Інтегральні технології розробки синтезаторів частот
1Ввиди інтегральних технологій
Важливим аспектомпри проектуванні БІС ЦСПСЧ є рівень інтегральної технології. В даний часнайбільш перспективні при розробці монолітних цифрових синтезаторів частотнаступні інтегральні технології.
1.КМОП-технологія і її різновиди (КНС, «кремній на сапфірі») дозволяютьвиконувати синтезатори з досить високими робочими частотами (порядка 150 Мгц івище). Це найбільш освоєна технологія, по якій випускається величезне числоінтегральних схем. Важливою гідністю технології КМОП КНС є підвищена стійкістьдо проникаючої радіації, що робить її привабливою для застосування вспеціальній техніці. Дана мікросхема синтезатора розроблена по 3,5-мкм КМОП/КНС-технології і реалізує табличний метод синтезу. ІС є широкосмуговийсинтезатор для систем супутникового зв'язку з наступними параметрами: число можливихчастот, що синтезуються, 220, діапазон частот до 7,5 Мгц навіть при рівніпроникаючої радіації до 300000 радий. Ефективний алгоритм обчислення відліківзабезпечує вихідний цифровий синусоїдальний сигнал розрядністю 12 біт,вимагаючи для реалізації всього 1084 логічні вентилі і 3840 біт вбудованогопостійного пристрою, що запам'ятовує (ПЗП). Рівень побічних дискретнихскладових в спектрі рівний -65 дБ, споживана потужність 300 мВт. Дляпорівняння: синтезатор з аналогічними параметрами, виконаний на ІС середньомуступені інтеграції складається з 25 мікросхем і споживає близько 3,5 Вт. Виконаний по 1,25-мкм КМОП-технології синтезатор забезпечує рівень побічнихдискретних складових в спектрі -90 дБ при робочій частоті 150 Мгц.
2. Технологія,заснована на арсенід-галієвих польових структурах із затвором Шотки (MESFET GaAs). Розробляються БІСсинтезаторів з робочими частотами 10...30 ГГц. Проведені випробування прототипуна ІС середньому ступені інтеграції з робочою частотою більше 1 ГГц. Проте цятехнологія поки що досить дорога.
3. Технологія ІСна транзисторах з високою рухливістю електронів — ТВПЕ (НЕМТ) — технологія.Судячи з попередніх розробок, застосування даної технології дозволить створитисинтезатори з робочою частотою десятків і сотень гигагерц. Розробляютьсясинтезатори з розрядністю фазового накопичувача 1 ...18 біт. Відмітнаособливість БІС синтезаторів, виконаних по ТВПЭ-технології, — спроможністьодержати високе відношення тактової частоти до тієї, що синтезується, щодозволяє понизити рівень паразитних складових в спектрі.
4. Технологія«германій на кремнії» представляється перспективною для розробкиВЧ-пристроїв. В даний час, за деякими даними, роботи за цією технологією ведефірма AnalogDevices.
Більшістьсинтезаторів для роботи в діапазоні частот до 100 Мгц виконана поКМОП-технології, яка дозволяє створювати виключно економічні пристрої.
2 Динаміка розвитку цифрових синтезаторів прямого синтезу
Проведемо аналіздинаміки розвитку цифрових синтезаторів прямого синтезу частот. На рисунку 1проводиться порівняння різних моделей синтезаторів, створених на початку ісередині 1990-х років. Як видно з рисунка, із збільшенням тактової частотизростає споживана потужність. Проте, зіставляючи дані про розвиток технологіїза 1990-1996 роки, можна бачити, що при даній споживаній потужності тактовачастота зросла практично на порядок.
Основними виробниками ЦСПСЧ в даний час є компанії HARRIS, HUGHES SPACE ANDCOMMUNICATIONS COMPANY, TEXAS INSTRUMENTS, ANALOG DEVICES, MOTOROLA, PLESSEY,STANFORD TELECOM, ROCKWELL, AT&T (нині LUCENT TECHNOLOGY).
Фірма ANALOG DEVICES стала лідером в створеннінедорогих і мало споживаючих КМОП ЦСПСЧ. У 1995-1996 роках фірмою розроблені ізапущені в серійне виробництво нові БІС ЦСПСЧ. Серед них комбінованийЦСПСЧ-модуля-тор AD7008, QPSK-модулятор AD9853, функціонально закінчені БІСЦСПСЧ AD9830, AD9831, AD9850. БІС розроблені по КМОП-техноло-гиі,мають непогані характеристики ціна-якість. У ряді ЦСПСЧ ANALOG DEVICES можливе застосування розглянутих даліметодів поліпшення якості спектру без особливих витрат.
