Un sintetizador de frecuencia es un circuito electrónico que genera un rango de frecuencias a partir de una única frecuencia de referencia. Los sintetizadores de frecuencia se utilizan en dispositivos como receptores de radio , televisores , teléfonos móviles , radioteléfonos , walkie-talkies , radios CB , decodificadores de televisión por cable , receptores de satélite y sistemas GPS . Un sintetizador de frecuencia puede utilizar las técnicas de multiplicación de frecuencia , división de frecuencia , síntesis digital directa , mezcla de frecuencia y bucles de enganche de fase para generar sus frecuencias. La estabilidad y precisión de la salida del sintetizador de frecuencia están relacionadas con la estabilidad y precisión de su entrada de frecuencia de referencia. En consecuencia, los sintetizadores utilizan frecuencias de referencia estables y precisas, como las proporcionadas por un oscilador de cristal .
Se pueden distinguir tres tipos de sintetizador. El primer y el segundo tipo se encuentran rutinariamente como arquitectura independiente: síntesis analógica directa (también llamada arquitectura de mezcla-filtro-división [1] como se encontró en la década de 1960, por ejemplo, HP 5100A [2] y el sintetizador digital directo (DDS) más moderno ( búsqueda en tabla ). El tercer tipo se utiliza rutinariamente como bloques de construcción de IC del sistema de comunicación: sintetizadores digitales indirectos ( PLL ) que incluyen N entero y N fraccionario. [3] El TAF-DPS, que surgió recientemente, también es un enfoque directo. Construye directamente la forma de onda de cada pulso en el tren de pulsos de reloj.
En algunos aspectos es similar a un DDS, pero tiene diferencias arquitectónicas. Una de sus grandes ventajas es que permite una resolución mucho más fina que otros tipos de sintetizadores con una frecuencia de referencia determinada. [4]
Recientemente, una técnica denominada Síntesis de Periodo Directo de Frecuencia Promedio en el Tiempo (TAF-DPS) surge como un nuevo miembro de la familia de sintetizadores de frecuencia. Se centra en la generación de frecuencia para el circuito integrado de control de señales de reloj . A diferencia de todas las demás técnicas, utiliza un concepto novedoso de Frecuencia Promedio en el Tiempo. [5] Su objetivo es abordar los dos problemas de larga data en el campo de la generación de señales de reloj en chip: generación de frecuencia arbitraria y conmutación de frecuencia instantánea.
Partiendo de una unidad de tiempo base, TAF-DPS crea primero dos tipos de ciclos T A y T B . Estos dos tipos de ciclos se utilizan luego de forma intercalada para producir el tren de pulsos de reloj. Como resultado, TAF-DPS puede abordar los problemas de generación de frecuencia arbitraria y conmutación de frecuencia instantánea de manera más efectiva. La primera tecnología de circuito que utiliza el concepto TAF (aunque de forma subconsciente) es la "arquitectura de síntesis de frecuencia Flying-Adder o "Flying-Adder PLL", que se desarrolló a fines de la década de 1990. Desde la introducción del concepto TAF en 2008, se inicia formalmente el desarrollo de una tecnología de síntesis de frecuencia que funciona en TAF. Se puede encontrar una descripción detallada de esta tecnología en esos libros [6] [7] y en este breve tutorial. A medida que avanza el desarrollo, gradualmente se vuelve claro que TAF-DPS es un facilitador a nivel de circuito para la innovación a nivel de sistema. [8] Se puede utilizar en muchas áreas distintas a la generación de señales de reloj. Su impacto es significativo, ya que la señal de reloj es la señal más importante en electrónica, ya que establece el flujo del tiempo dentro del mundo electrónico. Esta profunda influencia se observa en este cambio de dirección en la Ley de Moore del espacio al tiempo. [9]
Antes del uso generalizado de los sintetizadores, para captar estaciones en diferentes frecuencias, los receptores de radio y televisión dependían de la sintonización manual de un oscilador local , que utilizaba un circuito resonante compuesto por un inductor y un condensador , o a veces líneas de transmisión resonantes, para determinar la frecuencia. El receptor se ajustaba a diferentes frecuencias mediante un condensador variable o un interruptor que elegía el circuito sintonizado adecuado para el canal deseado, como con el sintonizador de torreta que se usaba comúnmente en los receptores de televisión antes de la década de 1980. Sin embargo, la frecuencia resonante de un circuito sintonizado no es muy estable; las variaciones de temperatura y el envejecimiento de los componentes causaban una deriva de frecuencia , lo que hacía que el receptor se desviara de la frecuencia de la estación. El control automático de frecuencia (AFC) resuelve parte del problema de la deriva, pero a menudo era necesaria la resintonización manual. Dado que las frecuencias del transmisor están estabilizadas, una fuente precisa de frecuencias fijas y estables en el receptor resolvería el problema.
