주파수 신시사이저

Frequency synthesizer

주파수 신시사이저는 단일 기준 주파수에서 주파수 범위를 생성하는 전자 회로입니다.주파수 신시사이저는 라디오 수신기, 텔레비전, 휴대 전화, 무선 전화, 무전기, CB 라디오, 케이블 텔레비전 컨버터 박스, 위성 수신기, GPS 시스템과 같은 많은 현대 장치에 사용됩니다.주파수 신시사이저는 주파수를 생성하기 위해 주파수 증배, 주파수 분할, 직접 디지털 합성, 주파수 혼합 및 위상 잠금 루프 기술을 사용할 수 있다.주파수 신시사이저 출력의 안정성과 정확성은 기준 주파수 입력의 안정성 및 정확성과 관련이 있습니다.따라서 신시사이저는 수정발진기가 제공하는 주파수와 같이 안정적이고 정확한 기준 주파수를 사용한다.

종류들

신시사이저는 3가지 타입으로 구분할 수 있습니다.첫 번째와 두 번째 유형은 일반적으로 독립형 아키텍처로 사용됩니다. 즉, 직접 아날로그 합성(1960년대 HP 5100A에서 볼 수 있는 혼합 필터 분할 아키텍처라고도[1] 함)과 보다 현대적인 직접 디지털 신시사이저(DDS)(테이블 룩업)입니다.세 번째 유형은 일반적으로 통신 시스템 IC 구성 블록으로 사용됩니다. 즉, 정수 N 및 분수 [2]N을 포함하는 간접 디지털(PLL) 신시사이저입니다.최근에 등장한 TAF-DPS도 직접적인 접근법이다.클럭 펄스열에서 각 펄스의 파형을 직접 구성합니다.

디지파아제 신시사이저

DDS와 어떤 면에서는 비슷하지만 아키텍처적인 차이가 있습니다.이 제품의 큰 장점 중 하나는 주어진 [3]기준 주파수를 가진 다른 유형의 신시사이저보다 훨씬 더 미세한 해상도를 제공하는 것입니다.

시간 평균 주파수 직접 주기 합성(TAF-DPS)

최근에는 TAF-DPS(Time-Average-Frequency Direct Period Synthesisor)라는 기술이 주파수 신시사이저 제품군의 새로운 구성원으로 등장하고 있다.집적회로를 구동하는 클럭 신호를 위한 주파수 생성에 초점을 맞추고 있습니다.다른 모든 기술과 달리, 새로운 개념의 시간 평균 [4]빈도를 사용합니다.그 목적은 온칩 클럭 신호 생성 분야에서 오래 지속되는 두 가지 문제, 즉 임의 주파수 생성과 순간 주파수 스위칭에 대처하는 것입니다.

TAF-DPS는 기본 시간 단위에서 시작하여 먼저 두 가지 유형의 사이클A T와B T를 생성합니다.그런 다음 이 두 가지 유형의 사이클을 인터리브 방식으로 사용하여 클럭 펄스 트레인을 생성합니다.그 결과, TAF-DPS는, 임의의 주파수 생성 및 순간 주파수 스위칭의 문제에 보다 효과적으로 대처할 수 있습니다.TAF 개념을 이용하는 첫 번째 회로 기술은 (의식적으로는 그렇지만) 1990년대 후반에 개발된 "비행 가산기 주파수 합성 아키텍처" 또는 "비행 가산기 PLL"입니다.2008년 TAF 개념이 도입된 이후, TAF에서 작동하는 주파수 합성 기술의 개발이 공식적으로 시작되었다.이 기술에 대한 자세한 설명은 이 책과 짧은[5] 튜토리얼에서 확인할 수 있습니다.개발이 진행됨에 따라 TAF-DPS가 시스템 수준의 이노베이션(innovation)[7]을 실현하는 회선 수준이라는 것이 점차 분명해지고 있습니다.클럭 신호 생성 이외의 많은 영역에서 사용할 수 있습니다.클럭 신호가 전자제품에서 가장 중요한 신호이기 때문에 전자제품 내부에서 시간의 흐름을 확립하기 때문에 그 영향은 매우 큽니다.이러한 심오한 영향은 무어의 법칙이 [8]시공간에서 변화하는 방향에서 볼 수 있다.

