Sintetitzador de freqüència

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Un sintetitzador de freqüència, és un sistema electrònic que serveix per a generar una freqüència qualsevol (limitat a cert rang), a partir d'una única font d'alimentació fixa o oscil·lador. Permet, generar les freqüències amb les quals hem d'alimentar altres blocs. Resulten d'especial utilitat a sistemes de comunicacions, però, avui dia es poden trobar en tota classe de dispositius diferents, com ara receptors de ràdio, telèfons mòbils, radiotelèfons, walkie-talkies, receptors de satèl·lit, sistemes de GPS, etc.

Història[modifica | modifica el codi]

Abans de la popularització de l'ús de sintetitzadors, els receptors de ràdio i de televisió, se sintonitzaven manualment, mitjançant un oscil·lador local. Recordem els equips dels anys 80 (i alguns no tan antics, de gamma baixa) amb un o diversos sintonitzadors diferents. Les variacions en temperatura i l'envelliment dels components, provoquen alguns efectes com desviació de freqüència (Frequency drift). Un control automàtic de freqüència (Automatic Frequency Control (AFC)), soluciona en part aquest problema, però normalment és necessariun reajustament manual.

Com que les freqüències del transmissor són ben conegudes i molt estables, un mètode precís per a generar freqüències estables solucionaria el problema.

Existeixen múltiples solucions senzilles i efectives, per a realitzar oscil·ladors estables i efectius, en algunes freqüències. Els Cristalls de Quars, ofereixen molt bona estabilitat i són molt utilitzats en la creació d'oscil·ladors. Aquesta tècnica, és molt útil quan només s'han de generar algunes freqüències concretes, però es converteix en una pràctica inviable, per a moltes altres aplicacions. Per exemple en el cas de la ràdio FM es consideren 100 freqüències diferents, en una banda entre el 88 MHz i els 108 MHz. I en altres casos, com la televisió per cable, encara es pot augmentar el nombre de canals. Cada canal necessitaria el seu propi cristall, el qual augmenta considerablement el cost i augmenta l'espai necessitat.

Amb el pas del temps, s'han generat diverses tècniques coherents i incoherents. Algunes d'aquestes, són sintetització amb PLL's ( Phase looked Loop), mesclat doble, mesclat triple, mitjançant harmònics, síntesi directa. L'elecció de la tècnica, depèn de diferents factors, com el cost, la complexitat, separació de freqüències, velocitat de variació, renou de fase, etc.

Les tècniques coherents, generen freqüències derivades d'un oscil·lador local principal estable, normalment, un oscil·lador amb cristall. Encara que alguns ressonadors i altres generadors de freqüència, poden ser utilitzats. Les tècniques incoherents deriven freqüències d'altres oscil·ladors locals estables, normalment mitjançant diverses operacions com multiplicadors, divisors i diferenciació. La majoria de sintetitzadors comercials, utilitzen sintetitzadors coherents per la seva senzillesa i baix cost.

Els sintetitzadors comercials més utilitzats, normalment, estan basats en PLL's, ja que es troben disponibles com a circuits integrats de baix cost i espai molt reduït. En cas d'equips de gamma alta i equips d'alta precisió, s'utilitzen combinacions de diferents tècniques.

Síntesi Directa[modifica | modifica el codi]

La síntesi directa de freqüències, consisteix a realitzar operacions bàsiques amb circuits no lineals, amb l'objectiu d'aconseguir noves freqüències, a partir d'unes altres de referència, obtingudes a partir d'un o diversos oscil·ladors locals.

Síntesi directa

L'operació bàsica utilitzada en síntesi de freqüències, és la multiplicació de senyals.

xa (f a)·xb (f b)= x (f a+ f b, f a– f b)

El senyal resultant, tindrà un harmònic a fa + fb i un a fa – fb.

Multiplicació de senyals

El filtre, s'encarrega d'eliminar l'harmònic no desitjat. És important, que fa/fb no sigui molt diferent d'1, ja que el filtre pot tenir problemes per separar els harmònics. Per exemple: si fa = 1 MHz i fb = 90 MHz resulta fa + fb = 91 MHz. i fa – fb = 89 MHz.

Per als casos més difícils, es poden utilitzar tècniques amb canvis de fase que permeten anul·lar directament alguns d'aquests harmònics, sense necessitat de filtre, augmentant la complexitat del sistema.

