주파수 신시사이저

주파수 신시사이저(Frequency synthesizer)는 단일 기준 주파수에서 다양한 주파수를 생성하는 전자 회로이다. 주파수 신시사이저는 무선 수신기, 텔레비전, 휴대 전화, 무선 전화, 워키토키, CB 라디오, 케이블 텔레비전 컨버터 박스, 위성 수신기 및 GPS 시스템과 같은 장치에 사용된다. 주파수 신시사이저는 주파수 체배, 주파수 분할, 직접 디지털 합성, 주파수 혼합 및 위상동기회로 기술을 사용하여 주파수를 생성할 수 있다. 주파수 신시사이저 출력의 안정성과 정확도는 기준 주파수 입력의 안정성 및 정확도와 관련이 있다. 따라서 신시사이저는 결정 진동자에서 제공하는 것과 같이 안정적이고 정확한 기준 주파수를 사용한다.

유형
세 가지 유형의 신시사이저를 구분할 수 있다. 첫 번째와 두 번째 유형은 독립형 아키텍처로 일상적으로 발견된다. 직접 아날로그 합성 (1960년대 HP 5100A에서 발견된 바와 같이 믹스-필터-분할 아키텍처라고도 함)과 더 현대적인 직접 디지털 합성기(DDS) (테이블 룩업). 세 번째 유형은 통신 시스템 IC 빌딩 블록으로 일상적으로 사용된다. 정수-N 및 분수-N을 포함한 간접 디지털 (위상동기회로) 신시사이저. 최근에 등장한 TAF-DPS도 직접적인 접근 방식이다. 이는 클럭 펄스 트레인의 각 펄스 파형을 직접 구성한다.

디지페이즈 신시사이저
디지페이즈 신시사이저는 어떤 면에서는 DDS와 유사하지만, 아키텍처적 차이가 있다. 장점 중 하나는 주어진 기준 주파수로 다른 유형의 신시사이저보다 훨씬 더 정밀한 해상도를 허용한다는 것이다.

 시간-평균-주파수 직접 주기 합성 (TAF-DPS) 
시간-평균-주파수 직접 주기 합성(TAF-DPS)은 집적 회로를 구동하는 클럭 신호의 주파수 생성에 중점을 둔다. 다른 모든 기술과 달리, 이는 시간 평균 주파수라는 새로운 개념을 사용한다. 그 목적은 온칩 클럭 신호 생성 분야의 두 가지 오랜 문제인 임의 주파수 생성과 순간 주파수 전환을 해결하는 것이다.

기본 시간 단위부터 시작하여 TAF-DPS는 먼저 두 가지 유형의 주기 TA와 TB를 생성한다. 이 두 가지 유형의 주기는 인터리빙 방식으로 클럭 펄스 트레인을 생성하는 데 사용된다. 그 결과, TAF-DPS는 임의 주파수 생성 및 순간 주파수 전환 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. TAF 개념을 활용한 첫 번째 회로 기술은 1990년대 후반에 개발된 플라잉-애더 또는 플라잉-애더 위상동기회로였다.

역사
신시사이저가 널리 사용되기 전에는 다른 주파수의 방송국을 수신하기 위해 라디오 및 텔레비전 슈퍼헤테로다인 수신기는 공진 회로를 사용하여 주파수를 생성하는 국부 발진기의 수동 튜닝에 의존했다. 수신기는 1980년대 이전에 텔레비전 수신기에서 일반적으로 사용되던 터렛 튜너와 같이 가변 커패시터 또는 원하는 채널에 적합한 튜닝 회로를 선택하는 스위치로 다른 주파수에 맞춰 조정되었다. 그러나 튜닝 회로의 공진 주파수는 매우 안정적이지 않다. 온도 변화 및 부품 노화로 인해 주파수 드리프트가 발생하고 수신기가 방송국 주파수에서 벗어났다. 자동 주파수 제어(AFC)는 드리프트 문제의 일부를 해결하지만 수동 재조정이 종종 필요했다. 송신기 주파수는 안정화되어 있으므로 수신기에서 고정되고 안정적인 주파수의 정확한 소스가 바람직하다.