역사

신시사이저가 널리 사용되기 전에 라디오 및 텔레비전 수신기는 서로 다른 주파수의 방송국을 수신하기 위해 인덕터와 콘덴서로 구성된 공진 회로 또는 때로는 공진 전송선으로 구성된 공진 회로를 사용하는 로컬 발진기의 수동 튜닝에 의존했습니다.리시버는 가변 캐패시터 또는 1980년대 이전 텔레비전 리시버에서 일반적으로 사용되는 터렛 튜너와 같이 원하는 채널에 적합한 튜닝 회로를 선택한 스위치에 의해 다른 주파수로 조정되었습니다.그러나 튜닝된 회로의 공진 주파수는 그다지 안정적이지 않습니다. 즉, 온도 변화와 구성 요소의 노후화가 주파수 드리프트를 일으켜 수신기가 스테이션 주파수를 이탈하게 됩니다.Automatic Frequency Control(AFC; 자동 주파수 제어)에 의해 드리프트 문제가 일부 해결되지만 수동 재튜닝이 필요한 경우가 많습니다.송신기의 주파수는 안정되어 있기 때문에, 수신기의 고정적이고 안정된 주파수의 정확한 소스가 문제를 해결할 수 있습니다.

석영 결정 공진기는 LC 회로보다 훨씬 안정적이며, 로컬 오실레이터의 주파수를 제어하는 데 사용하면 수신기의 음을 맞추기 위한 적절한 안정성을 제공합니다.그러나 결정의 공진 주파수는 치수에 따라 결정되며 수신기를 다른 주파수로 조정하기 위해 변경할 수 없습니다.한 가지 해결책은 원하는 주파수마다 하나씩 많은 크리스털을 사용하고 올바른 크리스털을 회로로 전환하는 것입니다.이 "중력" 기법은 소수의 주파수만 필요할 때 실용적이지만, 많은 애플리케이션에서 빠르게 비용이 많이 들고 실용적이지 않게 됩니다.예를 들어 많은 국가에서 FM 무선 대역은 약 88MHz에서 108MHz까지의 100개의 개별 채널 주파수를 지원합니다.각 채널에서 튜닝하려면 100개의 크리스털이 필요합니다.케이블 텔레비전은 훨씬 더 넓은 대역에서 더 많은 주파수 또는 채널을 지원할 수 있습니다.크리스탈의 수가 많으면 비용이 증가하고 공간이 더 많이 필요합니다.

이에 대한 해결책은 수정 발진기에 의해 생성된 "기준 주파수"에서 여러 개의 주파수를 생성할 수 있는 회로의 개발이었다.이것은 주파수 신시사이저라고 불립니다.새로운 "합성" 주파수는 마스터 크리스털 오실레이터의 주파수 안정성을 갖습니다. 이는 마스터 크리스털 오실레이터에서 파생되었기 때문입니다.

주파수를 합성하기 위한 많은 기술들이 수년간 고안되어 왔다.일부 접근법에는 위상 잠금 루프, 이중 혼합, 삼중 혼합, 조화, 이중 혼합 분할 및 직접 디지털 합성(DDS)이 있습니다.접근방식의 선택은 비용, 복잡성, 주파수 스텝사이즈, 스위칭레이트, 위상노이즈, 스플리어스 출력 등 여러 요인에 따라 달라집니다.

