Tiếng ồn pha là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế bộ tổng hợp PLL vì nó có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tổng thể của hệ thống sử dụng bộ tổng hợp.

Nhiễu pha trong bộ tổng hợp tần số PLL có thể ảnh hưởng đến các yếu tố hiệu suất như trộn ngược, tỷ lệ lỗi bit và độ tinh khiết phổ tổng thể. Nhiễu từ tín hiệu trên một kênh có thể lan sang các kênh lân cận, gây nhiễu cho người dùng khác.

Khi áp lực lên phổ tăng lên, cần phải đảm bảo rằng hiệu suất nhiễu pha đáp ứng các yêu cầu của hệ thống và thường là thông số thiết kế quan trọng đối với bất kỳ bộ tổng hợp tần số PLL nào.

Hiểu được cách nhiễu pha xảy ra và cách nó ảnh hưởng đến hệ thống cho phép cân bằng cẩn thận nhiều vấn đề khác nhau khi thiết kế RF của bộ tổng hợp.

Tiếng ồn pha là gì?

Nhiễu pha hiện diện trong tất cả các tín hiệu ở một mức độ nào đó và được gây ra bởi nhiễu pha (và tần số) nhẹ, hay còn gọi là jitter, của tín hiệu. Nhiễu này biểu hiện dưới dạng nhiễu lan truyền theo cả hai hướng từ sóng mang chính.

Đối với hầu hết các bộ dao động chạy tự do, nhiễu pha thường tăng khi gần sóng mang hơn, sau đó giảm khi độ lệch tần số so với sóng mang tăng.

Lưu ý về nhiễu pha:

Nhiễu pha bao gồm các nhiễu loạn ngẫu nhiên nhỏ trong pha của tín hiệu, còn được gọi là dao động pha. Những nhiễu loạn này có tác dụng điều chế pha và tạo ra nhiễu biên lan truyền sang cả hai phía của tín hiệu chính và có thể được biểu diễn trên máy phân tích phổ dưới dạng tín hiệu nhiễu pha biên đơn.

Một số nguồn tín hiệu tốt hơn những nguồn khác. Bộ dao động tinh thể có chất lượng tốt và có mức nhiễu pha rất thấp. Bộ dao động tần số biến thiên tự do thường hoạt động tốt. Đáng tiếc là các bộ tổng hợp, đặc biệt là những bộ sử dụng vòng khóa pha, thường không hoạt động tốt nếu không được thiết kế tốt.

Nếu có mức nhiễu pha đáng kể trên bộ tổng hợp được sử dụng làm bộ dao động cục bộ trong máy thu, nó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất vô tuyến về mặt trộn xen kẽ.

Tiếng ồn pha trong bộ tổng hợp

Mỗi thành phần trong bộ tổng hợp tần số tạo ra nhiễu ảnh hưởng đến nhiễu tổng thể xuất hiện ở đầu ra. Mức độ nhiễu từ bất kỳ thành phần nào trong vòng lặp ảnh hưởng đến đầu ra phụ thuộc vào vị trí nhiễu được tạo ra. Ví dụ, nhiễu do VCO tạo ra sẽ ảnh hưởng đến đầu ra theo cách khác với nhiễu do bộ tách pha tạo ra.

Việc xem xét hiệu suất nhiễu pha trong quá trình thiết kế RF của bộ tổng hợp là rất quan trọng vì nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị cuối cùng, bất kể thiết bị nào.

Để xem tiếng ồn được tạo ra như thế nào bởi các thành phần khác nhau trong vòng khóa pha, cần phải xem xét từng thành phần riêng lẻ để xem tiếng ồn bị ảnh hưởng bởi vòng lặp như thế nào.

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp:  Trước tiên, hãy xem xét nhiễu tạo ra bởi bộ dao động điều khiển bằng điện áp. Nhiễu này sẽ đi qua mạch chia và xuất hiện ở đầu ra của bộ tách pha. Sau đó, nhiễu phải đi qua mạch lọc vòng.

Bộ lọc vòng lặp chỉ cho phép các thành phần nhiễu thấp hơn tần số cắt vòng lặp đi vào, xuất hiện trên điện áp lỗi và có tác dụng triệt nhiễu trên bộ dao động điều khiển bằng điện áp. Vì hiệu ứng này chỉ xảy ra trong băng thông vòng lặp, nó làm giảm mức nhiễu trong băng thông vòng lặp và không ảnh hưởng đến nhiễu ngoài băng thông vòng lặp. Nói cách khác, nhiễu từ VCO bị giảm trong băng thông vòng lặp, nhưng không giảm bên ngoài băng thông vòng lặp.

Bộ dò pha: Nhiễu do bộ dò pha tạo ra bị ảnh hưởng theo một cách khác. Một lần nữa, chỉ các thành phần nhiễu nằm dưới băng thông vòng lặp mới đi qua bộ lọc thông thấp.

Điều này có nghĩa là không có thành phần nào nằm ngoài băng thông vòng lặp sẽ xuất hiện trên điện áp tại các đầu cuối điều khiển của bộ dao động điều khiển bằng điện áp và sẽ không ảnh hưởng đến bộ dao động. Các thành phần nằm trong băng thông vòng lặp sẽ xuất hiện tại các đầu cuối điều khiển của bộ dao động, sẽ ảnh hưởng đến bộ dao động và sẽ xuất hiện dưới dạng nhiễu pha trên đầu ra của bộ dao động điều khiển bằng điện áp.

