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 muchos dispositivos modernos, 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 bloqueo 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 que proporciona un oscilador de cristal .
Se pueden distinguir tres tipos de sintetizadores. El primer y segundo tipo se encuentran habitualmente como arquitectura independiente: síntesis analógica directa (también llamada arquitectura de mezcla-filtro-división [1] como la que se encuentra en el HP 5100A de la década de 1960) y el más moderno sintetizador digital directo (DDS) ( tabla -buscar ). El tercer tipo se utiliza habitualmente como componentes básicos de circuitos integrados de sistemas de comunicación : sintetizadores digitales indirectos ( PLL ) , incluidos N entero y N fraccionario. [2] El recientemente surgido TAF-DPS también es un enfoque directo. Construye directamente la forma de onda de cada pulso en el tren de pulsos del reloj.
Es en cierto modo similar a un DDS, pero tiene diferencias arquitectónicas. Una de sus grandes ventajas es permitir una resolución mucho más fina que otro tipo de sintetizadores con una frecuencia de referencia determinada. [3]
Recientemente, surge una técnica denominada Síntesis de período directo de frecuencia promedio de tiempo (TAF-DPS) como un nuevo miembro de la familia de sintetizadores de frecuencia. Se centra en la generación de frecuencia para el circuito integrado de conducción de señales de reloj . A diferencia de todas las demás técnicas, utiliza un concepto novedoso de frecuencia-tiempo-promedio. [4] Su objetivo es abordar los dos problemas de larga data en el campo de la generación de señales de reloj en chip: la generación de frecuencia arbitraria y la conmutación de frecuencia instantánea.
A partir de una unidad de tiempo base, TAF-DPS primero crea dos tipos de ciclos T A y T B. Estos dos tipos de ciclos se utilizan luego de forma entrelazada para producir el tren de impulsos del 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 inconscientemente) es la “arquitectura de síntesis de frecuencia Flying-Adder o“Flying-Adder PLL”, que se desarrolló a finales de los años 1990. Desde la introducción del concepto TAF en 2008, comienza formalmente el desarrollo de una tecnología de síntesis de frecuencia que funciona en TAF. Puede encontrar una descripción detallada de esta tecnología en esos libros [5] [6] y en este breve tutorial. A medida que avanza el desarrollo, gradualmente queda claro que TAF-DPS es un habilitador a nivel de circuito para la innovación a nivel de sistema. [7] Se puede utilizar en muchas áreas además de la generación de señales de reloj. Su impacto es significativo ya que la señal del reloj es la señal más importante en electrónica y establece el flujo del tiempo dentro del mundo electrónico. Esta profunda influencia se está viendo en este cambio de dirección en la Ley de Moore del espacio al tiempo. [8]
Antes del uso generalizado de 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 comúnmente utilizado en los receptores de televisión antes de la década de 1980. Sin embargo, la frecuencia de resonancia de un circuito sintonizado no es muy estable; Las variaciones de temperatura y el envejecimiento de los componentes provocaron una deriva de frecuencia , lo que provocó 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 necesario volver a sintonizar manualmente. 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 usan para controlar la frecuencia del oscilador local ofrecen una estabilidad adecuada para mantener un receptor sintonizado. Sin embargo, la frecuencia de resonancia de un cristal está determinada por sus dimensiones y no puede variarse para sintonizar el receptor a diferentes frecuencias. Una solución es emplear muchos cristales, uno para cada frecuencia deseada, e introducir el correcto en el circuito. Esta técnica de "fuerza bruta" es práctica cuando sólo se requieren un puñado de frecuencias, pero rápidamente se vuelve costosa y poco práctica en muchas aplicaciones. Por ejemplo, la banda de radio FM en muchos países admite 100 frecuencias de canales individuales de aproximadamente 88 MHz 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 mayor espacio.
La solución a esto 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 llama sintetizador de frecuencia. Las nuevas frecuencias "sintetizadas" tendrían la estabilidad de frecuencia del oscilador de cristal maestro, ya que se derivaron de él.
A lo largo de los años se han ideado muchas técnicas para sintetizar frecuencias. Algunos enfoques incluyen bucles bloqueados en fase , mezcla doble, mezcla triple, armónica, 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 velocidad de conmutación, el ruido de fase y la salida espuria.
Las técnicas coherentes generan frecuencias derivadas de un oscilador maestro único y estable. En la mayoría de las aplicaciones, es común un oscilador de cristal , pero se pueden usar otros resonadores y fuentes de frecuencia. Las técnicas incoherentes derivan frecuencias de un conjunto de varios osciladores estables. [9] La gran mayoría de sintetizadores en aplicaciones comerciales utilizan técnicas coherentes debido a su simplicidad y bajo costo.
Los sintetizadores utilizados en los receptores de radio comerciales se basan en gran medida en bucles de fase bloqueada o PLL. Muchos tipos de sintetizadores de frecuencia están 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.
