Moderne frequentiesynthese
Dit artikel beschrilft de technologie die gebruikt wordt in moderne communicatieapparatuur om de benodigde hoogfrequente signalen op te wekken. Door de wereldwijde invoering van de GSM netwerken is mobiele communicatie bereikbaar geworden voor vrijwel iedereen. De ontwikkelaars van randapparatuur hebben componentenleveranciers gedwongen steeds verder te gaan met integratie van functionaliteit. Dit heeft geleid tot een nieuwe blik op componenten voor opwekking van hoogfrequente signalen waarbij het lijkt dat de frsische grenzen worden overschreden. Ter inleiding zal ik ingaan op conventionele technologie, de nieuwe technieken worden daarna verklaard.
Conventionele technologie
In het verleden werden hoogfrequente signalen opgewekt door middel van kristaloscillatoren. Door verfijnde technologie was (en is) het mogelijk een stukje natuurkwarts of synthetisch kwarts te laten vibreren. De stabiliteit van een kristaloscillator is in hoofdzaak afhankelijk van de voedingsspanning en de omgevingstemperatuur. De oscillator werd daarom temperatuur-gestabiliseerd, meestal door het gebruik van speciale condensatoren die de temperatuurdrift van het kristal compenseren.
Een nadeel van het gebruik van kristaloscillatoren is het feit dat een kristal slechts op een frequentie wil oscilleren. Voor een zender of ontvanger met meerdere kanalen was er dan ook een kristal per kanaal nodig. Verder kunnen kristallen niet worden geslepen voor extreem hoge frequenties. Daarom was in een vroegere zend/ontvanger altijd een oscillatortrein nodig. Bovendien is door de vaste frequentie een kristaloscillator nauwelijks lineair in frequentie te moduleren.
Een enorm voordeel van een kristaloscillator is echter de geringe hoeveelheid ruis. Daarom wordt voor een ontvanger waarbij zeer goede hoogfrequent eigenschappen noodzakelijk zijn nog steeds gebruik gemaakt van kristaloscillatoren.
Vanwege de veelheid aan kanalen en de grote hoeveelheid ruimte is er een ander concept bedacht: de frequentie synthesizer.
Frequentie Synthesizer (PLL)
De eerste frequentie synthesizers in communicatieapparatuur zijn ontworpen om de kristaloscillatoren te vervangen. Het principe van een synthesizer is simpel.
De Variable Frequency Oscillator is een vrijlopende oscillator (meestal een Colpitts oscillator) die ongeveer op de gewenste frequentie oscilleert. De Voltage Controlled Oscillator is afstembaar door middel van een capaciteitsdiode. Eventueel is het mogelijk om een tweede capaciteitsdiode aan te brengen waardoor het VCO signaal in frequentie kan worden gemoduleerd. De instelbare deler deelt de VCO frequentie tot een waarde die meestal de rasterfrequentie van de zender of de ontvanger is. Het is bier zaak om deze frequentie zo hoog mogelijk te maken: later kom ik hierop nog terug.
De kristaloscillator is voorzien van een deler waarmee de uitgang op de gewenste rasterfrequentie "Fr" uitkomt.
De fasevergelijker is nets meer dan een set-reset flipflop. De flipflop wordt gezet door een opgaande (of neergaande) flank van het :N signaal en reset weer door een opgaande flank van het Xtal Oscillator signaal. Er ontstaan aan de uitgang van de fasevergelijker dus pulsen waarbij de pulsbreedte afhankelijk is van het faseverschil tussen de ingangen van de fasevergelijker. Hoe groter de afwijking tussen de beide frequenties hoe breder de pulsen aan de uitgang van de fasevergelijker. Het zal duidelijk zijn dat de herhalingsfrequentie van de pulsen gelijk is aan de rasterfrequentie van de synthesizer.
Het laagdoorlaatfilter filtert de rasterfrequentie uit en zorgt voor een nette gelijkspanning waarmee de capaciteitsdiode in de VCO wordt gestuurd. Het is in het schema te zien dat er een lus wordt gemaakt: als de signalen op de fasevergelijker eenmaal in fase zijn zal de frequentie aan de uitgang van de VCO stabiel zijn en exact N maal de rasterfrequentie bedragen.