Серед нових ЦСПСЧANALOG DEVICES можна виділити КМОП-ЦСПСЧ звбудованим модулятором AD7008,той, що має 32-битий накопичуючий суматор і 10-розрядний вбудований ЦАП.Архітектура даної мікросхеми дозволяє забезпечити як амплітудну, так і кутовумодуляцію або їх поєднання в каналах квадратури, що дозволяє використовувати AD7008 в системах з QAM і SSB. Максимальна тактова частота 50 (20)Мгц, виключно зручний інтерфейс управління, який забезпечує як послідовне, такі паралельне завантаження кодів частоти і моделюючого сигналу, Спроможністьсумісного використовування з ЦПОС або мікропроцесором, мале енергоспоживання(менше 625 мВт при напрузі живлення 5 В), невисока ціна (близько 45$ в партіїдо 10 шт.) роблять даний виріб вельми привабливим для використовування в новихрозробках.
На зміну знятої звиробництва моделі AD9955 прийшлиAD9830, AD9831, AD9850. AD9830 має максимальну тактову частоту 50Мгц при споживаній потужності 250 мВт, AD9831 — 25 Мгц при 150 мВт (35 мВт при 3 В живленні), AD9850 — 125 Мгц при 380 мВт. Всі мікросхемимають однополярне живлення, вбудований 10-розрядний ЦАП, регістри дляуправління фазовою і частотною модуляцією.
Фірми HARRIS і HUGHES SPACE AND COMMUNICATIONSCOMPANY спеціалізуютьсяу області високочастотних синтезаторів прямого синтезу з робочою частотоюпорядка 1 ГГц і більш. З табл. 1 видно, що основним напрямом досліджень буларозробка GaAs швидкодійних ЦСПСЧ.
Таблиця 1.
/>
Основніхарактеристики синтезаторів, розроблених за програмами цих фірм, приведені втаблиці 2.
Таблиця 2.Основні характеристики синтезаторів
/>
3 Алгоритмічніпринципи прямого цифрового синтезу
Перейдемо дорозгляду алгоритмічних принципів прямого цифрового синтезу і обґрунтуванню їхпрактичного застосування в сучасних розробках.
Почнемо ізструктурної схеми класичного ЦСПСЧ.
Основним вузломсинтезатора (рисунок 1) є суматор (НС), який працює, як генератор адреси дляадресації постійного запам'ятовує пристрою (ПЗП), що містить відліки функції,що синтезується, як правило, тригонометричної.
/>
Рисунок 1 –Алгоритм прямого цифрового синтезу
Розподільчаздатність по частоті ЦСПСЧ даного типу визначається як F = F0/M, де М=2Р; р — розрядність НС, fo — тактова частота. Таким чином, дляполіпшення розподільчої здатності по частоті і збільшення числа частот, щосинтезуються, необхідне збільшення розрядності НС.
Проте, якщовикористовувати всі розряди НС для адресації ПЗП, то це зажадає збільшенняоб'єму ПЗП в статечній залежності від числа розрядів НС, що складнореалізується технічно і збільшує вартість синтезатора. Через це для адресаціїПЗП використовують а
Як правило, вреальних синтезаторах використовуються НС з розрядністю р=21...36 битий,розрядністю адреси ПЗП а=1 2… 15 битий, розрядність шини даних d=8… 12 біт.
Від структурноїсхеми перейдемо до математичної моделі ЦСПСЧ і відповідної їй функціональноїсхеми показаної на рисунку 3, де введені наступні позначення: е, — помилка,викликана округленням фази, при адресації ПЗП; е2 — помилка, пов'язана зкінцевою розрядністю шини даних; е3 — помилка, викликана нелінійністюцифроаналогового перетворювача (ЦАП), його власними шумами і комутаційнимиперешкодами ЦАП; W1— приладкомпенсації помилки е,; W2 — пристрій компенсації помилки е2.
/>
Рисунок 2 –Математична модель ЦСПСЧ
Помилкаокруглення даних е2 може бути значно понижена шляхом збільшення розрядностішини даних ПЗП, що викликає лише лінійне збільшення його об'єму. Помилка ЦАП е3може бути зменшена вибором достатньо якісних ЦАП, а також застосуваннямспеціальних рішень схемотехніки.
Помилкаокруглення фази е, може значно погіршити спектральні характеристикисинтезатора, викликаючи появу небажаних дискретних складових в спектрівихідного сигналу.
Одна з причинтакої поведінки ЦСПСЧ — невідповідність періодів послідовності Q(i), що визначає моменти переповнюванняНС, і величиною М=2Р, визначаючої ємність НС, і відповідно кількість відліківфункції, що синтезується, що адресуються. Частота моментів переповнювання НСвизначається виразом FHC=KF0/M,де F0 — тактова частота, До — кодуправляючої частоти. Очевидно, що 1
Послідовність Q(i) може бути представлена у виглядідискретних вибірок пилкоподібної функції з амплітудою, що ідеалізується, М=2Рперіодом М/К, проте дійсний період послідовності Q(i) визначається як таке ціле L, що Q(i)=Q(i+L), для будь-якого цілого позитивного i.
Тоді 1=2р/НОД(2р,До), де НОД(а, Ь) — найбільший загальний дільник а і Ь. Період пилкоподібнійфункції, що ідеалізується, співпадає з періодом Q(i) лише тоді, коли НОД(До, 2р)=К, тобтоK=2k, причому до — ціле.