Sintetitzadors amb PLLs[modifica | modifica el codi]

Un PLL fa a la freqüència, el que un control automàtic de guany fa al voltatge. Compara les freqüències de dos senyals i produeix un senyal d'error, que és proporcional a la diferència entre les freqüències. El senyal d'error, s'utilitza per controlar un oscil·lador controlat per tensió, que genera una freqüència de sortida. Aquesta freqüència, es torna pel llaç de realimentació negativa passant per un divisor de freqüència. Si la freqüència de sortida varia, el senyal d'error s'incrementarà, tornant la freqüència de sortida al seu valor original, reduint l'error. La sortida, així queda estable a una freqüència que depèn de l'entrada i del divisor del llaç de realimentació. L'entrada es denomina com la referència i prové d'un oscil·lador local amb cristall, molt estable en freqüència. S'observen en el següent diagrama, els blocs bàsics que componen un sintetitzador de freqüència basat en PLL's:

Sintetitzadors amb PLL

El que permet al sintetitzador de freqüència generar múltiples freqüències, és el divisor situat en el bucle de re-alimentació. En el cas digital, aquest divisor és un comptador, que quan arriba al seu valor màxim activa la seva sortida, això provoca una divisió de freqüència depenent del valor màxim en què estigui ajustat el comptador. Aquest circuit es pot realitzar de forma molt senzilla amb flip-flops i es pot integrar a un circuit digital, que fa que pugui ser controlat per un microprocessador. Això, permet controlar de forma digital la freqüència de sortida del sintetitzador, emprant un espai reduït, un sol cristall i amb una complexitat i cost baixos.

Exemple: Suposem que el senyal de referència és de 100 kHz, i el divisor pot ser ajustat a qualsevol valor entre 1 o 100. El senyal d'error produït pel comparador, només serà zero quan la sortida del divisor és 100 kHz. És a dir, el VCO funcionarà a una freqüència de: 100Khz x Valor del divisor.= 200 kHz El senyal de sortida, estarà a 200 kHz si el divisor té el valor a 2, o 1MHz per dividir entre 10. Es pot apreciar que només es poden aconseguir múltiples de la freqüència de referència.

PLL de doble llaç[modifica | modifica el codi]

PLL de doble llaç També, s'utilitza molt sovint una configuració basada en l'anterior, anomenada de doble llaç, que ens permet millorar la velocitat d'enganxament, la capacitat de rebuig al soroll i la distorsió harmònica del senyal de sortida. S'utilitza en aplicacions d'instrumentació, com els amplificadors lock-in.

Consideracions pràctiques[modifica | modifica el codi]

En la pràctica, aquest tipus de sintetitzador de freqüència, no pot operar en una amplada de freqüències molt gran, perquè el comparador tindrà una amplada de banda limitada i pot sofrir problemes d'aliasing. Això, pot donar lloc, a falses situacions d'acoblament o la impossibilitat d'acoblar-se. A més a més, és difícil fer un VCO d'alta freqüència que operi a un rang molt ample de freqüències. Això, pot ser degut a diferents factors, però, la principal restricció és el limitat rang de capacitància dels diodes varactor.

Tanmateix, en la majoria de sistemes on es fan servir sintetitzadors, no se cerca un rang enorme, sinó, més aviat, un nombre finit sobre alguns rangs definits, com el nombre de canals de ràdio dins una banda específica.

Moltes aplicacions de ràdio, requereixen freqüències més altes de les que poden ser ficades directament al comptador digital. Per a superar aquest fet, el comptador sencer pot ser construït usant lògica d'alta velocitat com ECL, o més comunament, fent servir una fase de divisió inicial ràpida, anomenada preescalador, que redueix la freqüència a un nivell manejable. Com que el preescalador forma part del ratio de divisió total, un preescalador fixat pot provocar problemes, dissenyant un sistema amb poca separació entre canals, típicament trobats en aplicacions de ràdio. Això pot evitar-se, utilitzant un preescalador dual-modulus.

Altres aspectes que s'han de tenir en compte, concerneixen la quantitat de temps que té el sistema per a canviar de canal a canal, al temps per a "enganxar-se" quan s'encén el circuit per primera vegada i el soroll que hi ha a la sortida.

