Разработка синтезатора частоты приемно-передающего модуля сети мобильной связи

Основная формула данного синтезатора: fVCO = NfREFIN/RТаким образом, для объяснения работы современного синтезатора ADF4360−3 годятся все слова, сказанные по этому поводу выше, начиная с монографий 30-х годов прошлого века, в объяснение классической схемы СЧ с ИФАПЧ, которая и реализована в данном изделии. По входу «Data» в изделие поступает управляющая информация от внешнего контроллера, в нашем случае — от вычислителя мобильной станции сотовой связи. Схема внешних соединений синтезатора ADF4360−3 приведена на рисунке 18. Рис.

18. Схема внешних соединений синтезатора в режиме генерирования фиксированной частоты. Кроме внешнего ФНЧ, определяющего динамические свойства синтезатора, видны основные подключения, как — к последовательной шине данных по входу «Data», источнику опорной частоты REFin, выход синтезатора RFoutс волновым сопротивлением 50 Ом, и цепи питания. Размеры микросхемы, в которой реализован синтезатор, видны из рисунка 19, и составляют единицы миллиметров при толщине. Рис. 19. Размеры микросхемы синтезатора частот. Основные характеристики синтезатора в графической форме приведены на рисунке 20.

Первый график показывает монотонную логарифмическую зависимость мощности собственных фазовых шумов ГУН с разомкнутой петлёй ФАПЧ. Те же шумы с замкнутой петлей стабилизации частоты, показанные на втором графике, носят сугубо выраженный характер в районе несущей частоты, и подавлены стабилизирующим эффектом обратной связи при расстройке от средней частоты канала. Третий график показывает характер падения мощности фазовых шумов в зависимости от величины частотной расстройки в диапазоне 1800 МГц. Далее показан общий вид зависимости мощности выходного сигнала от частоты, фазовые шумы в диапазоне 900 МГц и АЧХ мощности при другой полосе обзора в 25 кГц вместо 10 кГц, как на четвертом графике. Рис.

20. Основные характеристики синтезатора… Факт состоит в том, что фазовые шумы на выходе не хуже (-130) дБ при расстройке на 200 кГц от средней частоты. Аналогичный продукт предлагает компания NationalSemiconductor (США). На рисунке 21 приведена структура монолитного, однокристального синтезатора частоты LMX2326 [19] на диапазон частот до 2.8 ГГц. Рис. 21.

Синтезатор LMX2326. И здесь видим два делителя — фиксированный в цепи опорного генератора, и переключаемый, вместе с фазовым детектором (PhaseComparator) составляют классическую основу СЧ с ФАПЧ. Диапазон перестраиваемых частот — (0.1 — 2.8) ГГц. Ток потребления не более 5 мА при напряжении питания 2.3 — 5.5 В. Максимальная частота на входе ИФД — не более 10 МГц. Работу фазового детектора (компаратора) поясняет рисунок 22.Рис. 22.

Диаграмма работы фазового компаратора. Видно, что функционирование компаратора ничем не отличается от приведенного выше на рисунке 16. Схема внешних соединений, проведенная на рисунке 23 также не оставляет вопросов по доходчивости представляемого продукта. Рис.

23. Схема внешних соединений синтезатора частот LMX. Видны пять линий, идущих к управляющему контроллеру. Генератор опорной частоты по-прежнему внешний. В данном варианте, судя по имеющейся документации, управляемый генератор вынесен за пределы данной реализации синтезатора на усмотрение пользователя, и управляется выходным сигналов с фазового детектора, выведенным из микросхемы. Видно, что цепи питания здесь обладают усиленными элементами фильтрации, чтобы исключить помехи на открытый выход сигнала рассогласования с ИФД. И, наконец, третий пример современного синтезатора частот — продукт MAX2870 [20] производства компании Maxim, показанный на рисунке 24. Диапазон частот в этом примере уникальный 23.5 — 6000 МГц.Рис. 24.

