De synthesizer
De synthesizer is in de moderne kommunikatie apparatuur niet meer weg te denken.
In veel van onze apparatuur heeft de synthesizer kristallen en VFO's verdrongen. Zo ook in de professionele apparatuur zoals die gebruikt wordt door o.a. politie en brandweer.
Sedert 1976 wordt in professionele mobilofoons gebruik gemaakt van frequentiesynthesizers voor het opwekken van de gewenste zend- en ontvangstfrequentie. Tot voor kort waren dit synthesizers volgens het mengprincipe (zie figuur 1). Dit was noodzakelijk omdat snelle delers duurder waren dan een komplete mengtrap en bijbehorende oscillator. Tegenwoordig bestaan er delers die de mengtrap overbodig maken. Hierdoor is het mogelijk geworden om de synthesizer volgens een geheel nieuw principe te maken.
Fig.1 Synthesizer volgens oude principe.
Omdat velen het oude principe synthesizer niet kennen gaan we dit eerst bekijken voordat we het nieuwe principe zullen bespreken.
Elke synthesizer bevat een VCO (Voltage Controlled Oscillator) die oscilleert op de eindfrequentie. Dit is bij een 4 meter mobilofoon op ongeveer 80 MHz. De instelbare deler in de synthesizer heeft een maximale ingangsfrequentie van circa 10 MHz, dus moet het VCO-signaal verlaagd worden voordat het toegevoerd kan worden aan de deler. Dit wordt gedaan door het VCO-signaal te mengen met een signaal afkomstig van een kristaloscillator waarvan de frequentie 10 MHz hoger of lager is dan de VCO-frequentie. Het verschilsignaal (ongeveer 10 MHz) kan door de instelbare deler verwerkt worden. Deze deler is zo ingesteld dat het signaal gedeeld wordt tot de frequentie overeenkomt met de rasterfrequentie (12,5 kHz voor een 80 MHz mobilofoon).
Bijvoorbeeld:
zendfrequentie = 80,0125 MHz
mengfrequentie = 90,0000 MHz
deelfaktor = 799
ingangsfrequentie deler = 90 - 80,0125 = 9,9875 MHz
uitgangsfrequentie deler = 9,9875 / 799 = 0,0125 MHz (12,5 kHz)
De deelfaktor van de deler is geen vaste waarde. Namelijk voor elke uitgangsfrequentie is een andere deelfaktor nodig om er voor te zorgen dat de uitgangsfrequentie van de deler 12,5 kHz is. Wanneer de zender op 80,0250 MHz moet werken dan moet de deler op een deelfaktor van 798 ingesteld worden zodat de uitgangsfrequentie weer 12,5 kHz is. Met behulp van b.v. een schakelaar kan de deelfaktor ingesteld worden. Deze schakelaar is dan de kanalenkiezer (b.v. in de IC-240 of in een 27 MHz TRX). Doordat er voor gezorgd wordt dat de uitgangsfrequentie van de deler altijd 12,5 kHz is, kan dit signaal vergeleken worden met een kristalstabiel signaal. Dit wordt gedaan in een fasevergelijker waarvan het uitgangssignaal (een gelijkspanning) teruggevoerd wordt aan de VCO. De fasevergelijker zorgt er voor dat de VCO-frequentie dusdanig is dat na menging en deling de frequentie 12,5 kHz is. De frequentie van de VCO verandert namelijk wanneer de regelspanning verandert. In de regellus is een laagdoorlaatfilter opgenomen om stoorsignalen te onderdrukken omdat dit soort signalen in de VCO-frequentie zijn terug te vinden als FM-gemoduleerde signalen.
Synthesizers volgens het nieuwe principe
Fig.2 Synthesizer volgens nieuwe principe.