Звідси витікає,що період коливання, що синтезується, на виході системи буде рівний періодупослідовності (i) і містить Мд=2р/НОД(ДО, 2Р) дискретних складових.
Розглянемовихідний сигнал ЦСПСЧ з урахуванням схеми.
/>
Припускаючи, щопомилки е2 і е3 нехтує малі в порівнянні з помилкою е,, а також для адресаціїПЗП використовується а старших біт НС, одержимо
/>
Даний вираз можебути записане у вигляді
/>
Використовуючипрості тригонометричні перетворення і враховуючи, що помилка багато менше фази,одержимо
/>
Звідси видно, щопомилка модулює сигнал частоти, що синтезується, і це спричиняє за собою появув спектрі вихідного сигналу синтезатора побічних дискретних ліній.
В даний часнайефективнішими методами придушення побічних складових в спектрі вихідногосигналу є методика рандомінізациі, запропонована Вітлі, і методика псевдошумогоформоутворення.
На рисунку 3, апредставлена схема пристрою компенсації псевдошумового формоутворення. Воноскладається з суматора (НС), який забезпечує затримку помилки округлення напопередньому кроці і її підсумовування з помилкою округлення в даний момент.Таким чином відбувається зменшення амплітуди помилки і, як наслідок, зменшеннярівня побічних складових в спектрі.
Якщо частота, щосинтезується, нижча, ніж відповідна тактовій частоті (у значенні теоремиКотельникова), то має місце дискретизація із запасом по частоті. Цей запасможна використовувати для зниження шуму, пов'язаного з округленням фази.Загальна помилка може бути понижена корекцією адресації ПЗП відповідно донакопичуваної помилки.
Це еквівалентнолінійній або квадратичній інтерполяції між двома послідовними адресами ПЗП.
/>
Рисунок 3 –Система придушення шуму
Представлена наРисунку 3, а система придушення шуму розташована між накопичувачем і ПЗП.Сигнал на виході має вигляд
/>
Звідси видно, щоподібна побудова синтезатора зменшує дискретні складові в спектрі фазовоїпомилки.
На рисунку 3, бипоказана схема компенсації, запропонована Вітлі. Зниження рівня дискретнихскладових в синтезаторі Вітлі досягається шляхом введення псевдовипадковоготремтіння вмісту фазового накопичувача щодо середнього значення.
Періодичнедодавання псевдовипадкового числа до вмісту фазового накопичувача дозволяєпоруйнувати когерентність фазової помилки і таким чином розмити небажанідискретні складові в спектрі вихідного сигналу. При кожному переповнюванніфазового накопичувача псевдовипадкова величина X підсумовується з його вмістом.
Величина X рівномірно розподілена в діапазоніПро, К-1, де До — значення коду частоти, що синтезується. В середньомупереповнювання фазового накопичувача синтезатора Вітлі відбувається в ті жмоменти часу, як і у звичного синтезатора без тремтіння вмісту фазовогонакопичувача. Таким чином, період сигналу, що синтезується, не залежить відтремтіння вмісту накопичувача, тому вихідна частота синтезатора Вітліоднозначно і точно визначається значенням коду частоти К.
Однако набагатоцікавіше і важливіший той факт, що час настання моменту переповнювання фазовогонакопичувача не залежить від первинної фазової помилки.
Це означає, щонавіть якщо сусідні значення фазової помилки спочатку корельовано, додаваннявипадкової величини X не впливаєна середній час переповнювання фазового накопичувача і всі побічні дискретнілінії в спектрі, виникаючі через когерентності помилку, усуваються.
На виході замістьдискретних бічних ліній з'являтиметься безперервний шум, пов'язаний звипадковістю моментів переповнювання фазового накопичувача. При цьомумаксимальний рівень побічних складових знижується.
На закінченнярозглянемо експериментальне дослідження ЦСПСЧ з псевдошумовим формоутворенням.Був розроблений макетний зразок синтезатора з наступними параметрами:
• розрядністьНС р=20;
• розрядністьшини адреси а=8; розрядність шини даних d=8;
• тактовачастота F0=250 кГц;
• діапазончастот, що синтезуються, від 3,8 Гц до 125 кГц;
• крок сітки частот7,63 Гц;
• кількістьчастот Мсинт=32768, що синтезуються.
На рисунку 4приведені експериментально одержані спектри вихідного сигналу при К=128, FBblx=488,3 Гц, тоді число дискретнихскладових в спектрі вихідного сигналу Мд=256. Таким чином, вихідний спектрЦСПСЧ містить 256 складових в інтервалі 0...125 кГц з кроком 488 Гц відповідно.
Суцільною лінієюпоказаний спектр ЦСПСЧ без системи шумового формоутворення, хрестикамипоказаний спектр ЦСПСЧ з системою шумового формоутворення для компенсації помилкиокруглення НС.
/>
Рисунок 4 –Експериментальні спектри синтезованих сигналів