Kesirli Frekans Sentezleyici-Modülasyon Analizi ve Optimizasyonu
Özet: - kuantizasyonunun fraksiyonel frekans sentezleyicinin faz gürültüsü ve mahmuzları üzerindeki etkisini analiz edin, - niceleyiciyi optimize edin ve frekans sentezleyicinin performansını iyileştirin. - niceleyici sırası, frekans sentezleyici bant genişliği, - niceleyici çalışma frekansı ve - niceleyici bit sayısının frekans sentezleyici üzerindeki etkisi sırasıyla analiz edilir ve matematiksel bir model oluşturulur. Matematiksel model MATLAB kullanılarak doğrulandı ve giriş sinyali önceden sıfırlarla eklendi ve düşük enerjili beyaz gürültüye sahip ikinci dereceden sigma-delta niceleyici, sigma-delta frekans sentezleyici için uygundur ve sigma, sigma-delta niceleyicinin çalışma frekansını artırarak iyileştirilebilir. - frekans sentezleyici bant genişliği.
TN432
Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.173132
Çince alıntı biçimi: Yang Jianming. - modülasyon analizi ve fraksiyonel frekans sentezleyicinin optimizasyonu. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (3): 19-21, 30.
İngilizce alıntı formatı: Yang Jianming. - modülasyon analizi ve fraksiyonel-N frekans sentezleyicide optimizasyon. Application of Electronic Technique, 2018, 44 (3): 19-21, 30.
0 Önsöz
Darbe yutma, Darbe interpolatoin, Wheely rastgele titreşim ve - modülasyonu gibi fraksiyonel frekans sentezleyicileri uygulamanın birçok yolu vardır.- modülasyon mimarisi, mükemmel faz gürültü indeksi ve tam sayısallaştırma nedeniyle kesirli bir frekans haline gelmiştir. Frekans sentezleyicilerin ana akımı. Bu makale, - niceleme gürültüsünün fraksiyonel frekans sentezleyicinin faz gürültüsü ve mahmuzları üzerindeki etkisini analiz etmeyi ve fraksiyonel frekans sentezleyici için uygun bir - modülatörü bulmayı amaçlamaktadır.
1 Fazlı gürültü
Kesirli frekans sentezleyici, faz kilitli döngünün kapalı döngüsüne göre gerçekleştirilir, doğrusal matematiksel model oluşturulur ve faz gürültüsü kaynağı ve transfer fonksiyonu analiz edilir.
1.1 Faz gürültü modeli
Rohde, PLL'nin her bileşeninin gürültü ürettiğini belirtti. Fraksiyonel frekans sentezleyicinin ana faz gürültü kaynakları referans saat faz gürültüsü ref (t), PFD faz gürültüsü FPFD (t), VCO faz gürültüsü VCO (t), bölücü faz gürültüsü div (t), - nicemleme gürültü, ses.
Şekil 1'de gösterilen faz kilitli döngü kesirli frekans sentezleyicisine dayanmaktadır.
n'yi n'inci referans saatinin yükselen kenar zamanı olarak tanımlayın, sonra:
Faz hatası formülünden ve Şekil 1'den, Şekil 2'de gösterilen - kesirli frekans sentezleyici faz gürültüsü doğrusal modeli türetilebilir.
1.2 Faz gürültü analizi
Faz gürültü kaynağından - fraksiyonel frekans sentezleyicinin çıkışına transfer fonksiyonu, yüksek geçişli filtre transfer fonksiyonu olan VCO faz gürültü transfer fonksiyonu haricinde düşük geçişli bir filtre transfer fonksiyonudur. Bu makale, - niceleme gürültüsünün çıkış fazı gürültüsü üzerindeki etkisini analiz etmeye odaklanmaktadır.