Структура синтезатора компании MAXIM. Структура изделия повторяет в принципе предыдущие примеры, и включает в себя те же обязательные элементы системы ФАПЧ, как — два делителя — фиксированный и переключаемый, фазовый детектор и управляемый генератор. Внешний генератор опорной частоты, управление по последовательному интерфейсу, внешний фильтр между ИФД и ГУН — относят и это изделие к классу современных интегрированных синтезаторов частоты прецизионной точности. Шумы выходного сигнала находятся на уровне -130 дБ при расстройке от 100 кГц, как показано на рисунке 25.Рис. 25. Шумы в зависимости от расстройкичастоты в разных частотных диапазонах — 904, 2687 и 2113 МГц соответственно слева направо.

Генератор опорной частоты.

Компания DallasSemiconductorsпредлагает ряд термокомпенсированныхкварцевых генераторов (TemperatureControlledCrystalOscillators)DS4026 [21] на фиксированные частоты 12.8, 19.44, 20.0, 38.88, 40.0, 51.84 МГц. Основные характеристикиимеют уникальный характер:

Точность поддержания частоты — 1 ppmв диапазоне температур (-40 — +85)СУход частоты за 10 лет — не более 4.6 ppm. Фазовые шумы — на уровне не хуже (-150) дБ при расстройте более 10 кГц. Точность измерения температуры — не хуже 3. Разрешающая способность измерения температуры — 0.0625С Частота измерения температуры — н менее 100 ГцБлок — схема прибора приведена на рисунке 26. Видно, что кроме непосредственно кварцевого генератора устройство содержат датчик температуры, варикап и систему автоматического регулирования частоты кварцевого генератора при изменении температуры кварцевого резонатора. Рис.

26. Блок-схема генератора опорной частоты. Генераторный блок содержит с переменной емкостью в лице варикапа, предназначенного для компенсации температурного дрейфа по показаниям термометра. Выходной блок с буферным усилителем разделяет частотозадающие цепи от влияния нагрузки. Температурный датчик расположен внутри микросборки, и отражает текущую температуру кварцевого резонатора. Встроенный контроллер предназначен для учета температуры и контроля состояния прибора. Преобразователь DACслужит для управления переменной емкостью регулирующего варикапа. Предусмотрен интерфейс для взаимодействия с внешними приборами. Схема внешних соединений приведена на рисунке 27. Кроме цепей питания прибор подключен к последовательному интерфейсу для управления режимом работы, и к получателю опорной частоты — в нашем случае к синтезатору частот с ФАПЧ.

Рис. 27. Схема внешних соединений генератора DS4026.

Управление генератором производится по последовательному интерфейсу через контакты SDA, SCL. Основные характеристики генератора в графической форме приведены на рисунке 28. Сверху — вниз, слева — направо: зависимость тока потребления от напряжения питания; токи потребления для разных величин опорных частот — два графика; сдвиг частоты в зависимости от подстройки генератора; влияние температуры на частоту. Рис. 28. Основные характеристики генератора опорной частоты. Выводы по разделу:

Исследование показало, что СЧ с ФАПЧ, которым были посвящены объемные монографии, в том числе и отечественные в середине прошлого века, нашли свое широчайшее практическое применение в современных смартфонах, выпускаемых за рубежом многими миллионами штук — в виде субминиатюрной микросхемы весом в доли грамма и размером в единицы миллиметров в каждом смартфоне. Принцип ФАПЧ оказался востребован на уровне серийного производства именно в таком виде, в каком он рассматривался с возникновения идеи в середине прошлого века. Данные устройства могут быть применены в любой новой создаваемой технике как для учебных целей, так и для личного пользования разработчика. По совокупности преимуществ для дальнейшего рассмотрения выберем конфигурацию из опорного генератора DS4026 на частоте 20.0 МГц и однокристальный синтезатор типа ADF4360−3. Расчет основных параметров СЧ с ИФАПЧРасчет коэффициентов деления:

Только в случае равенства частот на входах ИФД на его выходе появляется постоянной напряжение, пропорциональное разности фаз входных сигналов и предназначенное для управления ГУН. В установившемся режиме имеет место соотношение, выписанное выше: fГУН = fГОЧ · (NДПКД/NДФКД)В данном случае мобильной станции сотовой связи ограничим диапазон частот ГУН величинами, например: fГУНmin — fГУНmax= (890 — 960) МГц. Шаг сетки частот выберем равным, например, разнесению частот между соседними каналами в стандарте GSM900: fс = 0.2 МГц Выберем частоту ГОЧ равной fГОЧ = 10 МГц, вполне подходящей в рамках представленной выше информации по опорным генераторам. Тогда. находим диапазон коэффициентов деления NДПКД: NДПКДmin = fГУНmin/fс = 890/0.2 = 4450;NДПКДmax = fГУНmax/fс = 960/0.2 = 4800.

