El uso de sintetizadores de frecuencias en la generación de frecuencias de transportadores múltiples para la transmisión analógica

Direct Digital Synthesis genera ondas digitalmente almacenando valores de amplitud de una onda sine en una tabla de miración y aumentando a través de ellas a una velocidad de reloj fija. La frecuencia de salida se determina por un tamaño de paso acumulador de fase; este enfoque proporciona una resolución de frecuencia extremadamente fina, velocidad de salto rápido, y una excelente estabilidad.

Independientemente del método, los sintetizadores de frecuencia ofrecen precisión, estabilidad y programabilidad que los osciladores de frecuencia fija discretos no pueden coincidir. Estos atributos son esenciales para generar múltiples frecuencias de portador con mínima interferencia mutua y deriva a través de la temperatura y el tiempo.

Generar frecuencias de transportador múltiples de una sola referencia

En sistemas de transmisión multicanal analógico, cada canal se asigna una frecuencia de portadora distinta. El sintetizador debe producir todos estos portadores de forma coherente desde una referencia maestra para mantener la frecuencia constante espaciamiento y evitar la distorsión de intermodulación.

• Oscilador Mayor – Un oscilador de cristal de baja fase (por ejemplo, 10 MHz) proporciona la referencia.
• Distribución de frecuencias] – La referencia se amortigua y se distribuye en varios módulos PLL o DDS.
• L Locking – Cada PLL se bloquea a un múltiplo diferente de la referencia mediante la programación de su relación de divider de retroalimentación. Por ejemplo, una referencia de 10 MHz puede producir portadores de 100.0 MHz, 100.1 MHz, 100.2 MHz, etc., mediante el uso de PLLs fraccional-N.
• Frequency Multiplication/Division – Los separadores enteros o fraccionados escalan la referencia al rango de destino; los multiplicadores (por ejemplo, diodos de recuperación paso) pueden llegar a frecuencias de microondas.
• ]Interrupción de salida – La rápida reconfiguración de las ratios de divider o los incrementos de fase DDS permite que el sintetizador cambie entre los portadores en microsegundos.

Los chips modernos integrados de sintetizador (por ejemplo, ADF4371, LMX2594) pueden generar múltiples portadores simultáneamente incorporando múltiples núcleos de PLL en una sola matriz, cada uno programable independientemente. Esta integración reduce drásticamente el espacio de la junta y simplifica la sincronización.

Técnicas clave para la generación multi-carrera

Los diferentes requisitos de aplicación dictan la elección de la técnica de síntesis. A continuación se presentan los enfoques más comunes utilizados en sistemas de transmisión analógica.

Método de lazo de la fase (PLL)

El método PLL es el caballo de trabajo de la generación de portadores analógicos. En un sistema multi-carrera típico, varios PLL comparten un oscilador de referencia común. Cada PLL utiliza un sintetizador fractional-N que puede establecer su frecuencia de salida a cualquier múltiple racional de la referencia, permitiendo el espaciamiento arbitrario de canal sin cambiar el cristal de referencia.

Enlaces externos: Para una lectura más profunda sobre el diseño de PLL, consulte la página de Wikipedia sobre los bucles bloqueados por fases y a las notas de aplicación de Analog Devices.

Sintesis Digital Directa (DDS)

DDS se destaca cuando se necesitan soluciones de frecuencia extremadamente fina y rápidas de acaparamiento, por ejemplo, en radios militares de esparcimiento de frecuencia (FHSS) que deben cambiar portaaviones miles de veces por segundo. Un solo chip DDS (por ejemplo, AD9910) puede generar portadores espaciados por tan poco como 1 μHz a través de un ancho de banda de cientos de megahercios.

Enfoques híbridos

Para el mejor de ambos mundos, los diseñadores combinan DDS y PLL en una arquitectura DDSV . Aquí, un DDS genera una señal de baja frecuencia y ultraprecisa que sirve como referencia para un detector de fases de PLLCO. El PLL multiplica entonces la señal de la frecuencia de portador deseada, preservando la resolución de DDS V mientras que logra la

Ventajas en la transmisión analógica

El despliegue de sintetizadores de frecuencias sobre osciladores de cristal discretos o circuitos resonantes de LC produce beneficios sustanciales en sistemas de comunicación analógicos.