Şekil 2'de (y (k) -), - niceleme gürültüsü q (t) ve onun Z-alanı transfer fonksiyonu NTF (z) = (1-z-1) L'dir. Niceleme gürültüsü tarafından PLL'ye enjekte edilen faz gürültüsü:
1.2.1 - niceleyici sırasının faz gürültüsü üzerindeki etkisi
MATLAB, Şekil 3'te gösterildiği gibi, farklı - niceleyici sıraları ve niceleme gürültüsünün neden olduğu PLL çıkış fazı gürültüsünün frekans etki alanı yanıtını çizer. Eğri ".", İkinci dereceden- niceleyici tarafından frekans sentezleyiciye enjekte edilen faz gürültüsüdür. ".-" eğrisi, üçüncü dereceden - niceleyicinin faz gürültüsüdür; eğri "-", frekans sentezleyicinin faz gürültü aktarım fonksiyonudur; Eğri "+", ikinci dereceden - frekans sentezleyicinin faz gürültüsüdür; düz çizgi, üçüncü dereceden - frekans sentezleyicinin faz gürültüsüdür.
Sigma-delta niceleyicinin sırası ne kadar yüksekse, fraksiyonel frekans sentezleyicinin bant içi faz gürültüsünün o kadar düşük olduğu görülebilir.
1.2.2 Döngü bant genişliğinin faz gürültüsü üzerindeki etkisi
Şekil 4, farklı PLL döngü filtre bant genişliği koşulları altında, faz gürültü spektrumlu fraksiyonel frekans sentezleyici, bir 3. dereceden sigma-delta niceleyicidir. Eğri ".", Üçüncü dereceden - niceleyicinin faz gürültüsüdür; eğri ".-", sırasıyla 10 kHz ve 1 MHz bant genişliğine sahip frekans sentezleyicinin faz gürültü aktarım fonksiyonudur; düz çizgi, sırasıyla 10 kHz ve 1 MHz bant genişliğine sahip üçüncü dereceden 'dir. - frekans sentezleyici faz gürültüsü.
Böylece, döngü bant genişliği ne kadar küçükse,- nicemlemesinin neden olduğu faz gürültüsü o kadar düşük olur.
2 Fazlı gürültü optimizasyonu
1.2.1 analizi yoluyla, yüksek sıralı sigma-delta niceleyici, niceleme gürültüsünü yüksek frekansa itebilir, böylece bant içi niceleme gürültüsü azaltılır ve frekans sentezleyicinin çıkış fazı gürültüsü de azaltılır.
Birinci dereceden bir modülatörden oluşan MASH yüksek sıralı sigma-delta niceleyici koşulsuz olarak kararlıdır, ancak MASH sigma-delta niceleyicinin sorunu, çıktısının çok bitli olması, frekans sentezleyicinin frekans bölücü tasarımının karmaşık olması ve frekans bölme oranının olmasıdır. Faz dedektörünün çıkışına yüksek frekans titreşimi katacak olan çoklu modlar arasında geçiş yapacaktır.
Yüksek sıralı tek döngülü - niceleyicinin kararlılık sorunları vardır. Yüksek sıralı tek döngülü - niceleyicinin kararlı bir şekilde çalışmasını sağlamak için, gürültü aktarım işlevi kazancı aşağıdakileri karşılamalıdır:
İleri besleme yolu, yüksek sıralı döngü aracılığıyla tanıtıldı ve NTF kazancı, kararlı bir şekilde çalışmasını sağlamak için değiştirildi. Ancak dezavantaj, NTF'nin niceleme gürültüsünü bastırmasının ideal NTF (z) = (1-z-1) L'den daha düşük olmasıdır. Bu makale, sinyal sigma-delta niceleyiciye girilmeden önce yüksek frekanslı sıfırların eklenmesini önermektedir, böylece yerleşik ikinci dereceden sigma-delta niceleyiciye sahip fraksiyonel frekans sentezleyici, yüksek sıralı sigma-delta frekans sentezleyicininkiyle karşılaştırılabilir faz gürültüsü elde edebilir. indeks. Faz gürültü optimizasyonu Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5'te, eğri "-", üçüncü dereceden - niceleyicinin faz gürültüsüdür; ".-" eğrisi, faz gürültüsü transfer fonksiyonudur; "+" eğrisi, ikinci dereceden - frekans sentezleyicinin faz gürültüsüdür; eğri "." Üçüncü dereceden - frekans sentezleyicinin faz gürültüsüdür; düz çizgi, yüksek dereceli sıfır eklendikten sonra ikinci dereceden - frekans sentezleyicinin faz gürültüsüdür. Açıktır ki, giriş sinyali yüksek frekanslı sıfır noktasına yerleştirildikten sonra, ikinci dereceden - frekans sentezleyici, yüksek dereceli - nicelleştirilmiş frekans sentezleyici performansı elde edebilir.