석영 결정 공진기는 LC 회로보다 훨씬 더 안정적이며, 국부 발진기의 주파수를 제어하는 데 사용될 때 수신기를 튜닝 상태로 유지하기에 충분한 안정성을 제공한다. 그러나 결정의 공진 주파수는 치수에 의해 결정되며 수신기를 다른 주파수로 튜닝하기 위해 변경할 수 없다. 한 가지 해결책은 원하는 주파수마다 하나의 결정을 사용하여 여러 개의 결정을 사용하고 올바른 것을 회로에 전환하는 것이다. 이 기술은 소수의 주파수만 필요한 경우 실용적이지만 많은 응용 분야에서 빠르게 비용이 많이 들고 비실용적이다. 예를 들어, 많은 국가의 FM 라디오 대역은 약 88에서 108 MHz까지 100개의 개별 채널 주파수를 지원한다. 각 채널을 튜닝하는 기능은 100개의 결정을 필요로 할 것이다. 케이블 텔레비전은 훨씬 더 넓은 대역에서 훨씬 더 많은 채널을 지원할 수 있다. 많은 수의 결정은 비용을 증가시키고 추가 공간을 필요로 한다.

이 문제의 해결책은 결정 발진기에 의해 생성된 기준 주파수에서 여러 주파수를 생성할 수 있는 회로의 개발이었다. 이를 주파수 신시사이저라고 한다. 새로운 합성 주파수는 마스터 결정 발진기에서 파생되었으므로 마스터 결정 발진기와 동일한 주파수 안정성을 갖는다.

코히런트(Coherent) 기술은 단일의 안정적인 마스터 발진기에서 파생된 주파수를 생성한다. 대부분의 응용 분야에서는 결정 진동자가 일반적이지만 다른 공진기 및 주파수 소스를 사용할 수도 있다. 인코히런트(Incoherent) 기술은 여러 안정적인 발진기 세트에서 주파수를 파생한다. 상업적 응용 분야의 대다수 신시사이저는 단순성과 저렴한 비용으로 인해 코히런트 기술을 사용한다.

주파수 분할기, 위상동기회로(PLL) 및 직접 디지털 합성(DDS)을 포함하여 주파수를 일관되게 합성하는 데 여러 기술을 사용할 수 있다. 접근 방식의 선택은 비용, 복잡성, 주파수 스텝 크기, 스위칭 속도, 위상 잡음, 스퓨리어스 출력과 같은 여러 요소에 따라 달라진다. 많은 유형의 주파수 신시사이저는 집적 회로로 제공되어 비용과 크기를 줄여준다.

시스템 분석 및 설계
주파수 합성 기술에 대한 영향력 있는 초기 서적에는 플로이드 M. 가드너(1966년 그의 Phaselock 기술)와 벤체슬라프 F. 크루파(1973년 그의 주파수 합성)의 서적이 포함된다.

잘 고안된 설계 절차는 성공적인 신시사이저 프로젝트의 첫 번째 중요한 단계로 간주된다. 마나세비치는 주파수 신시사이저의 시스템 설계에서 경험 많은 신시사이저 설계자만큼이나 많은 최적의 설계 절차가 있다고 말한다. 주파수 신시사이저의 시스템 분석에는 출력 주파수 범위, 주파수 조정 증분, 주파수 안정성, 위상 잡음 성능, 스위칭 시간, 크기, 전력 소비 및 비용이 포함된다. 크로포드는 이러한 것들이 상호 모순되는 요구 사항이라고 말한다.

주파수 합성 계수가 정수 비율일 때 기계적 기어비 관계와 유사한 수학적 기술을 주파수 합성에 사용할 수 있다. 이 방법은 스펙트럼 스퓨리어스 신호의 분포 및 억제를 효과적으로 계획할 수 있도록 한다. DDS를 포함한 가변 주파수 신시사이저는 위상을 나타내기 위해 모듈러 산술을 사용하여 일상적으로 설계된다.

위상동기회로 신시사이저의 원리
thumb|upright=1.7|일반적인 위상동기회로 신시사이저의 블록 다이어그램.

