در مبدلهای داده پرسرعت و طرحهای رادیویی 5G، منابع فرکانس اغلب گلوگاههای پنهان هستند. با افزایش نرخ انتقال داده و انتقال 5G به باندهای بالاتر، برآوردن الزامات عملکرد دشوارتر می شود. لیست نیازمندی ها همچنان در حال رشد است و جهت آن اغلب با اهداف عملکرد در تضاد است.
مانند پی ساختمان، هر چیزی که بر روی منبع فرکانس ساخته شده است در صورت تغییر تحت تأثیر قرار می گیرد. ساعت یا نوسان ساز محلی با ولتاژ کنترل شده (VCO) پایه ای است که هر گونه ناپایداری آن در سراسر سیستم منتشر می شود، مهم نیست که قطعات دیگر چقدر خوب طراحی شده باشند.
هسته هر سینت سایزر فرکانس یک حلقه قفل فاز است (از این پس PLL نامیده می شود). PLL مکانیزمی است برای قفل کردن فرکانس خروجی به یک مرجع دقیق و ثابت نگه داشتن آن. این یک منبع فرکانس پایدار و قابل کنترل را از یک نوسانگر رانش متمایز می کند.
کاربردهای مدرن مانند رادیوها، رادارها، آرایههای فازی، تجهیزات تست چند باند و زیرساختهای بیسیم نیازمند پرش مداوم بین فرکانسهای مختلف برای جلوگیری از تداخل، پشتیبانی از چند کاناله یا انجام مدولاسیون پرتو به صورت الکترونیکی هستند. هر بار که سیستم فرکانس را تغییر می دهد، PLL آن باید دوباره قفل شود. قبل از این، سیگنال ناپایدار و اساسا غیرقابل استفاده بود. زمان قفل مجدد مستقیماً بر سرعت پاسخگویی کل محصول تأثیر می گذارد.
مبدل های داده با اندازه گیری سیگنال های ورودی در فواصل زمانی دقیق و منظم، معمولا میلیون ها بار در ثانیه کار می کنند. ساعت زمان هر اندازه گیری را تعیین می کند. هرگونه عدم قطعیت زمان (همچنین به عنوان جیتر شناخته می شود) در ساعت به این معنی است که اندازه گیری در زمان اشتباه رخ می دهد، بنابراین خطاهایی را ایجاد می کند که به عنوان نویز در خروجی نشان داده می شود. هر چه سیگنال سریعتر باشد، اثر شدیدتر است.
در رادیو 5G، همین مشکل به اشکال مختلف رخ می دهد. نوسانگر محلی دقیقاً سیگنال رادیویی را روی فرکانس صحیح قرار می دهد. نویز فاز در منبع کلاک به جتر نمونهبرداری تبدیل میشود که مستقیماً SNR مبدل را محدود میکند و در نهایت بر شاخصهای سطح سیستم مانند دامنه بردار خطا (EVM) تأثیر میگذارد.
در هر دو مورد، نتایج یکسان است: عدم قطعیت منبع فرکانس منجر به خطایی می شود که در پایین دست قابل اصلاح نیست. مبدل با عملکرد دینامیکی عالی تنها زمانی می تواند به شاخص عملکرد هدف خود دست یابد که ساعت حرکت آن به همان اندازه دقیق باشد.
در واقع، نویز فاز سینت سایزر تعیین می کند که چه مقدار عدم قطعیت زمان در سیگنال ساعت جمع شده است (که با جیتر RMS نشان داده می شود، که یک مقدار واحد نشان دهنده اندازه متوسط این خطاهای زمان بندی است)، و بنابراین تعیین می کند که چقدر نویز و بودجه اعوجاج مبدل قبل از دیجیتالی شدن سیگنال مصرف شده است.
ملاحظات طراحی
هنگام طراحی مبدل های داده پرسرعت و برنامه های کاربردی 5G، مبادلات مختلفی که ممکن است بر عملکرد تأثیر بگذارد باید در نظر گرفته شوند:
نویز فاز نویز پسزمینه را تعیین میکند و حد بالایی محدوده دینامیکی را تعیین میکند تا بهترین وضوح سیگنالی را که میتوان به دست آورد، بدون توجه به اینکه چقدر از جنبههای دیگر برجسته باشد، تعیین میکند. در رادیو 5G، تعیین می کند که آیا طرح مدولاسیون می تواند روی گیرنده رمزگشایی شود یا خیر.
محدوده فرکانس انعطاف پذیری را تعیین می کند. سینت سایزری که بتواند باند فرکانس هدف را بدون دوبرابر کردن یا تقسیم فرکانس خارجی پوشش دهد، می تواند طراحی را ساده کرده، تعداد اجزا را کاهش دهد و نویز و پیچیدگی ایجاد شده توسط این آبشارهای اضافی را حذف کند.
زمان قفل تعیین میکند که سیستم با چه سرعتی میتواند کانالها را تغییر دهد یا به شرایط دینامیکی پاسخ دهد - در کاربردهای پرش فرکانس و هدایت پرتو ضروری است.