Faz gürültüsünü optimize etmenin başka bir yolu, 1.2.2'nin analizinde gösterildiği gibi, frekans sentezleyicinin döngü bant genişliğini azaltmaktır. Ancak VCO faz gürültüsünü bastırmak için, frekans sentezleyicinin bant genişliğinin artırılması gerekir. Tasarımda, optimum bant genişliğini bulmak için uzlaşma ve optimizasyona ihtiyaç vardır.
- frekans sentezleyici kilitlendikten sonra, - niceleyicinin çıkış frekansının referans saat frekansına eşit olduğuna dikkat edilmelidir.Referans saat frekansı arttırılırsa, niceleyicinin çalışma frekansı da artar, bu da niceleme gürültüsünü daha yüksek bir frekansa itebilir ve sinyale girebilir. Bant içi faz gürültüsü daha düşüktür ve frekans sentezleyicinin bant genişliğini azaltarak faz gürültüsünü azaltmaya gerek yoktur, böylece- frekans sentezleyicinin bant genişliği arttırılır.
3 başıboş
- frekans sentezleyicisinin sahte üretim mekanizmasını analiz edin ve - modülatörünü optimize etme perspektifinden spur bastırma önlemleri önerin.
3.1 Sahte analiz
- frekans sentezleyici, geri besleme branş frekansı bölücüsünün frekans bölme oranı nedeniyle dinamik olarak değişir ve geri besleme sinyalinin yükselen kenar süresi:
Ek olarak, - niceleyicinin bit sayısı yetersizdir, bu da niceleyicinin doymasına ve büyük mahmuzlar oluşturmasına neden olur. Aynı zamanda, niceleyicinin doygunluğu, gürültü aktarım fonksiyonu NTF'yi de bozacak ve yüksek frekanslı niceleme gürültüsü sinyal bandına girecektir.
Üçüncü dereceden - niceleyicinin zaman alanı ifadesi şöyledir:
Normalleştirilmiş nicemleme gürültüsü | q | 0.5, | y | | a | +4 elde edebiliriz.
Y'yi temsil etmek için en az 3 bit gereklidir, böylece niceleyici doymuş olmaz.
3.2 Sahte bastırma
Mahmuzları bastırmak için - niceleyicinin tasarımını optimize edin.
- frekans sentezleyicinin doğasında bulunan mahmuzları bastırmak için,- niceleyicinin giriş sinyalinin üzerine düşük enerjili bir beyaz gürültü eklenebilir. Beyaz gürültü eklendikten sonraki çıkış frekansı hatası (y- + qwhite) × fref olarak ifade edilebilir. Beyaz gürültünün varlığı, frekans hatası bölümünün artık × fref ve (1-) × fref'de görünen mahmuzları ve bunların harmoniklerini düzeltmemesine neden olur.
- frekans sentezleyicinin faz gürültüsünü azaltmak için, yüksek dereceli bir - niceleyici gereklidir. Bölüm 3.1'deki analizden, yüksek sıralı - niceleyicilerin, niceleyicinin doygunluğunu önlemek ve mahmuzlar oluşturmak için yüksek sayıda niceleyici biti gerektirdiği görülebilir. Bununla birlikte, niceleyicinin yüksek sayıda biti, geniş bir y değerleri aralığı vardır ve çıkış frekansı sahte kısmı (y-) × fref, daha fazla harmonik ve daha büyük bir anlık faz farkı oluşturacaktır.Faz dedektörünün yüksek bir Doğrusallık. Mahmuzları bastırma perspektifinden, - niceleyicinin sırası yüksek olmamalıdır. İkinci dereceden - niceleyici için zaman alanı ifadesi şöyledir:
Normalleştirilmiş nicemleme gürültüsü | q | 0.5, | y | | a | +2 elde edebiliriz. Y 2 bit ile temsil edilebilir, bu nedenle niceleyici doymuş olmayacaktır. Yüksek dereceli - frekans sentezleyiciyle karşılaştırıldığında, ikinci dereceden - frekans sentezleyicisinin daha az sahte bileşenleri vardır.
