Bộ tổng hợp tần số N phân số cung cấp giải pháp tiện lợi cho vấn đề kích thước bước nhỏ mà không cần tỷ lệ phân chia lớn.

Điều này khắc phục được một số vấn đề về hiệu suất liên quan đến tỷ lệ phân chia rất cao trong bộ chia kỹ thuật số của vòng khóa pha có thể dẫn đến một số vấn đề về hiệu suất.

Sử dụng các kỹ thuật thiết kế mạch RF truyền thống, tần số đầu ra là một số nguyên nhân với tần số so sánh của bộ tách sóng pha, nghĩa là khi thay đổi tỷ số chia đi một, tần số sẽ thay đổi một lượng bằng với tần số so sánh. Đối với các bước sóng rất nhỏ, điều này có nghĩa là tần số so sánh phải nhỏ và tỷ số chia phải lớn.

Vì điều này dẫn đến một số vấn đề về hiệu suất nên tổng hợp N phân đoạn là một lựa chọn rất hấp dẫn.

Yêu cầu tổng hợp n phân số

Bộ tổng hợp n phân số sử dụng vòng lặp PLL kỹ thuật số cơ bản. Nó có VCO, bộ dò pha, bộ lọc vòng lặp, bộ chia và thậm chí có thể sử dụng bộ trộn bên trong vòng lặp. Tuy nhiên, để giải thích hoạt động của nó, chúng ta sẽ sử dụng một vòng lặp kỹ thuật số đơn giản với bộ chia chỉ được thêm vào PLL cơ bản.

Sử dụng vòng lặp này, bộ dò pha sẽ so sánh hai tín hiệu đầu vào, tức là tín hiệu tham chiếu và tín hiệu VCO đã chia. Vòng lặp sẽ khóa khi hai tín hiệu đầu vào bộ dò có cùng tần số. Điều này có nghĩa là VCO sẽ hoạt động ở tần số bằng tỷ số chia nhân với tần số so sánh pha.

Để đạt được các bước nhỏ giữa các kênh tần số, trong khi vẫn cung cấp tần số hoạt động hợp lý, cần có tỷ lệ chia rất cao. Ví dụ, một vòng lặp hoạt động ở tần số 10 MHz và yêu cầu kích thước bước 100 Hz sẽ cần tỷ lệ chia là 100.000. Điều này hoàn toàn khả thi, nhưng nó ảnh hưởng đến hiệu suất của vòng lặp. Vì băng thông vòng lặp thường phải bằng khoảng một phần mười tần số so sánh tham chiếu, điều này có nghĩa là, đối với các số liệu trong ví dụ trên, băng thông vòng lặp chỉ còn 10 Hz. Điều này dẫn đến mất hiệu suất:

• Thời gian chuyển đổi tần số PLL chậm
• Kích thước linh kiện thụ động lớn
• Tiếng ồn pha cao ở tần số gần sóng mang, tức là trong băng thông vòng lặp và tiếng ồn pha VCO không giảm thêm nữa

Một lựa chọn khác là sử dụng bộ tổng hợp nhiều vòng lặp, nhưng điều này có tác động đáng kể đến chi phí.

Một lựa chọn rẻ hơn nhiều, trong khi vẫn duy trì hiệu suất chung ở mức cao là sử dụng bộ tổng hợp tần số n phân số.

Khái niệm tổng hợp n phân số

Khái niệm đằng sau tổng hợp n phân số, đúng như tên gọi của nó: bộ chia sẽ sử dụng tỷ lệ chia phân số thay vì tỷ lệ chia nguyên như thông thường. Để đạt được điều này, bộ chia sẽ thay đổi giữa các tỷ lệ chia.

Thông thường, nó sẽ thay đổi giữa N và N+1 - tỷ lệ của các tỷ lệ chia khác nhau được xác định để đưa ra tần số cần thiết. Khoảng tỷ lệ chia N và N+1 cho biết tần số nằm giữa hai tỷ lệ chia này. Ngoài ra, còn có các bộ đếm môđun chuyển đổi cho biết số đếm giữa N và N+1.

