Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Виталий Иванович Козлов

Рассмотрены тенденции развития частотного синтеза на базе ФАПЧ за более чем 70-летний период, начиная с возникновения самой идеи такого синтеза, и включая настоящее время. Монография снабжена множеством поясняющих иллюстраций и обширным списком справочных источников. Книга может быть полезной разработчикам аппаратуры такого класса, а также студентам соответствующих специальностей.

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 F_K=119/17=7 МГц и F_L=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 F_K и F_L 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 F_K=2,916 (6) МГц и F_L=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 +/-nF_K+/-mF_L. 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=F_С0/2, где F_С0 — 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.