Los resonadores de cristal de cuarzo son muchos órdenes de magnitud más estables que los circuitos LC y, cuando se utilizan para controlar la frecuencia del oscilador local, ofrecen la estabilidad adecuada para mantener un receptor sintonizado. Sin embargo, la frecuencia de resonancia de un cristal está determinada por sus dimensiones y no se puede variar para sintonizar el receptor a diferentes frecuencias. Una solución es emplear muchos cristales, uno para cada frecuencia deseada, y conectar el correcto al circuito. Esta técnica de "fuerza bruta" es práctica cuando solo se requieren unas pocas frecuencias, pero rápidamente se vuelve costosa e impráctica en muchas aplicaciones. Por ejemplo, la banda de radio FM en muchos países admite 100 frecuencias de canal individuales de aproximadamente 88 a 108 MHz ; la capacidad de sintonizar cada canal requeriría 100 cristales. La televisión por cable puede admitir incluso más frecuencias o canales en una banda mucho más amplia. Una gran cantidad de cristales aumenta el costo y requiere más espacio.
La solución a este problema fue el desarrollo de circuitos que pudieran generar múltiples frecuencias a partir de una "frecuencia de referencia" producida por un oscilador de cristal. Esto se denomina sintetizador de frecuencia. Las nuevas frecuencias "sintetizadas" tendrían la estabilidad de frecuencia del oscilador de cristal maestro, ya que se derivaban de él.
A lo largo de los años se han ideado muchas técnicas para sintetizar frecuencias. Algunos enfoques incluyen bucles de enganche de fase , mezcla doble, mezcla triple, armónicos, división de mezcla doble y síntesis digital directa (DDS). La elección del enfoque depende de varios factores, como el costo, la complejidad, el tamaño del paso de frecuencia, la tasa de conmutación, el ruido de fase y la salida espuria.
Las técnicas coherentes generan frecuencias derivadas de un único oscilador maestro estable. En la mayoría de las aplicaciones, es común utilizar un oscilador de cristal , pero se pueden utilizar otros resonadores y fuentes de frecuencia. Las técnicas incoherentes derivan frecuencias de un conjunto de varios osciladores estables. [10] La gran mayoría de sintetizadores en aplicaciones comerciales utilizan técnicas coherentes debido a su simplicidad y bajo costo.
Los sintetizadores que se utilizan en los receptores de radio comerciales se basan principalmente en bucles de enganche de fase o PLL. Hay muchos tipos de sintetizadores de frecuencia disponibles como circuitos integrados , lo que reduce el costo y el tamaño. Los receptores de alta gama y los equipos de prueba electrónicos utilizan técnicas más sofisticadas, a menudo en combinación.
Un procedimiento de diseño bien pensado se considera el primer paso importante para un proyecto de sintetizador exitoso. [11] En el diseño del sistema de un sintetizador de frecuencia, afirma Manassewitsch, hay tantos procedimientos de diseño "mejores" como diseñadores de sintetizadores experimentados. [11] El análisis del sistema de un sintetizador de frecuencia involucra el rango de frecuencia de salida (o ancho de banda de frecuencia o rango de sintonización), incrementos de frecuencia (o resolución o sintonización de frecuencia), estabilidad de frecuencia (o estabilidad de fase, comparar salidas espurias), rendimiento de ruido de fase (por ejemplo, pureza espectral), tiempo de conmutación (comparar tiempo de establecimiento y tiempo de subida ), y tamaño, consumo de energía y costo. [12] [13] James A. Crawford dice que estos son requisitos mutuamente contradictorios. [13]
Entre los primeros libros influyentes sobre técnicas de síntesis de frecuencia se incluyen los de Floyd M. Gardner (sus técnicas Phaselock de 1966 ) [14] y los de Venceslav F. Kroupa (su Frequency Synthesis de 1973 ). [15]
Se pueden emplear técnicas matemáticas análogas a las relaciones de relación de engranajes mecánicos en la síntesis de frecuencia cuando el factor de síntesis de frecuencia es una relación de números enteros. [15] Este método permite una planificación eficaz de la distribución y supresión de espurios espectrales.
Los sintetizadores de frecuencia variable, incluido el DDS , se diseñan rutinariamente utilizando aritmética Módulo-N para representar la fase.
Un bucle de enganche de fase es un sistema de control de retroalimentación. Compara las fases de dos señales de entrada y produce una señal de error que es proporcional a la diferencia entre sus fases. [16] La señal de error se filtra luego con un filtro de paso bajo y se utiliza para accionar un oscilador controlado por voltaje (VCO) que crea una frecuencia de salida. La frecuencia de salida se alimenta a través de un divisor de frecuencia de vuelta a la entrada del sistema, produciendo un bucle de retroalimentación negativa . Si la frecuencia de salida se desvía, la señal de error de fase aumentará, impulsando la frecuencia en la dirección opuesta para reducir el error. Por lo tanto, la salida se bloquea a la frecuencia en la otra entrada. Esta otra entrada se llama referencia y generalmente se deriva de un oscilador de cristal, que es muy estable en frecuencia. El diagrama de bloques a continuación muestra los elementos básicos y la disposición de un sintetizador de frecuencia basado en PLL .