간섭성 기술은 안정적인 단일 마스터 오실레이터에서 파생된 주파수를 생성합니다.대부분의 응용 프로그램에서는 수정 발진기가 일반적이지만 다른 공진기 및 주파수 소스를 사용할 수 있습니다.일관성이 없는 기술은 여러 개의 안정적인 [9]발진기 집합에서 주파수를 도출합니다.상용 애플리케이션의 신시사이저 대부분은 단순성과 저비용 때문에 일관성 있는 기술을 사용합니다.

상용 무선 수신기에 사용되는 신시사이저는 주로 위상 잠금 루프(PLL)에 기반합니다.집적회로로서 많은 타입의 주파수 신시사이저를 이용할 수 있어 비용과 사이즈를 삭감할 수 있습니다.하이엔드 리시버와 전자 테스트 장비는 종종 조합하여 보다 정교한 기술을 사용합니다.

시스템 분석 및 설계

잘 고안된 설계 절차는 성공적인 신시사이저 프로젝트를 [10]위한 첫 번째 중요한 단계로 간주됩니다.Manassewitch는 주파수 신시사이저의 시스템 설계에는 경험이 풍부한 신시사이저 [10]설계자만큼 많은 "최고의" 설계 절차가 있다고 말한다.주파수 신시사이저의 시스템 분석에는 출력 주파수 범위(또는 주파수 대역폭 또는 튜닝 범위), 주파수 증분(또는 분해능 또는 주파수 튜닝), 주파수 안정성(또는 위상 안정성, 스플리어스 출력 비교), 위상 노이즈 성능(예: 스펙트럼 순도), 전환 시간(안착 시간 및 상승 시간 비교) 및크기, 전력 소비량,[11][12] 비용 등입니다.제임스 A.크로포드는 이런 것들이 서로 모순되는 [12]요구라고 말한다.

주파수 합성 기술에 대한 영향력 있는 초기 책으로는 Floyd M. Gardner(1966년 Phaselock 기술)[13]와 Ventslav F.가 있다. Kropa(1973년 주파수 합성).[14]

주파수 합성 인자가 [14]정수의 비율인 경우, 기계적 기어비 관계와 유사한 수학적 기술을 주파수 합성에 사용할 수 있다.이 방법을 사용하면 스펙트럼 스퍼의 분포와 억제를 효과적으로 계획할 수 있다.

DDS를 포함한 가변 주파수 신시사이저는 위상을 나타내기 위해 Modulo-N 산술을 사용하여 정기적으로 설계됩니다.

PLL 신시사이저의 원리

주요 기사 참조:위상 잠금 루프

위상 잠금 루프는 피드백 제어 시스템입니다.두 입력 신호의 위상을 비교하여 위상 [15]간 차이에 비례하는 오류 신호를 생성합니다.그런 다음 오류 신호는 로우패스 필터링되어 출력 주파수를 생성하는 전압 제어 오실레이터(VCO)를 구동하는 데 사용됩니다.출력 주파수는 분주기를 통해 시스템 입력으로 공급되어 음의 피드백 루프를 생성합니다.출력 주파수가 어긋나면 위상 오차 신호가 증가하여 오차를 줄이기 위해 반대 방향으로 주파수를 구동합니다.따라서 출력은 다른 입력의 주파수로 잠깁니다.이 다른 입력은 기준이라고 불리며 일반적으로 주파수가 매우 안정적인 수정 오실레이터에서 파생됩니다.다음 블록 다이어그램은 PLL 기반 주파수 신시사이저의 기본 요소와 배치를 보여 줍니다.

일반적인 유형의 PLL 신시사이저 블록 다이어그램.

주파수 신시사이저가 여러 주파수를 생성할 수 있는 비결은 출력과 피드백 입력 사이에 배치된 분배기입니다.이것은 보통 디지털카운터의 형태로 출력신호가 클럭신호로 기능합니다.카운터는 일부 초기 카운트 값으로 사전 설정되며, 클럭 신호의 각 사이클마다 카운트다운됩니다.0이 되면 카운터 출력 상태가 변화하고 카운트 값이 새로고침됩니다.이 회로는 플립플롭을 사용하여 구현이 간단하며, 기본적으로 디지털이기 때문에 다른 디지털 컴포넌트나 마이크로프로세서와 매우 쉽게 인터페이스할 수 있습니다.이를 통해 신시사이저의 주파수 출력을 디지털 시스템에서 쉽게 제어할 수 있습니다.