4 Çip uygulaması
SMIC0.13 m RF sürecine dayanarak, 1.575 GHz PLL IP tasarlandı. PLL'nin fraksiyonel frekans bölümü, GPS saatinin ultra düşük faz gürültüsü / sahte indeksini karşılayan dijital ikinci dereceden sigma-delta niceleyicinin çıkışı aracılığıyla PLL geri besleme yolunun frekans bölme oranını dinamik olarak değiştirerek gerçekleştirilir.Bu IP, GPS alıcı çipinde toplu olarak üretilmiştir. -150 dBm alma hassasiyeti elde edin.
5. Sonuç
Bu makale, - niceleyicinin fraksiyonel frekans sentezleyicinin faz gürültüsü ve dürtüsü üzerindeki etkisini analiz eder ve inceler ve kesirli frekans sentezleyicinin doğrusal matematiksel modelini oluşturur ve MATLAB aracılığıyla teorik analizin güvenilirliğini doğrular. Aynı zamanda, fraksiyonel frekans sentezleyicinin faz gürültüsünü ve mahmuzlarını azaltmak için - niceleyiciyi optimize etmek için önlemler önerilmiştir. Bu makale, yüksek frekanslı sıfır ve düşük enerjili beyaz gürültü ile önceden yerleştirilmiş giriş sinyaline sahip ikinci dereceden sigma-delta niceleyicinin sigma-delta frekans sentezleyicisi için uygun olduğuna inanmaktadır. Frekans sentezleyicinin bant genişliği, - duran niceleyicinin çalışma frekansı artırılarak geliştirilebilir.
Referanslar
RILEY T.A.D, COPELAND A, KWASNIEWSKI T.A. Kesirli-N frekans sentezinde Deltasigma modülasyonu, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1993, 28 (5): 553-559.
Rohde, ULRICH L. Mikrodalga ve kablosuz sentezleyiciler teorisi ve tasarımı, John Wiley ve Sons, New York, 1997.
GALTON I. Delta-sigma fraksiyonel-N faz kilitli döngü. John Wiley and Sons, 2003.
RIO R.D, MEDEIRO F, PEREZ B.Sensörler ve telekom için CMOS kaskad sigmadleta modülatörleri Springer, 2006.
NORSWORTHY S.R, SCHREIER R, TEMES G.C. Deltasigma veri dönüştürücüler: teori, Tasarım ve Simülasyon IEEE Press, 1997.
GRAY P. R, HURST P. J, MEYER R. G .. Analog entegre devrelerin analizi ve tasarımı. John Wiley and Sons, INC.2008.
SU P.E, PAMARTI S. Fraksiyonel-N faz kilitli döngü tabanlı frekans sentezi: A Tutorial IEEE Trans. On Circuits and Systems, 2009, 56 (12): 881-885.
WANG K, SWAMINATHAN A, GOLTAN I. Geniş bant genişliğine sahip 2.4 GHz fraksiyonel-N PLL'ye uygulanan sahte ton bastırma teknikleri IEEE J. Solid-State Circuits, 2008, 43 (12): 2787-2797.
Chi Baoyong, Yu Zhiping, Shi Bingxue. CMOS radyo frekansı entegre devre analizi ve tasarımı. Beijing: Tsinghua University Press, 2006.
yazar bilgileri:
Yang Jianming
(Guangdong Zhongxing Electronics Co., Ltd., Zhuhai, Guangdong 519000)