위상동기회로는 피드백 제어 시스템이다. 두 입력 신호의 위상을 비교하여 위상 간의 차이에 비례하는 오차 신호를 생성한다. 오차 신호는 저역 통과 필터링되어 출력 주파수를 생성하는 전압 제어 발진기(VCO)를 구동하는 데 사용된다. 출력 주파수는 주파수 분할기를 통해 시스템 입력으로 다시 공급되어 음성 되먹임 루프를 생성한다. 출력 주파수가 드리프트되면 위상 오차 신호가 증가하여 오차를 줄이기 위해 주파수를 반대 방향으로 구동한다. 따라서 출력은 다른 입력의 주파수에 고정된다. 이 다른 입력은 레퍼런스(reference)라고 불리며 일반적으로 안정적인 결정 발진기에서 파생된다.

주파수 신시사이저가 여러 주파수를 생성할 수 있는 능력의 핵심은 출력과 피드백 입력 사이에 배치된 분할기이다. 이것은 일반적으로 디지털 카운터의 형태로 되어 있으며, 출력 신호가 클럭 신호 역할을 한다. 카운터는 일부 초기 카운트 값으로 사전 설정되어 클럭 신호의 각 사이클에서 카운트 다운된다. 0에 도달하면 카운터 출력은 상태를 변경하고 카운트 값은 다시 로드된다. 이 회로는 플립플롭을 사용하여 구현하기 쉽고, 디지털 특성이므로 다른 디지털 구성 요소 또는 마이크로프로세서에 인터페이스하기 매우 쉽다. 이를 통해 신시사이저에서 출력되는 주파수를 디지털 시스템으로 쉽게 제어하고 사용할 수 있다.

예시
기준 신호가 100 kHz이고 분할기를 1에서 100 사이의 어떤 값으로든 사전 설정할 수 있다고 가정해 보자. 비교기에서 생성되는 오류 신호는 분할기의 출력이 100 kHz일 때만 0이 된다. 이 경우, VCO는 분할기 카운트 값에 100 kHz를 곱한 주파수로 작동해야 한다. 따라서 카운트가 1일 때 100 kHz, 카운트가 2일 때 200 kHz, 카운트가 10일 때 1 MHz 등의 출력을 생성한다. 가장 간단한 정수 N 분할기로는 기준 주파수의 정수배만 얻을 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이러한 제한을 극복하는 분수 N 분할기는 쉽게 구할 수 있다.

실질적인 고려 사항
thumb|필립스 TDA6651TT - 하이브리드 지상파 튜너용 5V 믹서/발진기 및 저잡음 위상동기회로 신시사이저

실제로 위상동기회로 기반 주파수 신시사이저는 비교기가 제한된 대역폭을 가지며 에일리어싱 문제로 고통받을 수 있기 때문에 매우 넓은 주파수 범위에서 작동할 수 없다. 이는 잘못된 잠금 상황 또는 전혀 잠글 수 없는 상황으로 이어질 수 있다. 또한 매우 넓은 범위에서 작동하는 고주파 VCO를 만드는 것은 어렵다.

많은 무선 애플리케이션에서는 디지털 카운터에 직접 입력할 수 있는 것보다 높은 주파수가 필요하다. 프리 스케일러(prescaler)라고 하는 빠른 초기 분할 단계를 사용하여 주파수를 관리 가능한 수준으로 줄일 수 있다. 프리 스케일러가 전체 분할 비율의 일부이므로 고정 프리 스케일러는 무선 애플리케이션에서 일반적으로 발생하는 좁은 채널 간격을 지원하는 시스템을 설계하는 데 문제를 일으킬 수 있다. 이는 듀얼 모듈러스 프리 스케일러를 사용하여 극복할 수 있다.

