУН, поэтому они остаются на выходе ГУН.^[12]

Таким образом, эта схема не может напрямую обрабатывать низкочастотные (или постоянные) модулирующие сигналы, но это не проблема для многих FM-передатчиков видео и аудио со связью по переменному току, которые используют этот метод. Такие сигналы также могут размещаться на поднесущей выше частоты среза петлевого фильтра ФАПЧ.

Смотрите также

• Супергетеродинный приемник
• Генератор с цифровым управлением
• Предварительный делитель с двумя модулями
• Wadley Loop

использованная литература

• Банерджи, декан (2006), Справочник по характеристикам, моделированию и проектированию ФАПЧ (4-е изд.), National Semiconductor, заархивировано из оригинал на 2008-11-21, получено 2008-10-20. Также PDF версия.
• Кроуфорд, Джеймс А. (1994), Справочник по проектированию синтезатора частот, Артек Хаус, ISBN  0-89006-440-7
• Иган, Уильям Ф. (2000), Синтез частоты с помощью фазовой синхронизации (2-е изд.), John Wiley & Sons, ISBN  0-471-32104-4
• Гарднер, Флойд М. (1966), Техники фазовой блокировки, Джон Уайли и сыновья
• Крупа, Венцеслав Ф. (1999), Прямые цифровые синтезаторы частоты, IEEE Press, ISBN  0-7803-3438-8
• Крупа, Венцеслав Ф. (1973), Синтез частот: теория, дизайн и приложения, Гриффин, ISBN  0-470-50855-8
• Манассевич, Вадим (1987), Синтезаторы частот: теория и дизайн (3-е изд.), John Wiley & Sons, ISBN  0-471-01116-9
• Попель-Горский, Ежи (1975), Синтез частот: методы и приложения, IEEE Press, ISBN  0-87942-039-1

дальнейшее чтение

• Ульрих Л. Роде "Цифровые синтезаторы частоты с ФАПЧ - теория и конструкция", Prentice-Hall, Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, январь 1983 г.
• Ульрих Л. Роде "Микроволновые и беспроводные синтезаторы: теория и дизайн", John Wiley & Sons, август 1997 г., ISBN  0-471-52019-5

внешние ссылки

• Hewlett-Packard 5100A (настраиваемый, разрешение 0,01 Гц Прямой синтезатор частоты введен в 1964 г .; для HP, прямой синтез означал ФАПЧ не используется, а косвенное означает ФАПЧ было использовано)
• Hewlett-Packard (декабрь 1965 г.). Синтезатор модели 5100A (PDF). Руководство по эксплуатации и обслуживанию.
• Hewlett-Packard (август 1965 г.). Драйвер синтезатора модели 5110A (PDF). Руководство по эксплуатации и обслуживанию.
• Синтезатор частот Патент США 3555446, Браймер, Н. Б. (1971, 12 января).
• Оливер, Бернард М. (Май 1964 г.). «Цифровой синтез частот» (PDF). Журнал Hewlett-Packard. 15 (9): 1.
• Ван Дузер, Виктор Э. (май 1964 г.). «Синтезатор частот 0-50 мкг с отличной стабильностью, быстрым переключением и прекрасным разрешением» (PDF). Журнал Hewlett-Packard. 15 (9): 1–6.. Синтезатор HP 5100A Direct: гребенчатый генератор; профильтровать, перемешать, разделить. Учитывая 3.0bcd МГц, смешайте с 24 MHz и фильтруйте, чтобы получить 27.0bcd MHz, смешайте с 3.a MHz и отфильтруйте, чтобы получить 30.abcd MHz; разделите на 10 и отфильтруйте, чтобы получить 3,0abcd МГц; передать на следующий этап, чтобы получить другую цифру, или микшировать до 360.abcd МГц и начать микширование и фильтрацию с другими частотами с шагом 1 МГц (30–39 МГц) и 10 МГц (350–390 МГц). Паразитные сигналы составляют -90 дБ (стр. 2).
• Ван Дузер, Виктор Э. (май 1964 г.). «Замечания по применению синтезаторов частот» (PDF). Журнал Hewlett-Packard. 15 (9): 7–8.
• Катлер, Леонард С. (Декабрь 1963 г.). «Исследование атомных спектральных линий цезиевой трубки с синтезатором частоты HP» (PDF). Журнал Hewlett-Packard. 15 (4).
• Шанахан, Джон. С. (декабрь 1971 г.). «Объединение генерации сигналов и синтеза сигналов: разработано одновременное решение проблем генерации сигналов и их использования. При оптимизации как для стендового, так и для автоматического использования» (PDF). Журнал Hewlett-Packard. 23 (4): 2–13.. Синтезатор HP 8660A / B Multiloop PLL.