Σε μετατροπείς δεδομένων υψηλής ταχύτητας και σχέδια ραδιοφώνου 5G, οι πηγές συχνότητας είναι συχνά κρυφά σημεία συμφόρησης. Καθώς οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων αυξάνονται και το 5G μετακινείται σε υψηλότερες ζώνες, οι απαιτήσεις απόδοσης γίνονται πιο δύσκολο να ικανοποιηθούν. Η λίστα απαιτήσεων συνεχίζει να αυξάνεται και η κατεύθυνσή της συχνά έρχεται σε αντίθεση με τους στόχους απόδοσης.
Όπως το θεμέλιο ενός κτιρίου, ό,τι είναι χτισμένο στην πηγή συχνότητας θα επηρεαστεί εάν αλλάξει. Το ρολόι ή ο τοπικός ταλαντωτής ελεγχόμενης τάσης (VCO) είναι το θεμέλιο, οποιαδήποτε αστάθεια του οποίου διαδίδεται σε όλο το σύστημα, ανεξάρτητα από το πόσο καλά είναι σχεδιασμένα τα άλλα μέρη.
Ο πυρήνας κάθε συνθέτη συχνότητας είναι ένας βρόχος κλειδωμένου φάσης (εφεξής PLL). Το PLL είναι ο μηχανισμός για να κλειδώνει τη συχνότητα εξόδου σε μια ακριβή αναφορά και να τη διατηρεί σταθερή. Διακρίνει μια σταθερή, ελεγχόμενη πηγή συχνότητας από έναν ταλαντωτή ολίσθησης.
Σύγχρονες εφαρμογές όπως ραδιόφωνα, ραντάρ, συστοιχίες φάσης, εξοπλισμός δοκιμών πολλαπλών ζωνών και ασύρματη υποδομή απαιτούν συνεχή μεταπήδηση μεταξύ διαφορετικών συχνοτήτων για την αποφυγή παρεμβολών, υποστήριξη πολυκαναλικών ή ηλεκτρονικά εκτέλεση διαμόρφωσης δέσμης. Κάθε φορά που το σύστημα αλλάζει συχνότητα, το PLL του πρέπει να κλειδώνεται ξανά. Πριν από αυτό, το σήμα ήταν ασταθές και βασικά άχρηστο. Ο χρόνος επανακλειδώματος επηρεάζει άμεσα την ταχύτητα απόκρισης ολόκληρου του προϊόντος.
Οι μετατροπείς δεδομένων λειτουργούν μετρώντας τα σήματα εισόδου σε ακριβή, τακτικά διαστήματα, συνήθως εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Το ρολόι καθορίζει την ώρα κάθε μέτρησης. Οποιαδήποτε αβεβαιότητα χρονισμού (γνωστή και ως jitter) στο ρολόι σημαίνει ότι η μέτρηση πραγματοποιείται σε λάθος χρόνο, εισάγοντας έτσι σφάλματα, τα οποία εμφανίζονται ως θόρυβος στην έξοδο. Όσο πιο γρήγορο είναι το σήμα, τόσο πιο σοβαρό είναι το αποτέλεσμα.
Στο ραδιόφωνο 5G, το ίδιο πρόβλημα εμφανίζεται με διαφορετικές μορφές. Ο τοπικός ταλαντωτής τοποθετεί με ακρίβεια το ραδιοσήμα στη σωστή συχνότητα. Ο θόρυβος φάσης στην πηγή ρολογιού μετατρέπεται σε jitter δειγματοληψίας, το οποίο περιορίζει άμεσα το SNR του μετατροπέα και τελικά επηρεάζει δείκτες σε επίπεδο συστήματος όπως το εύρος διανυσμάτων σφάλματος (EVM).
Και στις δύο περιπτώσεις, τα αποτελέσματα είναι τα ίδια: η αβεβαιότητα της πηγής συχνότητας θα οδηγήσει σε σφάλμα που δεν μπορεί να διορθωθεί κατάντη. Ο μετατροπέας με εξαιρετική δυναμική απόδοση μπορεί να επιτύχει τον στόχο απόδοσης του δείκτη μόνο όταν το ρολόι που τον οδηγεί είναι εξίσου ακριβές.