In de nieuwste versies van de mobilofoons zit een synthesizer welke gebaseerd is op een ander principe. Er wordt niet meer gemengd maar meteen gedeeld. We gaan er van uit dat de VCO-frequentie een heel veelvoud is van de rasterfrequentie. Er wordt gebruik gemaakt van een snelle voordeler die in staat is om de VCO-frequentie te delen (bij een 70 cm mobilofoon is dat dus circa 450 MHz). Er wordt nu gedeeld tot de rasterfrequentie, zodat met een fasevergelijker het signaal met een referentiewaarde vergeleken kan worden (net als bij de vorige synthesizer).
Bij een frequentie van 450 MHz en een raster frequentie van 25 kHz is het deeltal 450/0,025 = 18000. Bij 450,025 is het deeltal 18001 enz.
De instelbare deler wordt samen met de voordeler gezien als een geheel. We nemen aan dat de voordeler staat ingesteld op een deelfaktor van 81. De tellers A en N staan parallel. Er komt een signaal binnen vanaf de VCO. Aan de uitgang van de 80/81 deler is het VCO-signaal gedeeld door 81. Dit signaal wordt toegevoerd aan de ingang van de tellers A en N. Wanneer de teller A zijn ingestelde waarde heeft bereikt klapt de uitgang om en de 80/81 deler gaat door 80 delen. In de tijd dat de teller A zijn ingestelde waarde heeft bereikt, heeft de teller N dezelfde hoeveelheid pulsen geteld. De ingestelde waarde van de N-teller is echter hoger dan die van de A-teller. Hierdoor wordt dus nog N-A maal door 80 gedeeld. Wanneer de N-teller zijn ingestelde waarde heeft bereikt dan worden de tellers A en N gereset en de 80/81 deler gaat weer door 81 delen en de cyclus kan weer opnieuw beginnen.
De deelformule is nu als volgt:
Dt = 81 A + 80 (N-A)
Dt = 81 A + 80 N - 80 A
Dt = 80 N + A
Dit is het totale deeltal. Dit deeltal is dusdanig dat aan de uitgang van de teller N de rasterfrequentie staat. Het is in de formule te zien dat N altijd groter moet zijn dan A (negatief delen gaat niet).
In het genoemde voorbeeld van een 450 MHz zender is het deeltal 18000. Wanneer we de teller A op 0 instellen dan moet de N-teller op 225 ingesteld worden om het deeltal van 18000 te bereiken. Voor een frequentie van 450,0250 moet het deeltal 18001 worden. Bij gelijkblijvende N-waarde moet de A-teller op 1 ingesteld worden om het totale deeltal te verkrijgen. Door dus de waarde van de A-teller te veranderen kan de frequentie gewijzigd worden.
Voor het deeltal van 18001 zijn we uitgegaan van een N-waarde van 225 en een A-waarde van 1. Het is ook mogelijk om de N-waarde op 224 in te stellen en de A-waarde op 81. Ook dit levers een totaal deeltal van 18001 op (evenzo bij N = 223 en A = 161). Al deze deeltallen geven dezelfde VCO-frequentie. Welke waarden voor de tellers A en N gekozen worden hangt of van het ontwerp en van de tellers die gebruikt worden. Het is mogelijk dat de N-teller 1 lager staat dan berekend is. Dat komt door de vertraging die in de CMOS-delers optreedt bij het omschakelen van de stand 81 naar de stand 80. Om die vertraging te definieren is het soms noodzakelijk om de CMOS-poort wat kapacitief te belasten.
Het voordeel van de nieuwe soort synthesizers is dat er geen oscillatortrein en mengtrap meer nodig zijn. Hierdoor is de hoeveelheid uitgestraalde ongewenste straling vele malen kleiner waardoor de filtering van het uitgangssignaal veel simpeler kan. De voordelers zijn te koop in vele soorten van 5/6 delers tot 255/256 deters en ook in vele frequentiegebieden tot ca 1500 MHz. De grootste leverancier van dit soort IC's is de firma Plessey.
J. van der Mey, PA0JMY.