Находим коэффициент деления NДФКД: NДФКД =fГОЧ/fс = 10/0.2 = 50Таким образом, в предложенном синтезаторе можно получать требуемые частоты в указанном диапазоне путем переключения коэффициента деления NДПКД. Результирующий коэффициент деления ДПКД равен: NДПКД = (N+1)· A + N· (B-A) = N· (B+A)Выше найдено, что NДПКДmin = 4450; NДПКДmax = 4800.

Тогда: B = Ent (NДПКД/N) — целая часть от деления; А = mod (NДПКД/N) — остаток от деления. Выбирая N = 64 получаем:

Для NДПКД = 4450B = 69, A = 34;Для NДПКД = 4800B = 75, A = 0. Начальную установку значений, А и В производит, как сказано в работе [МУ] - микроконтроллер, управляющий синтезатором. Расчет величины частоты среза F' кольца ИФАПЧ:

Как указано выше, величина частоты среза кольца ИФАПЧ [МУ] даётся формулой:

Примем здесьSИФД= 2 [V/рад]- крутизна импульсно — фазового детектора. Примем также, для определенности SГУН= 10 [кГц/В] - коэффициент передачи ГУН. Учитывая, что полоса частот эффективного регулирования синтезатора определяется как: fРЕГ = F'/10.И выражая, как показано выше, среднее значения крутизны ГУН через диапазон перестройки частоты Δf = fMAX — fMIN= 890 — 960 МГц: SГУН = Δf/(UИФДmaxKУС)получаем окончательную величину частоты среза кольца ИФАПЧ, выраженную в коэффициенте делиния: F' = Δf/(2NДПКД ср) = 70· 106/(2·4625) = 2410.

Гц. Следовательно, полоса эффективного регулирования составляет: fРЕГ = F'/10~240 Гц. Расчет времени перестройки синтезатора ΔtПЕР.Перестройка частоты с одного значения на другое для синтезатора с замкнутым кольцом ИФАПЧ, содержащим инерционное интегрирующее звено, обладающее найденной выше частотой среза F', происходит по закону [14]: ΔfГУН (t) = Δfexp (-2F')tгде: Δf — величина перестройки. Интересующее нас время перестройки синтезатора ΔtПЕРпри переключении частот можно оценить из следующих соображений: 2F'ΔtПЕР = 3, или ΔtПЕР ½F' = 1/4800 208мкс.Расчет RC-фильтра:

Как говорилось выше, для простоты рассуждений на начальном этапе в качестве инерциального звена рассмотрим пропорционально — интегрирующий RC — фильтр. Для известных значений F' = 2400.

Гц и частоты сетки fc = 200 кГц определим частоту среза ФНЧ, необходимую для устойчивой работы ИФАПЧ. В работе [14] показано, что для устойчивой работы синтезатора необходимо подавление частоты сетки не менее, че, на 60 дБ. Если принять равенство искомой частоты среза ФНЧ и частоты срезу кольца ИФАПЧ f = 2400.

Гц, найденной выше, то для получения подавления таким фильтром частоты сетки на >60 дБ понадобится двухзвенный RC-фильтр, обеспечивающий подавление 10 дБ на октаву в каждом звене, или 30 дБ на частоте 200 кГц, или 2· 30 = 60 дБ для двухзвенного фильтра.

Заключение

: В результате выполненного исследования получены уверенные знания о современном состоянии мировой технологии синтеза частот для мобильных станций сотовой связи. Со всей очевидностью получен очередной стандартный пример из отечественной практики достижения высоких инновационных результатов. Если на начальном этапе советские ученые активно участвовали в фундаментальном поиске оптимального решения проблемы косвенного синтеза частот, выпуская монографии в разных областях применения, то далее стало очевидно полное, 100%-ное отставание отечественной науки на уровне создания конкурентоспособной технологии, завершившееся совершенным отсутствием отечественной элементной базы данного рода.