Vấn đề trở nên tồi tệ hơn khi tỷ lệ chia làm tăng mức nhiễu. Điều này xảy ra do bộ tổng hợp tăng tần số của tín hiệu tham chiếu, do đó mức nhiễu bị nhân lên gấp 20 lần log N, trong đó N là tỷ lệ chia.

Nói cách khác, nhiễu do bộ tách pha tạo ra sẽ xuất hiện trên tín hiệu đầu ra đối với các giá trị bù trừ trong băng thông vòng lặp và cũng được nhân với hệ số 20logN, trong đó N là tỷ số phân chia của bộ chia tổng hợp.

Nhiễu tần số tham chiếu  do tín hiệu tham chiếu tạo ra được xử lý theo cùng cách với nhiễu do bộ tách pha tạo ra. Nhiễu này xuất hiện trong băng thông vòng lặp và được nhân với tỷ số phân chia vòng lặp theo cùng cách như nhiễu từ bộ tách pha.

Điều này có nghĩa là mặc dù bộ dao động tham chiếu có thể có hiệu suất nhiễu pha rất tốt, nhưng hiệu suất đó có thể giảm đáng kể, đặc biệt nếu tỷ lệ phân chia cao.

Bộ chia tần số kỹ thuật số:  Bộ chia tần số thường không tạo ra nhiễu đáng kể. Bất kỳ nhiễu nào phát ra đều có thể được kết hợp với nhiễu từ bộ tách pha.

Tổng tiếng ồn vòng lặp  Tổng tiếng ồn vòng lặp ở đầu ra thường sẽ giống như hình trên.

Có thể thấy rằng nhiễu trong băng thông vòng lặp là do bộ dò pha và tham chiếu gây ra. Bên ngoài băng thông vòng lặp, phần lớn nhiễu là do bộ dao động điều khiển bằng điện áp gây ra.

Từ đây có thể thấy rằng việc tối ưu hóa cấu hình nhiễu trong thiết kế RF của bộ tổng hợp phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn băng thông vòng lặp. Việc duy trì tỷ lệ chia hợp lý trong bất kỳ vòng lặp nào cũng rất cần thiết. Ví dụ, một bộ tổng hợp 150 MHz với bước nhảy 12,5 kHz sẽ yêu cầu tỷ lệ chia là 12.000, điều này sẽ giảm nhiễu pha của bộ dò pha và nhiễu pha tham chiếu xuống 81 dB trong băng thông vòng lặp – một mức giảm đáng kể so với các giá trị tiêu chuẩn! Nếu tỷ lệ chia không quá cao, băng thông vòng lặp rộng cũng có thể giúp giữ mức nhiễu của bộ dao động điều khiển bằng điện áp ở mức thấp.

Như có thể thấy, thiết kế RF của bộ tổng hợp tần số đòi hỏi sự cân bằng cẩn thận giữa băng thông vòng lặp, tỷ lệ phân chia, hiệu suất tham chiếu tần số, v.v.

Tác động của nhiễu pha PLL

Nhiễu pha PLL có thể ảnh hưởng đến các hệ thống khác nhau theo những cách khác nhau. Tuy nhiên, điều quan trọng là đối với mọi ứng dụng, nhiễu pha trên tín hiệu phải được biết rõ và giữ trong giới hạn nhất định. Tuy nhiên, nhiễu pha có thể gây ra một số vấn đề:

• Nhiễu truyền băng rộng:  Khi sử dụng bộ tổng hợp tần số PLL bên trong máy phát, các nguồn dao động cục bộ có nhiễu pha đáng kể có thể phát ra ngoài băng tần mong muốn. Nhiễu này được truyền dưới dạng nhiễu băng rộng và có thể gây nhiễu cho những người dùng khác ở gần.

Khi các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt hơn được áp dụng đối với nhiễu phát ra từ máy phát vô tuyến, cần phải đảm bảo rằng thiết kế RF cho phép hoạt động trong phạm vi các thông số yêu cầu.

• Tăng tỷ lệ lỗi bit:  Khi truyền dữ liệu sử dụng điều chế pha, độ dao động pha hoặc nhiễu pha có thể gây ra lỗi thu dữ liệu. Nhiễu pha PLL ở cả bộ phát và bộ thu có thể làm tăng nguy cơ lỗi bit. Do đó, việc kiểm soát nhiễu pha PLL ở mức chấp nhận được ở cả bộ phát và bộ thu là rất quan trọng.

• Trộn ngược:  Vấn đề này xảy ra khi nhiễu pha từ tín hiệu dao động cục bộ chồng lên tín hiệu mạnh ngoài kênh. Nhiễu pha này sẽ che khuất tín hiệu yếu hơn ở mức thấp hơn nhiều.

Thông số kỹ thuật bộ thu này thường được gọi là thông số kỹ thuật động, vì vấn đề đảo ngược chỉ xảy ra khi có tín hiệu ngoài kênh mạnh. Nếu không có tín hiệu nào khác, vấn đề sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, trong thực tế, tín hiệu thường mạnh, vì vậy điều quan trọng là phải đảm bảo hiệu suất đảo ngược ở mức mong muốn.

Nhiễu pha do bộ tổng hợp PLL tạo ra cực kỳ đáng kể, vì vậy hiệu suất nhiễu pha của bộ tổng hợp phải là yếu tố được cân nhắc hàng đầu ngay từ khi thiết kế. Vì hiệu suất nhiễu pha phụ thuộc rất nhiều vào kiến ​​trúc mạch tổng thể, nên việc sử dụng sai phương pháp có thể không đạt được mức cải thiện hiệu suất mong muốn.