Síntesi Digital Directa[modifica | modifica el codi]

La Síntesi Digital Directa (DDS), és un mètode electrònic per a crear digitalment formes d'ona arbitràries i freqüències, a partir d'una única font de freqüència fixa. Aquest mètode de síntesi, és el més utilitzat en l'actualitat, perquè ens permet una selecció molt acurada del canvi de freqüència i és molt senzill d'implementar.

Introducció[modifica | modifica el codi]

Un circuit DDS bàsic, consta d'un controlador electrònic, una memòria d'accés aleatori, una freqüència de referència (normalment generada per un oscil·lador a cristall), un comptador i un conversor DAC. El treball de síntesi amb aquests dispositius consta de dues fases, que anomenarem programació i execució. Síntesi Digital Directa

Programació[modifica | modifica el codi]

En la fase de programació, el controlador electrònic omple la memòria amb dades. Cada element d'aquestes dades, és una paraula binària, representant l'amplitud del senyal en un instant de temps. La matriu de dades dins la memòria, formarà llavors una taula d'amplituds, amb el temps indicat per la posició dins la taula. Si, per exemple, la primera meitat de la taula estigués omplida amb zeros i la segona meitat, amb valors del 100%, llavors les dades estarien representant una ona quadrada. Qualsevol altra forma d'ona pot ser obtinguda alterant les dades de la matriu.

Execució[modifica | modifica el codi]

En la fase d'execució, el comptador (també anomenat acumulador de fase), és ordenat a avançar un cert increment, amb cada pols de la freqüència de referència. La sortida de l'acumulador de fase, s'utilitza per a seleccionar cada element de la taula de dades en el seu moment correcte. Finalment, el DAC converteix aquesta seqüència de dades en una forma d'ona analògica. Per a generar una forma d'ona periòdica, el circuit es configura perquè a cada passada a través de tota la taula, tardi un temps igual al període de l'ona. Per exemple, si la freqüència de referència, és 1MHz i la taula conté 1000 entrades, llavors una passada completa a través de tota la taula, amb un increment de fase d'1, tardarà 1000 / 1 MHz = 1 ms, així, la freqüència de l'ona a la sortida serà d'1/(1 ms) = 1 kHz. Aquest sistema pot generar una sortida de freqüència major, simplement augmentant l'increment de fase perquè el comptador recorri la taula més ràpidament. En l'exemple anterior, l'increment de fase era igual a 1, així, la pròxima freqüència possible serà incrementant-lo fins a 2, obtenint així una freqüència de 2 kHz a la sortida. Per a obtenir un control més precís que aquest, l'increment de fase estàndard pot situar-se, per exemple, a 10. Això, permet freqüències lleugerament superiors i inferiors. Per exemple, augmentant l'increment a 11, incrementaria la freqüència de sortida un 10% i reduint-lo a 9, la reduiria el mateix percentatge. Com més gran és la precisió que volem aconseguir, major nombre de bits necessitarem en el comptador i en el DAC.

Detalls d'implementació[modifica | modifica el codi]

Les implementacions pràctiques, normalment, fixen la mida de la taula perquè sigui una potència de 2 i treballar amb acumuladors de fase de 32 bits. Normalment, els 8 o 10 bits superiors del comptador s'usen com a índex de la taula (aquesta tindrà unes mides de 256 o 1024 respectivament). Els bits més baixos que resten, poden fer-se servir com a paràmetre o índex, per a interpolar entre les entrades adjacents dins la taula. Normalment, una interpolació lineal és suficient. La freqüència font, normalment, ve donada per un cristall d'entre 1 MHz i 100 MHz. La freqüència més alta que es pot generar amb aquest mètode, depèn de la grandària de la taula i de la freqüència. Per tal de generar una representació raonable de la forma d'ona, s'ha d'obtenir un nombre mínim de mostres d'ella. Si l'increment de fase es torna massa gran, llavors el comptador recorrerà la taula massa ràpid i el resultat pot tenir molta distorsió a la sortida. Existeixen implementacions tant per programari com per maquinari. Degut a la natura de temps real del DDS, les implementacions per software estan sovint limitades a les freqüències audibles. Algunes aplicacions del DDS són: generadors de funcions, mescladors, moduladors i sintetitzadors de so.