Исследование продукции трех ведущих мировых фирм AnalogDevices, NationalSemiconductors, Maxim- совершенно достаточно для создания общего впечатления об уровне достижений мировой микроэлектроники в области синтеза частот СВЧ диапазона. Полученное решение может быть использовано для расширения общего кругозора учащегося, для дальнейшего развития — например, при созданииаппаратно — программного комплекса в рамках магистерской, кандидатской или докторской диссертации, а также для развития экспериментально — учебной базы образовательного заведения. Целесообразность применения рассмотренных подходов для решения поставленной задачи следуетиз уникальности результатов, полученных зарубежными производителями, а другими словами, следует из того, что других подходов и решений попросту не существует. Эффективность выявленных зарубежных решений находится на высочайшем уровне — при «наиминимальнейших» размерах рассмотренной элементной базы технические параметры находятся на уникальном уровне — где генератора — точность поддержания опорной частоты на уровне сотых долей ppm, практически в полном климатическом диапазоне температур, а для синтезатора переключение частот встроенного ГУН с частотой в районе 2 ГГц за доли миллисекунды — поистине уникальный результат. Следует отдельно остановиться на программном обеспечении рассмотренной техники. Исследование проводилось лишь в части аппаратного обеспечения косвенного синтеза частот, где показана уникальность достигнутых результатов. Очевидно, что не меньше труда было затрачено разработчиками на создание драйверов, управляющих данной техникой в реальном времени. Все мы имеем возможность наблюдать непрерывность и надежность сотовой мобильной связи, что говорит о достаточной глубине проработки программного обеспечения современной мобильной станции сотовой связи.

Предложенные методы исследования техники и элементной базы зарубежного производства, построенные на анализе доступных информационных ресурсов — являются единственно возможными на современном этапе доминирования зарубежных технологий, и полного заимствования их на отечественном рынке. Если эти ресурсы в силу ряда причин станут недоступны, то не только отставание отечественной техники станет глобальным, но специалисты даже не будут понимать о чем идет речь. В данном смысле ценность данной работы весьма высока как поддерживающей минимально необходимый уровень знаний у населения отстающей страны. Тем более надо включать такие работы в учебный процесс отечественных ВУЗ’ов.

Галкин В. А. Мобильные системы радиосвязи/ Учебное пособие. Часть 1 — Радиоканал. МГИЭТ — 2003.

Карташевский В.Г. и др. Сети подвижной связи. М.: Эко — Трендз, 2001.

Диязетдинов Д. Д. Системы связи с подвижными объектами/ Поволжский ГУТИ — конспект лекций. 2013.

Солодовник В. Ф. Технологии средств связи с подвижными объектами. pdf/ Электронный ресурс.

ДингесС.И. Схемотехника РЧ блоков систем связи с подвижными объектами/ МТУСИ — Учебное пособие. 2014.

Ипатов В. П и др. Системы мобильной связи/ М.: Горячая линия, 2003.

Арсланов М.З., Рябков В. Ф. Радиоприемные устройства. — М.: Советское радио. 1973.

Манассевич В. Синтезаторы частот: М.: Связь 1979.

Левин В.А. и др. Синтезаторы частот с системой импульсно — фазовой автоподстройки: М.: Радио и связь. 1989.

Шапиро Д.Н. и др. Основы теории синтеза частот. — М.: Радио и связь, 1981.

Рыжков А.В. и др. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. — М.: Радио и связь. 1991.

Шахгильдян В.В. радиопередающие устройства. — М.: Радио и связь. 2003.

Ливингстон Р. Ускорители заряженных частиц. — М.: Наука, 1970.

Методические Указания СПбГУТ: «Проектирование телевизионных передатчиков». Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л.: Энергия, 1974.

Рябенький В.С.

Введение

в вычислительную математику. М.: ФМЛ, 2000.

Электронный ресурс — Сайт компании «AnalogDevices» URL:

http://ad.comЭлектронный ресурс — ADF4360−3.pdfЭлектронный ресурс — LMX2326. pdfЭлектронный ресурс — MAX2870. pdf Электронный ресурс — DS4026.pdf.