예

기준 신호가 100kHz이고 분할기를 1과 100 사이의 값으로 사전 설정할 수 있다고 가정합니다.비교기에서 생성되는 오류 신호는 분할기의 출력도 100kHz일 때만 0이 됩니다.이를 위해서는 VCO가 100kHz x 분할기 카운트 값인 주파수로 실행되어야 합니다.따라서 카운트가 1, 200kHz일 경우 100kHz, 카운트가 2, 10일 경우 1MHz 등의 출력이 생성됩니다.가장 단순한 정수 N 분할기로 기준 주파수의 전체 배수만 얻을 수 있습니다.분수 N 칸막이를 쉽게 사용할 수 있습니다.[16]

실제 고려 사항

필립스 TDA6651TT - 5V 믹서/오스크레이터 및 하이브리드 지상파 튜너용 저소음 PLL 신시사이저

실제로 이러한 유형의 주파수 신시사이저는 매우 넓은 주파수 범위에서 작동할 수 없습니다. 왜냐하면 컴퍼레이터의 대역폭이 제한되고 에일리어싱 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.이로 인해 잠금이 잘못되거나 잠글 수 없게 됩니다.또, 매우 넓은 범위에서 동작하는 고주파 VCO는 만들기 어렵다.이는 몇 가지 요인에 의한 것이지만, 주된 제약사항은 varactor 다이오드의 제한된 캐패시턴스 범위입니다.그러나 신시사이저가 사용되는 대부분의 시스템에서는 넓은 범위를 추구하지 않고 특정 대역의 다수의 무선 채널과 같이 정의된 범위에 걸쳐 한정된 수를 추구합니다.

많은 무선 어플리케이션에서는 디지털카운터에 직접 입력할 수 있는 주파수보다 높은 주파수가 필요합니다.이를 극복하기 위해 전체 카운터는 ECL과 같은 고속 로직을 사용하여 구성할 수 있으며, 더 일반적으로는 주파수를 관리 가능한 수준으로 줄이는 프리스케일러라고 불리는 빠른 초기 분할 단계를 사용하여 구성할 수 있습니다.프리스케일러는 전체 분할 비율의 일부이기 때문에 고정 프리스케일러는 좁은 채널 간격을 가진 시스템 설계에 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 일반적으로 무선 애플리케이션에서 발생합니다.이 문제는 듀얼 모듈러스 프리스케일러를 [16]사용하여 해결할 수 있습니다.

기타 실용적인 측면은 시스템이 채널 간에 전환할 수 있는 시간, 처음 전원을 켤 때 잠그는 시간 및 출력에 노이즈가 얼마나 있는지와 관련이 있습니다.이 모든 것은 주파수 비교기의 출력과 VCO 입력 사이에 배치되는 저역 통과 필터인 시스템의 루프 필터의 기능입니다.일반적으로 주파수 비교기의 출력은 짧은 오류 펄스 형식이지만 VCO 입력은 노이즈가 없는 부드러운 DC 전압이어야 합니다.(이 신호에 노이즈가 있으면 자연스럽게 VCO의 주파수 변조가 발생합니다).과도한 필터링은 VCO의 변경에 대한 응답을 느리게 하여 드리프트와 응답 시간을 느리게 하지만 빛 필터링은 노이즈 및 고조파에 대한 기타 문제를 발생시킵니다.따라서 필터의 설계는 시스템의 성능에 매우 중요하며, 실제로 설계자가 신시사이저 [16]시스템을 구축할 때 집중할 주요 영역입니다.