Ưu điểm của việc sử dụng tổng hợp n phân số là tần số bước có thể nhỏ trong khi vẫn cho phép tần số so sánh và băng thông vòng lặp cao để cải thiện hiệu suất tổng hợp tổng thể.

Khi sử dụng bộ chia mô đun kép trong thiết kế RF, việc tính toán tỷ lệ phân chia hiệu dụng tổng thể rất dễ dàng. Để xác định tỷ lệ phân chia hiệu dụng, cần biết hai tỷ lệ phân chia và số chu kỳ VCO mà mỗi tỷ lệ phân chia có hiệu dụng. Do đó, tỷ lệ phân chia hiệu dụng có thể được tính theo công thức:

Ở đâu:

  Neff = tỷ lệ phân chia tổng thể

  A = số chu kỳ chia cho N

  B = số chu kỳ VCO chia cho N+1

Phát xạ giả tổng hợp N phân đoạn

Có thể hình dung rằng sự thay đổi tỷ lệ phân chia trong chu kỳ VCO gây ra một số gián đoạn cho hệ thống. Điều này dẫn đến phát xạ giả gần nhau xuất hiện ở đầu ra của bộ tổng hợp N phân nhánh.

Sự thay đổi môđun tuần hoàn gây ra sự tích tụ lỗi pha, tích lũy qua N chu kỳ tham chiếu của bộ chia. Lỗi pha này chuyển thành nhiễu loạn tuần hoàn trong điện áp điều khiển VCO, và kết quả là tạo ra các tín hiệu tạp tương đối gần với sóng mang mong muốn.

Sự tích lũy pha này xảy ra do tần số phản hồi trung bình bằng tần số tham chiếu. Do đó, sai số pha sẽ tích lũy qua N chu kỳ tham chiếu trước khi được thiết lập lại.

Có một số cách để giảm thiểu tác động của các tín hiệu tạp này. Sai số pha tích lũy có thể được loại bỏ - một phương pháp đã được Racal cấp bằng sáng chế trong một sơ đồ mà họ gọi là Digiphase. Ngoài ra, việc chuyển mạch mô-đun có thể được thực hiện ngẫu nhiên để các dải biên được che giấu dưới dạng nhiễu. Điều này làm giảm các mức dải biên riêng biệt để có được mức nhiễu dải biên tổng thể cao hơn.

Ngoài hệ thống Racal Digiphase, một số công ty khác cũng phát triển các giải pháp tổng hợp N phân đoạn của riêng họ và sử dụng chúng trong các sản phẩm của họ.

Nhìn chung, các giải pháp tổng hợp N phân đoạn có xu hướng được sử dụng nhiều hơn trong máy thu vô tuyến so với máy phát tín hiệu. Các tín hiệu tạp được tạo ra gần sóng mang thường không được chấp nhận trong các máy phát tín hiệu hiệu suất cao.

Mặc dù chúng có thể cung cấp các bước sóng rất nhỏ cần thiết mà không cần tần số so sánh pha quá thấp dẫn đến các vấn đề vòng lặp khác, nhưng các vấn đề về tín hiệu tạp khiến chúng thường không được sử dụng. Đối với các thiết kế mạch RF máy phát tín hiệu hiệu suất cao, thông thường sẽ cần đến bộ tổng hợp tần số đa vòng lặp.

Tổng hợp N phân số cung cấp một phương pháp rất tiện lợi để cung cấp các bước nhỏ trong khi vẫn duy trì tần số so sánh cao. Điều này cải thiện đáng kể hiệu suất về mặt nhiễu pha gây ra bởi sự nhân lên của bộ dò pha và tham chiếu xảy ra trong băng thông vòng lặp, đồng thời cải thiện thời gian ổn định và độ ổn định của vòng lặp.

Nhược điểm chính của tổng hợp tần số N phân đoạn là các tín hiệu tạp do hệ thống tạo ra. May mắn thay, những tín hiệu này có thể được giảm thiểu đến mức không còn là vấn đề. Do đó, tổng hợp tần số N phân đoạn là một kỹ thuật có thể được sử dụng một cách hiệu quả.