Στην πραγματικότητα, ο θόρυβος φάσης του συνθεσάιζερ καθορίζει πόση αβεβαιότητα χρονισμού έχει συσσωρευτεί στο σήμα ρολογιού (που αντιπροσωπεύεται από το jitter RMS, που είναι μια μοναδική τιμή που αντιπροσωπεύει το μέσο μέγεθος αυτών των σφαλμάτων χρονισμού) και επομένως καθορίζει πόσος προϋπολογισμός θορύβου και παραμόρφωσης του μετατροπέα έχει καταναλωθεί πριν την ψηφιοποίηση του σήματος.
Σχεδιασμοί
Κατά το σχεδιασμό μετατροπέων δεδομένων υψηλής ταχύτητας και εφαρμογών 5G, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη διάφορες ανταλλαγές που μπορεί να επηρεάσουν την απόδοση:
Ο θόρυβος φάσης καθορίζει τον θόρυβο του περιβάλλοντος και θέτει το ανώτερο όριο του δυναμικού εύρους για να καθορίσει την καλύτερη ανάλυση σήματος που μπορεί να επιτευχθεί, ανεξάρτητα από το πόσο εξαιρετική είναι από άλλες απόψεις. Στο ραδιόφωνο 5G, καθορίζει εάν το σχήμα διαμόρφωσης μπορεί να αποκωδικοποιηθεί στον δέκτη.
Το εύρος συχνοτήτων καθορίζει την ευελιξία. Ένας συνθεσάιζερ που μπορεί να καλύψει τη ζώνη συχνοτήτων στόχο χωρίς διπλασιασμό ή διαίρεση εξωτερικής συχνότητας μπορεί να απλοποιήσει τη σχεδίαση, να μειώσει τον αριθμό των εξαρτημάτων και να εξαλείψει τον θόρυβο και την πολυπλοκότητα που εισάγουν αυτοί οι πρόσθετοι καταρράκτες.
Ο χρόνος κλειδώματος καθορίζει πόσο γρήγορα το σύστημα μπορεί να εναλλάσσει κανάλια ή να ανταποκρίνεται σε δυναμικές συνθήκες - απαραίτητο σε εφαρμογές μετάβασης συχνότητας και διεύθυνσης δέσμης.
Το PLL κλειδώνει την έξοδό του σε μια συχνότητα συγκρίνοντας και διορθώνοντας συνεχώς την έξοδό του με την αναφορά. Αυτή η διαδικασία διόρθωσης ελέγχεται από τον βρόχο ανάδρασης, ο οποίος, όπως κάθε βρόχος ανάδρασης, απαιτεί χρόνο για να σταθεροποιηθεί, επειδή ο βρόχος πρέπει να ανιχνεύσει το σφάλμα, να ανταποκριθεί και να σταθεροποιηθεί πριν χρησιμοποιηθεί η έξοδος.
Στα παραδοσιακά σχέδια, το εύρος ζώνης βρόχου που καθορίζει την ταχύτητα απόκρισης PLL επηρεάζει επίσης άμεσα την απόδοση του θορύβου φάσης. Η επέκταση του βρόχου για την επιτάχυνση της κλειδαριάς θα επιδεινώσει τον θόρυβο της φάσης. Η συρρίκνωση του βρόχου για τη βελτίωση του θορύβου φάσης μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τον χρόνο κλειδώματος. Αυτή η θεμελιώδης ανταλλαγή σημαίνει ότι οι σχεδιαστές πρέπει να επιλέξουν ποιο είναι πιο σημαντικό για την εφαρμογή τους - και να επωμιστούν τις συνέπειες αυτής της επιλογής.
Η τελευταία γενιά του ενσωματωμένου συνθέτη συχνοτήτων κλασματικής διαίρεσης N επιλύει άμεσα αυτές τις αντισταθμίσεις. Οι πρώτες λύσεις ανάγκασαν τους σχεδιαστές να επιλέξουν μεταξύ απόδοσης θορύβου φάσης και ενσωμάτωσης, ενώ οι νεότερες συσκευές συνδύαζαν εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο φάσης, ευρεία κάλυψη συχνοτήτων, γρήγορο χρόνο κλειδώματος και συμπαγή συσκευασία, ενσωματώνοντας εξαρτήματα που προηγουμένως απαιτούσαν πολλαπλά διακριτά εξαρτήματα σε μια ενιαία λύση.