주파수 변조기로 사용

많은 PLL 주파수 신시사이저는 주파수 변조(FM)도 생성할 수 있습니다. 변조 신호는 루프 필터 출력에 추가되어 VCO 및 신시사이저 출력의 주파수를 직접 변화시킵니다.변조는 위상 비교기 출력에도 나타나며, 주파수 분할마다 진폭이 감소합니다.루프 필터에 의해 차단되기에는 너무 낮은 변조 신호의 스펙트럼 성분은 변조 신호와는 반대 극성으로 VCO 입력으로 돌아가 이들을 상쇄합니다(루프는 이들 성분을 효과적으로 추적해야 할 VCO 노이즈로 간주합니다).루프 필터의 컷오프 주파수를 넘는 변조 컴포넌트는 VCO 입력으로 돌아갈 수 없기 때문에 VCO 출력에 [17]남습니다.따라서 이 간단한 방식으로는 Low Frequency(또는 DC; 저주파) 변조 신호를 직접 처리할 수 없지만 이 방식을 사용하는 많은 AC 커플링 비디오 및 오디오 FM 송신기에서는 문제가 되지 않습니다.이러한 신호는 PLL 루프필터의 컷오프 주파수보다 높은 서브캐리어에도 배치될 수 있습니다.

PLL 주파수 신시사이저는 또한 위의 [18]한계를 극복하기 위해 2점 변조를 사용하여 저주파수로 DC까지 변조할 수 있습니다.기존과 같이 VCO에 변조가 적용되지만, 현재는 고속 델타 시그마 ADC를 사용하여 아날로그 FM 신호에 맞추어 신시사이저에도 디지털 방식으로 적용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 포피엘 고르스키 (1975년, 페이지 25)
  2. ^ Egan (2000년, 페이지 14~27)
  3. ^ Egan (2000, 페이지 372–376)
  4. ^ Xiu, Liming (2008). "The concept of time-average-frequency and mathematical analysis of flying-adder frequency synthesis architecture". IEEE Circuits and Systems Magazine. 8 (3): 27–51. doi:10.1109/mcas.2008.928421. ISSN 1531-636X.
  5. ^ Xiu, Liming (2012). Nanometer frequency synthesis beyond the phase-locked loop. Hoboken: John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-34795-9. OCLC 797919764.
  6. ^ Xiu, Liming (2015). From frequency to time-average-frequency : a paradigm shift in the design of electronic system. New York: IEEE Press. ISBN 978-1-119-10217-5. OCLC 908075308.
  7. ^ Xiu, Liming (2017). "Clock Technology: The Next Frontier". IEEE Circuits and Systems Magazine. 17 (2): 27–46. doi:10.1109/mcas.2017.2689519. ISSN 1531-636X.
  8. ^ Xiu, Liming (2019). "Time Moore: Exploiting Moore's Law From The Perspective of Time". IEEE Solid-State Circuits Magazine. 11 (1): 39–55. doi:10.1109/mssc.2018.2882285. ISSN 1943-0582.
  9. ^ 마나세비치 (1987년, 7페이지)
  10. ^ a b 마나세비치 (1987년, 페이지 151년)
  11. ^ 마나세비치 (1987년, 51페이지)
  12. ^ a b 크로포드 (1994년, 페이지 4)
  13. ^ 가드너(1966)
  14. ^ a b Krooupa (1999년, 페이지 3)
  15. ^ 위상은 주파수의 정수입니다.위상을 제어하면 주파수도 제어됩니다.
  16. ^ a b c 배너지 (2006)
  17. ^ 가드너 1966
  18. ^ 오웬(2001)

추가 정보

  • Ulrich L. Roade "디지털 PLL 주파수 신시사이저 - 이론과 디자인", NJ, Englewood Cliffs, Prentice-Hall, Inc., 1983년 1월
  • Ulrich L. Roade " 전자레인지와 무선 신시사이저:이론과 디자인", John Wiley & Sons, 1997년 8월, ISBN 0-471-52019-5

외부 링크

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