Метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в синтезаторах частот с ФАПЧ, имеющих дробный делитель частоты

УДК 621.396 И.В. Скоторенко

Метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в синтезаторах частот с ФАПЧ, имеющих дробный делитель частоты

Предложен метод уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в синтезаторах частот с фазовой автоподстройкой частоты, имеющих дробный делитель частоты. Приведена структурная схема синтезатора с уменьшенным уровнем побочных спектральных составляющих и описан алгоритм его работы.

Ключевые слова: фазовая автоподстройка частоты, синтезатор частот с ФАПЧ и дробным делителем частоты, электронный двухпозиционный переключатель, частотно-фазовый детектор, побочные спектральные составляющие.

При использовании синтезаторов частот (СЧ) с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) и дробным делителем частоты, имеющим переменный коэффициент деления, шаг сетки синтезируемых частот всегда меньше частоты сравнения [1-6]. Это удобно, а зачастую и необходимо в случае мелкого шага сетки при высокой выходной частоте, т.е. при больших значениях N коэффициента деления дробного делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДДПКД).

Один из недостатков синтезатора частот с ФАПЧ, имеющего ДДПКД, - помехи, генерируемые синтезатором, так как в нем имеется паразитная связь между синтезируемым сигналом и входом частотно-фазового детектора со стороны ГОЧ. Из-за того, что синтезируемые частоты не кратны частоте сигнала на входе частотно-фазового детектора (не кратны частоте сравнения), в выходном сигнале появляются побочные (паразитные) спектральные составляющие (ПСС). Наихудший случай наблюдается тогда, когда разница между синтезируемыми частотами и ближайшей частотой, кратной частоте сравнения, настолько мала, что фильтр нижних частот не обеспечивает требуемого подавления побочных спектральных составляющих. На рис. 1 изображен спектр мощности синтезируемого сигнала СЧ с ФАПЧ и ДДПКД вблизи выходной частоты, кратной частоте сравнения в ЧФД, полученный экспериментально с использованием интегральной схемы HMC700LP4E фирмы Hittite.

2,9395

2,9405 / ГГц

Рис. 1. Спектр мощности синтезируемого сигнала СЧ с ФАПЧ и ДДПКД вблизи выходной частоты, кратной частоте сравнения в ЧФД, полученный экспериментально с использованием интегральной

схемы HMC700LP4E фирмы Hittite

Наибольший уровень побочных спектральных составляющих в синтезируемом сигнале находится вблизи частот

п/чфд + /ЧФД d/m, при d < m , m < 4,

где n, d и m - целые числа, при этом большему значению m соответствует меньший уровень побочных спектральных составляющих [7]; /чфд - частота сравнения, используемая в частотнофазовом детекторе.

На рис. 2 изображены побочные спектральные составляющие в СЧ с ФАПЧ и ДДПКД, образующиеся из-за паразитной связи между синтезируемым сигналом и входом частотно-фазового детектора со стороны ГОЧ.

Уровень побочных спектральных составляющих в синтезируемом сигнале вблизи частот, определяемых выражением (1), уменьшается при выполнении условия:

п/чфд + /Чфд dlm+1  д/фнч /m < /вых < п/чфд + /Чфд dlm -1  д/фнч /m,

где n, d и m - целые числа; /чфд - частота сравнения, используемая в частотно-фазовом детекторе; l - коэффициент, зависящий от параметров характеристики фильтра нижних частот и требуемого подавления побочных спектральных составляющих (большему значению соответствует большее подавление); Д/фыч - полоса пропускания фильтра нижних частот; /вых - синтезируемая частота.

Патентуемый в настоящее время (проводится экспертиза по существу) предлагаемый метод позволяет уменьшить уровень побочных спектральных составляющих синтезируемого сигнала.

На рис. 3 изображена структурная схема синтезатора частот с уменьшенным уровнем ПСС.

/Гуы d=0

> 1 m=1

Побочные

спектральные

составляющие

ж Д д 1-го порядка

s • Т I

п/чфд (п+1/2)/Чфд (п+1)/Чфд

Рис. 2. Побочные спектральные составляющие в СЧ с ФАПЧ и ДДПКД

Частоты / и / для первого 2 и второго 3 генераторов опорных частот выбираются таким образом, чтобы выполнялись условия:

1 -

/1/ R - 7 1  Д/Фыч

12 / max 12  /вых

/1 < /2 <

1-

2 1 д/фнч

/ min /вых

/1,

где Я - коэффициент деления делителя частоты 6 с фиксированным коэффициентом деления; I -коэффициент, зависящий от параметров характеристики фильтра нижних частот 9 и требуемого подавления побочных спектральных составляющих синтезируемого сигнала; Д/фнч - полоса пропус-

тіп

кания фильтра нижних частот 9; /Вьк частоты.