추가적인 실질적인 측면은 시스템이 채널 간에 전환할 수 있는 시간, 처음 켰을 때 잠기는 시간, 그리고 출력에 얼마나 많은 잡음이 있는가에 관한 것이다. 이 모든 것은 주파수 비교기 출력과 VCO 입력 사이에 배치된 저역 통과 필터인 시스템의 루프 필터 기능이다. 일반적으로 주파수 비교기의 출력은 짧은 오류 펄스 형태이지만 VCO 입력은 부드러운 잡음 없는 직류 전압이어야 한다. (이 신호의 모든 잡음은 당연히 VCO의 주파수 변조를 유발한다.) 심한 필터링은 VCO가 변화에 느리게 반응하게 하여 드리프트와 느린 응답 시간을 유발하지만, 가벼운 필터링은 잡음과 고조파와 같은 다른 문제를 유발한다. 따라서 필터 설계는 시스템 성능에 중요하며, 사실 설계자가 신시사이저 시스템을 구축할 때 집중할 주요 영역이다.

 주파수 변조기로 사용 

많은 위상동기회로 주파수 신시사이저는 주파수 변조(FM)도 생성할 수 있다. 변조 신호는 루프 필터의 출력에 추가되어 VCO 및 신시사이저 출력의 주파수를 직접적으로 변화시킨다. 변조는 위상 비교기 출력에도 나타나며, 주파수 분할에 의해 진폭이 감소된다. 변조 신호의 스펙트럼 성분 중 루프 필터에 의해 차단하기에는 너무 낮은 성분은 변조 신호와 반대 극성으로 VCO 입력으로 되돌아와 서로 상쇄된다. (루프는 이러한 성분을 추적해야 할 VCO 잡음으로 효과적으로 본다.) 루프 필터 차단 주파수 이상의 변조 성분은 VCO 입력으로 돌아갈 수 없으므로 VCO 출력에 남아 있다. 따라서 이 간단한 방식은 저주파(또는 직류) 변조 신호를 직접 처리할 수 없지만, 이 방법을 사용하는 많은 AC 결합 비디오 및 오디오 FM 송신기에서는 문제가 되지 않는다. 이러한 신호는 위상동기회로 루프 필터의 차단 주파수 위의 서브캐리어에 배치될 수도 있다.

위상동기회로 주파수 신시사이저는 위의 한계를 극복하기 위해 투 포인트 변조를 사용하여 저주파 및 DC까지 변조될 수도 있다. 변조는 이전과 같이 VCO에 적용되지만, 이제는 빠른 델타 시그마 ADC를 사용하여 아날로그 FM 신호와 동기화하여 신시사이저에 디지털 방식으로도 적용된다.

 같이 보기 
 슈퍼헤테로다인 수신기
 디지털 제어 발진기
 듀얼 모듈러스 프리 스케일러
 웨들리 루프

 내용주 

 각주 

 . Also PDF version.
 
 
 
 
 
 
 
 
 Xiu, Liming (2012), Nanometer Frequency Synthesis beyond Phase Locked Loop, Aug. 2012, John Wiley IEEE press (IEEE Press Series on Microelectronic Systems), .
 Xiu, Liming (2015), From Frequency to Time-Average-Frequency: A Paradigm Shift in the Design of Electronic system, May 2015, John Wiley IEEE press (IEEE Press Series on Microelectronic Systems), .

추가 자료
 Ulrich L. Rohde "Digital PLL Frequency Synthesizers – Theory and Design ", Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, January 1983
 Ulrich L. Rohde " Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design ", John Wiley & Sons, August 1997, 
 
 

 외부 링크 

 
 
 Frequency Synthesizer U.S. Patent 3,555,446, Braymer, N. B., (1971, January 12)
 
 . HP 5100A Direct synthesizer: comb generator; filter, mix, divide. Given 3.0bcd MHz, mix with 24 MHz and filter to get 27.0bcd MHz, mix with 3.a MHz and filter to get 30.abcd MHz; divide by 10 and filter to get 3.0abcd MHz; feed to next stage to get another digit or mix up to 360.abcd MHz and start mixing and filtering with other frequencies in 1 MHz (30–39 MHz) and 10 MHz (350–390 MHz) steps. Spurious signals are -90 dB (p. 2).
 
 
 . HP 8660A/B Multiloop PLL synthesizer.
 TAF-DPS (Flying-Adder Frequency Synthesis Architecture) Explained

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