• Precisión y precisión:] Los transportistas sintetizados logran errores de frecuencia fraccional por debajo de 1 parte por millón (ppm) sin afinación manual. Esto minimiza la interferencia de los canales adyacentes y reduce las bandas de guardia necesarias, permitiendo más canales en un espectro dado.
• Estabilidad a largo plazo: Al referirse a un oscilador de cristal compensado por temperatura (TCXO) o oscilador de cristal controlado por horno (OCXO), el sintetizador mantiene una salida de frecuencia estable durante años de funcionamiento. Esto es especialmente crítico para los transmisores de TV analógico no sincronizados que deben permanecer dentro de ±500 Hz en UHF.
• Flexibilidad y programabilidad: Cambiar la frecuencia de portador en un diseño tradicional significa reemplazar cristales o reestablecer circuitos LC. Un sintetizador puede ser reprogramado a través de líneas de software o control digital, permitiendo que un único transmisor sirva múltiples canales o se adapte a la reasignación de frecuencia por reguladores.
• Reduced Component Count and Cost: Un oscilador de referencia más un sintetizador IC puede reemplazar docenas de cristales discretos. Para sistemas multicarrera, un solo chip PLL con múltiples salidas (por ejemplo, LMX2595) puede producir ocho frecuencias independientes, reduciendo costos de factura de materiales y área de tablero.
• ]Reliability mejorado: Menos componentes discretos significan menos juntas de soldadura y tasas de falla más bajas. Los sintetizadores también incluyen detección de bloqueos incorporados y monitoreo de estado, permitiendo la recuperación automática de fallas.
• Ataque de frecuencias rápidas: En comunicaciones militares y de emergencia, la capacidad de cambiar los portaaviones en microsegundos —con PLLs y DDS fraccional-N— proporciona resistencia a la interferencia y el escucha.

Aplicaciones en Sistemas de Comunicación Analógica

Los sintetizadores de frecuencia son omnipresentes en transmisión analógica, desde la radio AM/FM heredada hasta sofisticados enlaces de telemetría.

Radio y televisión

Las estaciones de radio AM y FM, así como las emisoras de televisión analógicas (que aún funcionan en muchas regiones), dependen de transportistas sintetizados para mantener asignaciones de canales precisas establecidas por reguladores nacionales (por ejemplo, el FCC en los Estados Unidos). Por ejemplo, un transmisor de televisión puede producir un transportista visual en 175,25 MHz y un transportista de sonido en 179.75 MHz para canal 7; ambos son generados por una estación de doble salida

Enlaces de comunicación de punto a punto

Los enlaces de microondas analógico (por ejemplo, para el estudio-transmisor o relé inter-oficina) suelen utilizar el multiplexado de frecuencia-división donde se transmiten docenas de canales de voz o datos en subcarriers separados. Un sintetizador maestro genera el principal transportista de RF, mientras que los sintetizadores adicionales o separadores de frecuencia producen los subcarímeros.

Comunicaciones militares y seguras

Las radios analógicas militares —desde SINCGARS hasta sistemas tácticos avanzados— ayudan a la síntesis de frecuencias para evadir la interceptación y la interferencia. Un sintetizador capaz de atravesar las bandas de 30-88 MHz o 225–400 MHz a velocidades superiores a 100 tubos por segundo es estándar. Las arquitecturas híbridas de DDS-PLL proporcionan la agilidad necesaria y el ruido de baja fase para mantener la claridad de voz simultáneamente durante las transiciones.

Telemetría y Teleobservación

Sistemas de telemetría analógica, utilizados en aeroespaciales, globos meteorológicos y monitoreo industrial, transmisores de datos de sensores en frecuencias de portaaviones separadas para que un receptor único pueda decodificar múltiples canales. Un transmisor basado en frecuencias puede asignar a cada sensor un transportador único, simplificando el banco de filtros del receptor. Por ejemplo, una estación meteorológica podría transmitir temperatura en 403.1 MHz, la presión inherente

Consideraciones y desafíos de diseño

Mientras que los sintetizadores de frecuencia ofrecen capacidades poderosas, los ingenieros deben abordar varios desafíos prácticos al generar múltiples portadores para la transmisión analógica.

• Noise de la pantalla: El ruido de la fase en la VCO o la referencia puede degradar la relación de señal a ruido, especialmente en la FM analógica donde el ruido de la fase aparece como el suyo audible. VCOs de baja altura y el diseño de filtro de bucle cuidadoso son obligatorios.
• Emisiones espurias:] Los PLLs Fraccional-N producen espuelas en múltiples enteros de la frecuencia de referencia y en compensación fraccional. DDS introduce espuelas DAC. Estos espuelas, si no se filtran, pueden interferir con canales adyacentes. A menudo se requiere filtración de salida con filtros de banda afilados o de puntos, agregando coste y tamaño.
• нертентеритерискай velocidad vs. ruidosidad de ruidos: se realiza / segmento de frecuencia rápida requiere ancho de banda de filtro de bucle, que a su vez aumenta el ruido de fase. Los diseñadores deben equilibrar cuidadosamente el tiempo de bloqueo (por ejemplo, неле 50 μs para el acaparamiento militar) contra los requisitos de ruido (por ejemplo, -100 dBc/Hz a 10 kHz).
• Consumo de potencia: Los sistemas multi-carrera que utilizan múltiples PLLs pueden atraer energía significativa, una preocupación por los transmisores portátiles o remotos. Los ICs de sintetizador de baja potencia (por ejemplo, ADF41513) están disponibles pero a menudo comprometen el ruido de fase.
• ]Secado térmico: Aunque los osciladores de referencia son compensados por temperatura, los VCO y los componentes de bucle pueden cambiar con temperatura. Un sintetizador debe mantener el bloqueo de -40°C a +85°C para aplicaciones al aire libre. Los bucles de calibración adaptativa pueden volver a bloquearse a medida que las condiciones cambian.