/нье? - минимальная и максимальная синтезируемые

Шина

управления

> Выход

Рис. 3. Структурная схема синтезатора частот с уменьшенным уровнем ПСС:

1 - первый электронный двухпозиционный переключатель; 2 - первый генератор опорной частоты; 3 - второй генератор опорной частоты; 4 - второй электронный двухпозиционный переключатель; 5 - интегральная схема цифрового синтезатора частот; 6 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления; 7 - дробный делитель частоты с переменным коэффициентом деления;

8 - частотно-фазовый детектор; 9 - фильтр нижних частот; 10 - генератор, управляемый напряжением

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении синтезатора частот на заданную частоту по управляющей шине поступают сигналы в двоичном коде на четыре управляющих входа: вход делителя частоты 7 с переменным коэффициентом деления, устанавливая в нем дробный коэффициент деления N\, вход делителя частоты 6 с фиксированным коэффициентом деления, устанавливая в нем коэффициент деления R, вход первого электронного двухпозиционного переключателя 1, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его первым выходом, вход второго электронного двухпозиционного переключателя 4, соединяя в нем первый вход управляемого сигнала с его выходом. Сигнал со второго выхода генератора 10 через дробный делитель частоты 7 и сигнал с выхода генератора 2 через делитель частоты 6 и второй переключатель 4 подаются соответственно на второй и первый входы частотно-фазового детектора 8. Сигнал с выхода частотно-фазового детектора 8 через фильтр нижних частот 9 подается на вход генератора 10, что через определенный промежуток времени обеспечивает вхождение в синхронизм частоты генератора 10 с частотой генератора 2 в кольце фазовой автоподстройки частоты, выполненном на основе генератора 10. На первом выходе генератора 10 формируется синтезируемая частота /вых, равная частоте сигнала f первого генератора эталонной частоты 2, умноженной на N\/R . В режиме работы синтезатора при выполнении условия

f f

(n + dim)-l • Д/фнч/m < /вЬІх (n + d/m) +l • Д/фнч /m,

R R

где f - частота первого генератора эталонной частоты 2; R - коэффициент деления делителя частоты 6 с фиксированным коэффициентом деления; n, d и m - целые числа; R - коэффициент, зависящий от параметров характеристики фильтра нижних частот и требуемого подавления побочных спектральных составляющих; Д/фнч - полоса пропускания фильтра нижних частот; - синте-

зируемая частота, по управляющей шине поступают сигналы в двоичном коде на управляющие входы: делителя частоты 7, устанавливая в нем дробный коэффициент деления N2, соответствующий частотам /2 и /вых, делителя частоты 6, устанавливая в нем коэффициент деления R, первого переключателя 1, соединяя в нем вход управляемого сигнала с его вторым выходом, второго переключателя 4, соединяя в нем второй вход управляемого сигнала с его выходом. Через определенный промежуток времени обеспечивается вхождение в синхронизм в кольце фазовой автоподстройки частоты, выполненном на основе генератора 10. На первом выходе генератора 10 формируется частота /вых, равная частоте сигнала /2 второго генератора 3, умноженной на N2/R. При этом происходит исключение частотных участков n/ЧФД + /чфд d/m ± l •Д/Фнч/m, в которых имеется высокий уровень побочных спектральных составляющих.

Цифровая часть синтезатора частот, которая включает в себя дробный делитель частоты 7 с переменным коэффициентом деления, делитель частоты 6 с фиксированным коэффициентом деления и частотно-фазовый детектор 8, может быть выполнена на одной из микросхем цифрового синтезатора частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты, например изготавливаемой фирмой Hittite микросхеме HMC 700/701/702 или 704. Первый 1 и второй 4 переключатели могут быть выполнены на микросхемах IRF7317 фирмы National Rectifier и HMC349 фирмы Hittite соответственно.

Основное достоинство предложенного метода состоит в том, что с помощью введенных новых узлов, объединенных новыми связями с остальными узлами схемы, осуществляется возможность уменьшения уровня побочных спектральных составляющих в выходном сигнале, что очень важно при использовании синтезаторов частот с дробным делителем частоты. Это позволяет использовать предлагаемый синтезатор в перспективных системах, где требуется обеспечение низкого уровня побочных спектральных составляющих в выходном сигнале при малых габаритах устройства и малой потребляемой мощности.

Литература

1. Browne J. Frequency Synthesizers Tune Communications Systems. - Microwaves&RF, March 2006. - 326 p.

2. Kroupa V. Frequency Synthesis Theory, Design and Applications. - New York: Wiley, 1973. - 431 p.

3. Manassewitsch V. Frequency Synthesizers Theory and Design, Third Edition. - New York: JohnWiley & Sons, 1987. - 384 p.

4. Rohde U. Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. - New York: John Wiley & Sons, 1997. - 638 p.

5. Klapper J. Phased-Locked and Frequency Feedback Systems / J. Klapper. - New York: Wiley, 1972. - 257 p.

6. Шахтарин Б.И. и др. Синтезаторы частот. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. — 128 с.

7. Datasheet HMC704LP4E 8 GHz 16-Bit Fractional N Synthesizer [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc704lp4.pdf, свободный (дата обращения: 30.05.2011).

Скоторенко Илья Вячеславович

Аспирант каф. радиотехнических систем ТУСУРа

Тел.: 8 (382-2) 41-36-70

Эл. почта: Skotorenko.I.V@yandex.ru

Skotorenko I.V.

Fractional-N PLL Synthesizer Spur Reduction Technique

Fractional-N PLL synthesizer spur reduction technique is described. The block diagram of the synthesizer with the reduced level of spurs is given as a result and the algorithm of its operation is described.

Keywords: phase-locked loop, Fractional-N PLL synthesizer, the electronic two-position switch, phase detector, spurs.