Se considera que un procedimiento de diseño bien pensado es el primer paso importante para un proyecto de sintetizador exitoso. [10] En el diseño de un sistema de sintetizador de frecuencia, afirma Manassewitsch, existen tantos "mejores" procedimientos de diseño como diseñadores de sintetizadores experimentados. [10] El análisis del sistema de un sintetizador de frecuencia implica 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, compare salidas espurias), rendimiento del ruido de fase (p. ej., pureza espectral), tiempo de conmutación (compare el tiempo de estabilización y el tiempo de subida ), y tamaño, consumo de energía y costo. [11] [12] James A. Crawford dice que estos son requisitos mutuamente contradictorios. [12]
Los primeros libros influyentes sobre técnicas de síntesis de frecuencia incluyen los de Floyd M. Gardner (sus técnicas Phaselock de 1966 ) [13] y los de Venceslav F. Kroupa (su Síntesis de frecuencia de 1973 ). [14]
Se pueden emplear técnicas matemáticas análogas a las relaciones mecánicas de relación de transmisión en la síntesis de frecuencia cuando el factor de síntesis de frecuencia es una relación de números enteros. [14] Este método permite una planificación eficaz de la distribución y supresión de estímulos espectrales.
Los sintetizadores de frecuencia variable, incluido el DDS , se diseñan habitualmente utilizando aritmética Módulo-N para representar la fase.
Un bucle de fase bloqueada 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. [15] La señal de error luego se filtra de paso bajo y se usa para accionar un oscilador controlado por voltaje (VCO) que crea una frecuencia de salida. La frecuencia de salida se envía a través de un divisor de frecuencia 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 está bloqueada a la frecuencia en la otra entrada. Esta otra entrada se llama referencia y generalmente se deriva de un oscilador de cristal, cuya frecuencia es muy estable. El siguiente diagrama de bloques 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. Suele tener la forma de un contador digital , donde la señal de salida actúa como señal de reloj . El contador está preestablecido en algún valor de conteo inicial y realiza una cuenta regresiva en cada ciclo de la señal del reloj. Cuando llega a cero, la salida del contador cambia de estado y se recarga el valor del conteo. Este circuito es sencillo de implementar usando flip-flops y, debido a que es de naturaleza digital , es muy fácil de conectar con otros componentes digitales o un microprocesador . Esto permite controlar fácilmente la salida de frecuencia del sintetizador mediante un sistema digital.
Supongamos que la señal de referencia es de 100 kHz y que el divisor se puede preestablecer en 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 este sea el caso, el VCO debe funcionar a una frecuencia que sea 100 kHz x el valor del conteo del divisor. Por lo tanto, producirá una salida de 100 kHz para una cuenta de 1. 200 kHz para una cuenta de 2, 1 MHz para una cuenta de 10 y así sucesivamente. Tenga en cuenta que sólo se pueden obtener múltiplos enteros de la frecuencia de referencia con los N divisores enteros más simples. Los divisores fraccionales de N están disponibles. [dieciséis]
En la práctica, este tipo de sintetizador de frecuencia no puede funcionar en una gama muy amplia 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 imposibilidad de bloquear en absoluto. Además, es difícil crear un VCO de alta frecuencia que funcione en un rango muy amplio. Esto se debe a varios factores, pero la principal restricción es el rango de capacitancia limitado de los diodos varactor . Sin embargo, en la mayoría de los sistemas donde se utiliza un sintetizador, no buscamos un rango enorme, sino más bien un número finito en un rango definido, como un número de canales de radio en una banda específica.
Muchas aplicaciones de radio requieren frecuencias superiores a las que se pueden introducir directamente en el contador digital. Para superar esto, todo el contador podría construirse usando lógica de alta velocidad como ECL , o más comúnmente, usando una etapa de división inicial rápida llamada preescalador que reduce la frecuencia a un nivel manejable. Dado que el preescalador es parte de la relación de división general, un preescalador fijo puede causar problemas al diseñar un sistema con espaciamientos de canales estrechos, que generalmente se encuentran en aplicaciones de radio. Esto se puede solucionar utilizando un preescalador de módulo dual . [dieciséis]
Otros aspectos prácticos se refieren a la cantidad de tiempo que el sistema puede cambiar de un canal a otro, el tiempo para bloquearse cuando se enciende por primera vez y cuánto ruido hay en la salida. Todos estos son 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. Por lo general, la salida de un comparador de frecuencia se presenta en forma de pulsos de error cortos, pero la entrada del VCO debe ser un voltaje CC suave y sin ruido. (Cualquier ruido en esta señal naturalmente causa modulación de frecuencia del VCO.) Un filtrado intenso hará que el VCO responda lentamente a los cambios, causando 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 sintetizador. [dieciséis]
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 demasiado bajo para ser bloqueado por el filtro de bucle termina nuevamente en la entrada VCO con polaridad opuesta a la señal moduladora, cancelándolos así. (El bucle efectivamente ve estos componentes como ruido VCO que debe ser rastreado). Los componentes de modulación por encima de la frecuencia de corte del filtro del bucle no pueden regresar a la entrada VCO, por lo que permanecen en la salida VCO. [17] 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 audio y video acoplados en CA que utilizan este método. Estas 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. [18] La modulación se aplica al VCO como antes, pero ahora también se aplica digitalmente al sintetizador en sintonía con la señal FM analógica utilizando un ADC rápido delta sigma.
