Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Спектр «A» соответствует коду R=01000,00000000000001, при котором частота сигнала равна Fc=4,000 030 518 ГГц. Этот случай, можно назвать, по аналогии с Fractional-N PLL синтезатором, как Integer Boundary Spurs (IBS), когда значение кода R дробное и ближайшее к его целому значению. Целым значением кода считается то, на которое без остатка делится полная ёмкость аккумулятора. Все остальные значения – дробные.

Структура спектра «A» определяется положением единицы в самом младшем разряде управляющего кода R. При этом помеха проявляется на выходе ЦАП в виде пилообразной компоненты, модулирующей сигнал ГУН. Частота помехи вычисляется исходя из количества нулей в коде R между «старшей» и «младшей» единицами. Чем больше нулей, тем ниже частота. Физический смысл этого состоит в процессе накопления младшей единицы в аккумуляторе, а именно в продолжительности этого процесса, когда произойдёт перенос из младших разрядов в разряд, соответствующий старшей единице на входе аккумулятора. Поэтому первая гармоника помехи в спектре наиболее близка к сигналу и имеет наибольший уровень при всех возможных комбинациях единиц и нулей в коде R. Более высокие гармоники монотонно убывают в соответствии с пилообразным характером помехи. Понятно, что случай IBS желательно исключить из использования при практическом применении синтезатора. Ниже будет пояснено как это можно сделать.

Здесь мы упростили структуру PDS, считая, что в сигнальном тракте установлен кольцевой счётчик, не создающий помех. Сделано это в расчёте на принцип суперпозиции. Если и в сигнальном тракте будет фазорасщепитель, аналогичный опорному тракту, то спектр его помех, рассчитаный точно таким же образом, наложится на спектр помех опорного тракта. Но разрядность сигнального распределителя импульсов может быть небольшой, так что помехи от него оказываются достаточно высокочастотными, чтобы быть отфильтрованными без существенного сужения полосы ФАПЧ, то есть практически без снижения быстродействия синтезатора. Тогда одна и та же частота сигнала Fc может быть получена при различных комбинациях кодов R и C, и поэтому возможен выбор наиболее удачной комбинации с точки зрения спектральной чистоты сигнала, в том числе исключён случай IBS.

Диаграмма «B» получена при коде R=01000,001000000000001, задающем частоту сигнала Fc=4,062 530 518 ГГц, и может быть названа случаем 1/64 IBS, поскольку частота сигнала отстроена на 1/64 от частоты, определяемой целочисленным значением кода R.

Спектр «С» соответствует коду R=01000,01000000000001 и частоте сигнала, равной Fc=4,125 030 518 ГГц. Этот случай можно назвать как 1/32 IBS, согласно с отстройкой сигнала на 1/32 от упомянутой выше частоты.

В последних двух случаях присутствуют явно выраженные дискретные компоненты в спектре. Их положение на оси отстроек от несущей определяется расположением единиц в коде R. Более низкочастотные помеховые компоненты, определяемые положением менее значаших единиц кода, являются модулирующим фактором для более высокочастотных компонентов, определяемых положением более старших единиц. Благодаря этому возникает множество как бы поднесущих частот более высокого уровня, вокруг которых группируются боковые полосы низкочастотных помех меньшего уровня. В итоге уровень спектральных составляющих оказывается существенно меньшим, чем в случае IBS. Кроме того, они довольно далеко отстоят от несущей и потому могут быть отфильтрованы петлёй ФАПЧ.

На рисунке 51 показаны спектры сигнала синтезатора с дельта-сигма модуляцией, когда в DSM-блоке включены 2 последовательно соединённые аккумулятора (DSM MASH-3). В остальном параметры МЧФД и петли ФАПЧ, а также значения кода R для соответствующих диаграмм «A», «B» и «C» остаются прежними. В отличие от PDS, спектры PDS-DSM более гладкие, помехи дробности возрастают, монотонно, в основном, с увеличением отстройки от сигнала. Также нетрудно заметить, что случай IBS в PDS-DSM (даграмма A) значительно менее выражен, чем в варианте PDS.

Рис.51. Спектры помех дробности на выходе PDS-DSM синтезатора

Временное рассогласование разрядов ЦАП также влияет на качество спектра сигнала. В виде примера на рисунке 52 показаны графики суммарной мощности фазового шума дробности в полосе пропускания ФАПЧ для случая 1/32 IBS, когда в одном из KR-сегментов импульсы сдвинуты на 40 пикосекунд. (В изделиях Analog Devices эта цифра не превышает значения 10 pS). Опорная частота равна Fr=1000 МГц, частота сигнала – Fc=4,125 030 518 ГГц (R=01000,01000000000001).

Рис.52. Шумы дробности при временных рассогласованиях в разрядах ЦАП

Расчёты выполнены как для варианта PDS, так и для варианта PDS-DSM (MASH-3). Также на рисунке показан спектр для PDS-DSM при отсутствии временной погрешности (dt=0). Аналогичный спектр для варианта PDS отсутствует, так как в этом случае помех дробности в нём вообще нет.