Rasterfrequentie en tijd
Het is uit de theorie bekend dat frequentie de inverse is van tijd. Het zal dan ook zo zijn dat het meer tijd kost om een lage frequentie te filteren dan een hoge frequentie. Dit is de reden dat de rasterfrequentie aan de ingang van de fasevergelijker zo hoog mogelijk moet worden gekozen. In de praktijk bedraagt de frequentie 5 of 6,25 kHz. Daarmee is het mogelijk om elke gewenste landmobiele frequentie op te wekken.
Wanner een synthesizer wordt gebruikt voor het ontvangen of uitzenden van Single Side Band (SSB) signalen is een rasterfrequentie van 5 of 6,25 kHz bij lange na niet voldoende: bier moet een rasterfrequentie van maximaal 100 Hz worden gebruikt. Kort en goed: hoe lager de rasterfrequentie hoe langer de vergrendeltijd (lock-in tijd) van de synthesizer. Omdat zeker bij het in- of uitschakelen van een zender de frequentie onmiddellijk stabiel moet zijn is gezocht naar verbeteringen van de vergrendeltijd. Een mogelijk oplossing is het volgende principe:
De positieve en negatieve uitgangen van de fasevergelijker worden verbonden met een snel maar onnauwkeurig en een langzaam maar nauwkeurig filter. Zodra de faselus is vergrendeld schakelt het filter om van snel naar langzaam. Hierdoor wordt bereikt dat de lus bij het inschakelen van de zender snel wordt vergrendeld maar toch stabiel en zonder ongewenste producten is. Er worden strenge eisen gesteld aan moderne zenders. Zo mag de zender geen vermogen uitstralen zolang de lus niet stabiel is.
Door de hoogohmige uitgang van de fasevergelijker wordt meestal in het filter gebruik gemaakt van een operationele versterker. Het is van belang hiervoor een zeer ruisarme OpAmp uit te zoeken. Elk beetje toegevoegde ruis wordt direct teruggezien op de VCO frequentie. Zeker als de synthesizer gebruikt wordt voor omroepzenders speelt de signaal/ruisverhouding, ook bij hogere modulatiefrequenties, een grote rol. De ruis is ook rechtevenredig met het totale deeltal van de synthesizer. Het is dan ook goed met het ontwerp rekening te houden met deeltallen en schakelbandbreedte van de VCO. Hoe kleiner de schakelbandbreedte (bij een bepaalde verhouding van de regelspanning), hoe kleiner de ruisbijdrage. Op de berekening van het filter wordt hier niet verder ingegaan: ik verwijs hiervoor naar de literatuur.
Synthesizer met dual modulus prescaler
Een wat modernere variant is de synthesizer met dual modulus prescaler. Hierbij is het mogelijk om de VCO op de gewenste eindfrequentie te laten oscilleren en dat geeft voordelen met betrekking tot ongewenste producten die ontstaan bij frequentievermenigvuldiging. Het blokschema van de dual modulus synthesizer is in de volgende figuur weergegeven.
Zoals gezegd oscilleert de VCO op de gewenste frequentie. De voordeler :N/:N+1 (of een variant daarvan) is een zeer snelle deler. Ook het omschakelen van :N naar :N+1 is zeer snel: dat gebeurt in minder dan een periodetijd aan de ingang van de deler. Het omschakelen wordt gestuurd met de MC (Modulus Control) lijn. De werking berust op een simpel rekenkundig trucje:
Een teller en een deler doen precies hetzelfde. De tellers worden alle geladen met `een' waarde en tellen of naar nul.
We nemen aan dat aan het begin van de cyclus de prescaler in de stand N+1 staat. De tellers A en B staan parallel en tellen dus de ingangsflanken op hetzelfde moment. De tellers A en B worden geladen met de gewenste waarde en beginnen te tellen. Als de teller B nul bereikt wordt de uitgang geactiveerd. Hiermee wordt het Modulus Control signaal gestuurd en de prescaler gaat naar de stand :N. De teller A telt intussen vrolijk verder totdat ook deze de waarde nul heeft, de beide tellers worden opnieuw geladen en het feest herhaalt zich (R is de reset lijn van de tellers). Wat is nu het uiteindelijke deeltal?
