Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

На рисунке 55 показано, что в таком случае происходит со спектором фазового шума дробности (суммарная мощность шума в полосе ФАПЧ; dA в процентах – амплитудная неточность одного из сегментов ЦАП). Спектр не только не ухудшается (из-за снижения точности ЦАП), а наоборот становится чище с каждым октавным увеличением количества К расщеплённых фаз и пропорциональным ему допустимым снижением точности ЦАП. Также пропорционально уменьшается и девиация фазы. И что очень важно, всё это достигается без привлечения деления частоты, в чём и заключается одно из основных преимуществ идеи расщепления фаз. Уменьшение девиации фазы способствует меньшему влиянию нелинейности статической характеристики МЧФД.

Рис.55. Сравнение спектров при различных значениях К

На рисунке 56 показана, как пример, спектральная плотность шумов дробности для случая К=128 расщеплённых фаз и неточности ЦАП, равной 10%! Опорная частота Fr=1 ГГц, частота сигнала Fc около 10 ГГц. Возможна экстраполяция. Если неточность ЦАП ещё увеличить, например, в 2 раза, до 20%, то кривая спектра поднимется на 6 дБ, а если уменьшить в 2 раза, то опустится на те же 6 дБ. Можно также получать результат, изменяя частоты «опоры» и сигнала.

Рис.56. Спектральная плотность шумов дробности

При таком подходе, когда не требуется высокая точность ЦАП, можно использовать FPGA с резистивной матрицей на печатной плате. Конечно, увеличиваются аппаратурные затраты, но они ложатся, в основном, на FPGA, теперешние объёмы которых позволяют это делать. Так что проблем с этим не должно быть. Таким путём можно придти к простой однопетлевой структуре синтезатора, не уступающей по параметрам усложнённым многопетлевым системам.

6. Патентный приоритет

Нельзя не отметить следующее. В последние годы появилось несколько патентов зарубежных фирм, приближающихся к идее расщепления фаз [83÷90]. К примеру, авторы патента [83] вплотную подошли к этому. Они приводят простой пример при расщеплении на 2 фазы. Как получить большее количество фаз – не сообщается. В описании есть ссылки на предыдущие патенты [84÷87], однако и там количество расщеплённых фаз не превышает 4 (0 – 90 – 180 – 270 degree). Фирма Broadcom Corporation также выступила со своим патентом. В патенте [89] заявляется только сам принцип расщепления фаз без конкретизации как это делается. Ни в одном из наиболее поздних патентов [89].и [90] (опоздали на два десятилетия и более) нет ссылок на российский и американский патенты [65, 66] автора данной работы (первый заявлен в 1991 г., опубликован в 1993 г.; второй – соответственно в 1994 и 1998 гг.), где описан не только принцип расщепления фаз, но и описаны подробности его осуществления при неограниченном количестве фаз. Нет ссылок и на его статьи по этой теме: [68] (2010 г.), [69] (2011 г.) и [57]. (2011 г.), которые вышли в печати много ранее упомянутых патентов. В итоге можно только сожалеть о низком уровне экспертизы заявок на новизну.

Примечание

В данной монографии не упоминается ещё одно возможное достоинство метода расщепления фаз. Это может дать дополнительное снижение шумов за счёт некогерентного их сложения на выходах парциальных фазовых детекторов. На сайте ADI опубликована статья [91], в которой авторы экспериментально, на K=4 синтезаторных чипах, подтвердили это явление, получив выигрыш в 6 дБ в точном соответствии с формулой 10lgK. Будет ли подобный выигрыш в PDS и PDS-DSM синтезаторах из-за сложения множества расщеплённых фаз заслуживает отдельного исследования.

Заключение

Много разных идей по улучшению характеристик частотных синтезаторов можно встретить в патентах, в основном, американских. Их сотни, и выделить из них действительно ценные, а не «бумажные», весьма затруднительно. По статистике не более 2% патентов реализуются на практике. В данной работе были рассмотрена только те идеи, которые удалось выделить автору как наиболее интересные, способные вызвать у читателей размышление – а всё ли уже изобретено и улучшено? не остались ли ещё «тропы нехоженные»? не рано ли успокаиваться на достигнутом?

Особого внимания заслуживает идея расщепления фаз. На её основе может быть решена главная проблема частотного синтеза – одновременно обеспечить исключительно высокие характеристики спектральной чистоты и быстродействия в простой однопетлевой структуре синтезатора, что пока достигается только в сложных и дорогих многопетлевых системах ФАПЧ. Путь к этому лежит через разработку интегральной микросхемы МЧФД.

Литература

1. Левин В. А., Стабилизация дискретного множества частот, М., Энергия, 1970, 328 с.

2. V. Kroupa, Frequency Synthesis Theory, Design and Applications, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, NJ, 1973, 295 p.

3. Зарецкий М. М. и Мовшович М. Е., Синтезаторы частот с кольцом фазовой автоподстройки, М., Энергия, 1974, 256 с.

4. Галин А. С., Диапазонно-кварцевая стабилизация СВЧ, М., Связь, 1976, 255 с.