PLL خروجی خود را روی یک فرکانس با مقایسه و تصحیح مداوم خروجی خود با مرجع قفل می کند. این فرآیند تصحیح توسط حلقه بازخورد کنترل می شود، که مانند هر حلقه بازخوردی، نیاز به زمان برای تثبیت دارد زیرا حلقه باید قبل از استفاده از خروجی، خطا را تشخیص دهد، پاسخ دهد و تثبیت شود.
در طرحهای سنتی، پهنای باند حلقه که سرعت پاسخ PLL را تعیین میکند نیز مستقیماً بر عملکرد نویز فاز تأثیر میگذارد. گسترش حلقه برای افزایش سرعت قفل باعث بدتر شدن صدای فاز می شود. کوچک کردن حلقه برای بهبود نویز فاز می تواند بر زمان قفل تأثیر منفی بگذارد. این مبادله اساسی به این معنی است که طراحان باید انتخاب کنند که کدام یک برای کاربرد آنها مهمتر است - و عواقب این انتخاب را متحمل شوند.
آخرین نسل سینت سایزر فرکانس تقسیم N یکپارچه یکپارچه به طور مستقیم این معاوضه ها را حل می کند. راه حل های اولیه طراحان را مجبور به انتخاب بین عملکرد نویز فاز و ادغام می کرد، در حالی که دستگاه های جدیدتر نویز فاز بسیار کم، پوشش فرکانس وسیع، زمان قفل سریع و بسته بندی فشرده را ترکیب می کردند و قطعاتی را که قبلاً به چندین مؤلفه گسسته نیاز داشتند در یک راه حل واحد یکپارچه می کردند.
برای ساعت مبدل داده، این بدان معنی است که نویز پس زمینه منبع فرکانس دیگر محدودیتی برای محدوده دینامیکی سیستم نیست. برای طراحی رادیویی 5G، این بدان معنی است که دستیابی به اهداف دامنه بردار خطا به جای مشکلی که باید در اطراف آن مهندسی شود، به یک مشکل منبع فرکانس حل شده تبدیل می شود.
سیستمهای RF مدرن معمولاً از یک سینت سایزر PLL تقسیم N کسری برای تولید یک ساعت نمونهبرداری و یک نوسانگر محلی استفاده میکنند. اگرچه این معماری ها وضوح فرکانس بسیار خوبی را امکان پذیر می کنند، مدولاسیون نسبت تقسیم فرکانس نویز کمی و کاذب کسری را معرفی می کند که بر منحنی نویز فاز کلی تأثیر می گذارد. نویز تولید شده توسط تقویت کننده یا فیلتر بر سیگنال تأثیر می گذارد، اما نویز تولید شده توسط منبع فرکانس مرجع را از بین می برد، در حالی که مرجع ضعیف همه ماژول هایی را که به مرجع وابسته هستند از بین می برد.
VCO روی تراشه طراحی برد مدار را ساده می کند
سنتز فرکانس پهن باند به طور سنتی به معنای مونتاژ زنجیرههای سیگنال با اجزای مجزا (VCO خارجی، PLL، بافرها، و غیره) و در نتیجه مشکلات طرحبندی است. دستگاه های آنالوگ، شرکت (ADI) طراحی برد مدار را با ادغام VCO در یک راه حل تراشه، ادغام کل زنجیره سیگنال در یک دستگاه، و ارائه قابلیت های کالیبراسیون سریع برای پرش فرکانس بدون به خطر انداختن نویز فاز و عملکرد جیتر مورد نیاز برای رادیو 5G و طراحی های مبدل داده با سرعت بالا، ساده می کند.
تعویض فرکانس در یک زمان انجام نمی شود. هنگامی که PLL فرمان تغییر به فرکانس جدید را دریافت می کند، قبل از اینکه بتوان خروجی را به فرکانس موجود تغییر داد، باید سه مرحله مختلف را طی کند. در ابتدا یک فرمان سوئیچ دریافت می کند. سپس به صورت داخلی تنظیمات مناسب را برای تولید فرکانس مورد نیاز جستجو می کند. این مرحله جستجو کندترین بخش است، معمولاً 100 تا 250 میکروثانیه در دستگاه های باند پهن مدرن. در نهایت، تثبیت می شود تا اطمینان حاصل شود که خروجی به اندازه کافی تمیز و در دسترس است.
سری ADF4382 ADI مستقیما مشکل کندی لینک های میانی را حل می کند. برای کالیبراسیون سریع، نیازی به جستجوی مجدد در هر بار درخواست سوئیچ فرکانس نیست، بلکه از یک جدول جستجوی روی تراشه استفاده می کند که حاوی تنظیمات از پیش محاسبه شده برای نقاط شناخته شده در 32 محدوده فرکانس است. هنگامی که یک فرکانس جدید مورد نیاز است، دو نزدیکترین نقطه ذخیره را پیدا می کند و بین آنها درون یابی می کند تا تنظیمات صحیح تقریباً بلافاصله در دسترس باشند. به این ترتیب، کل زمان قفل را می توان در عرض 10 میکروثانیه، با حداقل 2 میکروثانیه کاهش داد.