La clave de la capacidad de un sintetizador de frecuencia para generar múltiples frecuencias es el divisor colocado entre la salida y la entrada de retroalimentación. Este suele tener la forma de un contador digital , en el que la señal de salida actúa como una señal de reloj . El contador está preestablecido en un valor de conteo inicial y realiza una cuenta regresiva en cada ciclo de la señal de reloj. Cuando llega a cero, la salida del contador cambia de estado y el valor de conteo se vuelve a cargar. Este circuito es sencillo de implementar utilizando flip-flops y, debido a que es de naturaleza digital , es muy fácil de interconectar con otros componentes digitales o un microprocesador . Esto permite que la salida de frecuencia del sintetizador se controle fácilmente mediante un sistema digital.
Supongamos que la señal de referencia es de 100 kHz y que el divisor puede preajustarse a cualquier valor entre 1 y 100. La señal de error producida por el comparador solo será cero cuando la salida del divisor también sea de 100 kHz. Para que esto sea así, el VCO debe funcionar a una frecuencia que sea 100 kHz x el valor de conteo del divisor. Por lo tanto, producirá una salida de 100 kHz para un conteo de 1, 200 kHz para un conteo de 2, 1 MHz para un conteo de 10, y así sucesivamente. Tenga en cuenta que solo se pueden obtener múltiplos enteros de la frecuencia de referencia con los divisores enteros N más simples. Los divisores fraccionarios N están fácilmente disponibles. [17]
En la práctica, este tipo de sintetizador de frecuencia no puede funcionar en un rango muy amplio de frecuencias, porque el comparador tendrá un ancho de banda limitado y puede sufrir problemas de aliasing . Esto daría lugar a situaciones de bloqueo falso o a la incapacidad de bloquearse en absoluto. Además, es difícil fabricar un VCO de alta frecuencia que funcione en un rango muy amplio. Esto se debe a varios factores, pero la restricción principal es el rango de capacitancia limitado de los diodos varactores . Sin embargo, en la mayoría de los sistemas en los que se utiliza un sintetizador, no buscamos un rango enorme, sino un número finito en un rango definido, como una cantidad de canales de radio en una banda específica.
Muchas aplicaciones de radio requieren frecuencias más altas que las que se pueden ingresar directamente al contador digital. Para superar esto, el contador completo podría construirse utilizando lógica de alta velocidad como ECL , o más comúnmente, utilizando una etapa de división inicial rápida llamada prescaler que reduce la frecuencia a un nivel manejable. Dado que el prescaler es parte de la relación de división general, un prescaler fijo puede causar problemas al diseñar un sistema con espaciamientos de canal estrechos, que se encuentran típicamente en aplicaciones de radio. Esto se puede superar utilizando un prescaler de módulo dual . [17]
Otros aspectos prácticos se refieren al tiempo que el sistema puede cambiar de canal a canal, el tiempo que tarda en bloquearse cuando se enciende por primera vez y la cantidad de ruido que hay en la salida. Todos estos son una función del filtro de bucle del sistema, que es un filtro de paso bajo colocado entre la salida del comparador de frecuencia y la entrada del VCO. Normalmente, la salida de un comparador de frecuencia está en forma de pulsos de error cortos, pero la entrada del VCO debe ser un voltaje de CC suave y sin ruido. (Cualquier ruido en esta señal causa naturalmente una modulación de frecuencia del VCO). Un filtrado fuerte hará que el VCO responda lentamente a los cambios, lo que provocará deriva y un tiempo de respuesta lento, pero un filtrado ligero producirá ruido y otros problemas con los armónicos . Por lo tanto, el diseño del filtro es fundamental para el rendimiento del sistema y, de hecho, es el área principal en la que se concentrará un diseñador al construir un sistema de sintetizador. [17]
Muchos sintetizadores de frecuencia PLL también pueden generar modulación de frecuencia (FM). La señal moduladora se añade a la salida del filtro de bucle, variando directamente la frecuencia del VCO y la salida del sintetizador. La modulación también aparecerá en la salida del comparador de fase, reducida en amplitud por cualquier división de frecuencia. Cualquier componente espectral en la señal moduladora que sea demasiado bajo para ser bloqueado por el filtro de bucle termina de nuevo en la entrada del VCO con polaridad opuesta a la señal moduladora, cancelándolos así. (El bucle ve efectivamente estos componentes como ruido del VCO que debe rastrearse). Los componentes de modulación por encima de la frecuencia de corte del filtro de bucle no pueden volver a la entrada del VCO, por lo que permanecen en la salida del VCO. [18] Por lo tanto, este esquema simple no puede manejar directamente señales moduladoras de baja frecuencia (o CC), pero esto no es un problema en los muchos transmisores FM de vídeo y audio acoplados a CA que utilizan este método. Dichas señales también pueden colocarse en una subportadora por encima de la frecuencia de corte del filtro de bucle PLL.
Los sintetizadores de frecuencia PLL también se pueden modular a baja frecuencia y hasta CC mediante el uso de modulación de dos puntos para superar la limitación anterior. [19] La modulación se aplica al VCO como antes, pero ahora también se aplica digitalmente al sintetizador en simpatía con la señal FM analógica utilizando un ADC delta sigma rápido.