Για το ρολόι του μετατροπέα δεδομένων, αυτό σημαίνει ότι ο θόρυβος φόντου της πηγής συχνότητας δεν αποτελεί πλέον περιορισμό στο δυναμικό εύρος του συστήματος. Για τη σχεδίαση ραδιοφώνου 5G, αυτό σημαίνει ότι η επίτευξη απαιτητικών στόχων διανυσματικού πλάτους σφάλματος γίνεται ένα λυμένο πρόβλημα πηγής συχνότητας και όχι ένα πρόβλημα που πρέπει να σχεδιαστεί γύρω από αυτό.- g.
Τα σύγχρονα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων χρησιμοποιούν συνήθως έναν συνθεσάιζερ κλασματικής N-διαίρεσης PLL για να δημιουργήσουν ένα ρολόι δειγματοληψίας και έναν τοπικό ταλαντωτή. Αν και αυτές οι αρχιτεκτονικές επιτρέπουν εξαιρετικά λεπτή ανάλυση συχνότητας, η διαμόρφωση της αναλογίας διαίρεσης συχνότητας εισάγει ποσοτικό θόρυβο και κλασματική ψευδή, που επηρεάζουν τη συνολική καμπύλη θορύβου φάσης. Ο θόρυβος που παράγεται από τον ενισχυτή ή το φίλτρο θα επηρεάσει το σήμα, αλλά ο θόρυβος που παράγεται από την πηγή συχνότητας θα καταστρέψει την αναφορά, ενώ η κακή αναφορά θα καταστρέψει όλες τις μονάδες που εξαρτώνται από την αναφορά.
Το on-chip VCO απλοποιεί τη σχεδίαση της πλακέτας κυκλώματος
Η σύνθεση ευρυζωνικής συχνότητας σήμαινε παραδοσιακά τη συναρμολόγηση αλυσίδων σήματος με διακριτά εξαρτήματα (εξωτερικά VCO, PLL, buffers, κ.λπ.) και τις επακόλουθες δυσκολίες διάταξης. Η Analog Devices, Inc. (ADI) απλοποιεί τη σχεδίαση της πλακέτας κυκλώματος ενσωματώνοντας το VCO σε μια λύση τσιπ, ενσωματώνοντας ολόκληρη την αλυσίδα σήματος σε μία συσκευή και παρέχοντας δυνατότητες γρήγορης βαθμονόμησης για μεταπήδηση συχνότητας χωρίς να θυσιάζεται ο θόρυβος φάσης και η απόδοση του jitter που απαιτούνται για σχέδια ραδιοφώνου 5G και μετατροπέων δεδομένων υψηλής ταχύτητας.
Η εναλλαγή συχνότητας δεν γίνεται με μία κίνηση. Όταν το PLL λάβει την εντολή για μετάβαση σε μια νέα συχνότητα, πρέπει να περάσει από τρία διαφορετικά στάδια για να μπορέσει η έξοδος να αλλάξει σε μια διαθέσιμη συχνότητα. Αρχικά, λαμβάνει μια εντολή διακόπτη. Στη συνέχεια αναζητά εσωτερικά τις κατάλληλες ρυθμίσεις για να παράγει την απαιτούμενη συχνότητα. Αυτή η φάση αναζήτησης είναι το πιο αργό μέρος, συνήθως 100 έως 250 μικροδευτερόλεπτα στις σύγχρονες ευρυζωνικές συσκευές. Τέλος, σταθεροποιείται για να διασφαλίσει ότι η έξοδος είναι επαρκώς καθαρή και διαθέσιμη.
Η σειρά ADF4382 της ADI λύνει άμεσα το πρόβλημα των αργών ενδιάμεσων συνδέσεων. Για γρήγορη βαθμονόμηση, δεν χρειάζεται να αναζητά ξανά κάθε φορά που ζητείται διακόπτης συχνότητας, αλλά χρησιμοποιεί έναν πίνακα αναζήτησης στο chip που περιέχει προ-υπολογισμένες ρυθμίσεις για γνωστά σημεία σε 32 εύρη συχνοτήτων. Όταν απαιτείται νέα συχνότητα, βρίσκει δύο πλησιέστερα σημεία αποθήκευσης και παρεμβάλλει μεταξύ τους, έτσι ώστε οι σωστές ρυθμίσεις να είναι σχεδόν αμέσως διαθέσιμες. Με αυτόν τον τρόπο, ο συνολικός χρόνος κλειδώματος μπορεί να μειωθεί σε 10 μικροδευτερόλεπτα, με τουλάχιστον 2 μικροδευτερόλεπτα.