Er wordt B maal door N+1 gedeeld en (A-B) maal door N. Immers: de tellers werken parallel en na het omschakelen van de prescaler wordt nog doorgeteld. Het deeltal wordt dan:
B × (N+1) + (A-B) × N ofwel
B × N + B + A×N - B×N en dat is
A × N + B.
Een rekenvoorbeeld. We werken met een 40/41 deler, een rasterfrequentie van 12,5 kHz en een gewenste frequentie van 460 MHz. De VCO oscilleert op de gewenste frequentie en aan de ingang van de prescaler staat dus 460 MHz. Het gewenste deeltal is 460.000 / 12,5 = 36.800. De waarde van de A en B delers in dit geval zijn dan: A = 36800 / 40 = 920. De waarde van de B-deler is 0. Dezelfde eindfrequentie wordt verkregen wanner de waarde van de A-deler 919 is en de waarde van de B-deler 40. Immers: 919 × 40 + 40 is ook 36.800. Goed, nu is het eenvoudig. Voor een gewenste frequentie van 460,0125 MHz is het deeltal 36.801 en dat betekent dat de A-deler wordt ingesteld op 920 en de B-deler op 1. De enige voorwaarde voor de goede werking van de dual modulus prescaler is dat de waarde van A groter is dan die van B.
Omdat de totale deeltallen groot zijn zal de signaal/ruisverhouding, speciaal dicht bij de draaggolf, laag zijn... veel ruis dus. Dit heeft nadelige effecten in een ontvanger tot gevolg: de nevenkanaalselectiviteit wordt beinvloed door zijbandruis van de VCO.
De Fractional Synthesizer
Een groot nadeel is dat bij een toenemend deeltal de ruis ook toeneemt.
Zeker voor de hogere frequenties die tegenwoordig worden gebruikt voor consumentenelektronica (DECT, GSM) was het noodzakelijk een nieuw concept te bedenken voor de synthesizer. Eerder is reeds gemeld dat de signaal/ruisverhouding dicht bij de draaggolf laag is en de vergrendeltijd van de regellus is lang. In standaard synthesizers moet de gewenste frequentie een heel veelvoud zijn van de rasterfrequentie. Bij zeer hoge frequenties wordt het deeltal zo hoog dat de zijbandruis een beperkende factor wordt. Om dit probleem aan te pakken is een nieuw type synthesizer ontworpen: de fractional synthesizer. her is het niet meer noodzakelijk dat de gewenste frequentie een heel veelvoud is van de rasterfrequentie maar is er een breukdeel van het deeltal mogelijk. In de nu bekende synthesizers is dat breukdeel 5 of 8. Dat wil zeggen dat de rasterfrequentie 1/5 of 1/8 deel van de referentiefrequentie van de synthesizer mag zijn. Indien een raster van 12,5 kHz gewenst is en het breukdeel is 8 dan zal de referentiefrequentie 200 kHz bedragen. Dat geeft enorme voordelen voor wat betreft de vergrendeltijd van de regellus en de zijbandruis van de draaggolf.
De werking
Elke frequentiesynthesizer werkt bij de gratie van frequentievariaties van de VCO. Hierdoor is het continu noodzakelijk de frequentie bij te regelen. Door het voortdurend bijregelen van de frequentie is een zekere jitter aanwezig. Jitter is soms te horen op in frequentie gemoduleerde signalen maar is zeker meetbaar als residual FM op de draaggolf. Zolang de jitter voldoende onder het spraakniveau ligt zal er geen nadelig effect zijn. De signaal/ruisverhouding (beter zou zijn: signaal/stoorverhouding) is bij een smalbandig systeem minimaal 40 dB. Dat betekent dat stoorproducten en ruis minimaal 40 dB moeten liggen onder het niveau van spraak. Omdat een ontvanger-VCO een grote bijdrage zal leveren aan de signaal/stoorverhouding van het te ontvangen signaal (immers: het VCO-signaal wordt additief of multiplicatief gemengd bij het ontvangersignaal) is het dan ook noodzakelijk een schoon' signaal te laten leveren door de VCO.
Een fractional synthesizer werkt ook bij de gratie van frequentieafwijkingen; alleen bier zijn de frequentieafwijkingen groter dan bij een conventioneel systeem. De referentiefrequentie is tot 8 maal groter en de gewenste frequentie wordt bereikt door behalve de standaard compensatie ook een fractionele compensatie te doen. Uiteraard zal dit meer spurious opleveren maar de spurious signalen kunnen op hun beurt weer worden gecompenseerd. Hierdoor kan een redelijk schoon signaal worden geleverd dat voldoet aan minimum eisen. Een omroepzender zal nooit gebouwd kunnen worden met een dergelijk principe.
Het blokschema toont een SA8025 fractional synthesizer van Philips. Eigenlijk betreft het bier twee synthesizers in een behuizing. De auxiliary synthesizer wordt meestal gebruikt in een ontvanger om de frequentie op te wekken die benodigd is voor het mengen van de eerste naar de tweede middenfrequentie. Zoals bij bijna elke synthesizer is de aansturing ook bier serieel en wordt de data afhankelijk van de inhoud van de telegrammen verdeeld over de diverse registers. In tegenstelling tot conventionele synthesizers is er een drie bits brede accumulator aanwezig. Hiermee kunnen de 8 stappen worden gemaakt die no-dig zijn voor het fractionele deel. Verder is te zien dat er geen dual modulus prescaler wordt gebruikt maar een vier-modulus prescaler. Hiermee is het mogelijk om meer verschillende frequenties te maken. Afhankelijk van de instellingen kan de prescaler als dual (twee) modulus, drie-modulus of vier-modulus prescaler worden gebruikt.
De deeltallen zijn aangegeven in de onderstaande tabel. Hierbij wordt geen rekening gehouden met het fractionele deel. Indien wordt gekozen voor een fractioneel deel van 8 wordt afhankelijk van de inhoud van de fractionele accumulator 0/8 t/m 7/8 deel van de referentiefrequentie opgeteld bij de VCO frequentie.
| Prescaler Ratio | PR Bits | N' | Total Divide Ratio, N |
|---|---|---|---|
| 64/65 | 01 | 4032 | N = (NM1 + 2) × 64 + NM2 × 65 |
| 64/65/68 | 10 | 1348 | N = (NM1 + 2) × 64 + NM2 × 65 + (NM3 + 1) × 68 |
| 64/65/68/73 | 11 | 933 | N = (NM1 + 2) × 64 + NM2 × 65 + (NM3 + 1) × 68+ (NM4 + 1) × 73 |
| 64/65/73 | 00 | 1096 | N = (NM1 + 2) × 64 + NM2 × 65 + (NM4 + 1) × 73 |
Extra spurious producten ontstaan rond de VCO-frequentie. Door instelling van compensatie wordt bereikt dat de spurious producten zo klein mogelijk zijn. De waarde van de compensatie wordt in het algemeen experimenteel bepaald.
Het is te zien dat de spurious producten voldoende zijn onderdrukt voor de goede werking van een ontvanger.
Het plaatje toont een draaggolf opgewekt met behulp van een SA7025 fractional synthesizer. De totale span is 10 kHz en dan zien we het spectrum van minus 5 kHz tot plus 5 kHz vanaf de draaggolf. Zelfs bij een fractional synthesizer is de zijbandruis vlak naast de draaggolf slechts een kleine 50 dB onderdrukt. In de praktijk betekent dit dat deze oscillator alleen geschikt is voor smalbandige systemen (zoals mobilofoon/portofoon toepassingen).
Zoals eerder vermeld is de vergrendeltijd een goede reden om uit te gaan van hogere referentiefrequenties.
Met een fractional synthesizer zijn goede vergrendeltijden mogelijk zoals blijkt uit het nevenstaande plaatje.
Binnen 400 µs is bij een frequentiestap van zo'n 20 MHz de frequentie binnen 1 kHz nauwkeurig.
Literatuur
- Application note AN1890 en AN1891 van Philips
- The Phase-locked Loop with Experiments, Howard M Berlin, ISBN 0 89704017 1
- Theorie and Anwendungen des Phase-locked Loops, Roland Best, ISBN 3 85502 132 5
- Handbuch der analogen and digitalen Filterungstechnik, Roland Best, ISBN 3 85502 148 1
- CMOS Application-Specific Standard IC's, Motorola databoek DL130/D