Im Bereich des globalen Satellitennavigationssystems (GNSS), wo ständig nach höherer Positionsgenauigkeit und Empfindlichkeit gesucht wird, RF-Chips dienen als “Wächter an vorderster Front” der Empfangsgeräte. Ihre Leistung entscheidet direkt über die Fähigkeit des Terminals, schwache Satellitensignale zu erfassen und zu verarbeiten. Zu den vielen Schlüsselmodulen von RF-Chips, In diesem Zusammenhang ist der PLL-Frequenzsynthesizer, der das Signal des Lokaloszillators (LO) erzeugt, besonders wichtig. Dabei spielt die Technologie der fraktionierten Frequenzteilung eine entscheidende Rolle für die Reinheit des Signals.

Herkömmliche Frequenzsynthesizer mit ganzzahliger Frequenzteilung haben Probleme mit nicht-ganzzahligen Frequenzverhältnissen, was die Flexibilität bei der Einstellung der LO-Frequenzen einschränkt. Technologie der fraktionierten Frequenzteilung passt das Teilungsverhältnis dynamisch an, um einen durchschnittlichen fraktionierten Wert zu erzeugen und so die gewünschte Frequenz genau zu erreichen. Diese Technologie bringt jedoch ein heikles Problem mit sich - fraktionale Störimpulse. Wenn diese Spurs in die Bandbreite der PLL-Schleife fallen, können sie nicht herausgefiltert werden, was zu einer Verschlechterung der Qualität des LO-Signals führt, das von der RF-Chip. Dies führt letztlich zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) des beim Mischen erzeugten Zwischenfrequenzsignals (IF), was sich unmittelbar auf die Ortungsgenauigkeit von Navigationsgeräten auswirkt.

Um das Problem der fraktionierten Frequenzteilung mit geringer Spur zu lösen, werden in der Studie von Li Xin und Huang Haisheng zwei gängige technologische Lösungen miteinander verglichen: die klassische Akkumulatorstruktur und die fortschrittliche MASH1-1-1 Δ-Σ-Modulatorstruktur.

Struktur des Akkumulators:

Diese Struktur ist einfach und kostengünstig, aber das Teilungsverhältnis kann nur zwischen zwei Werten (N und N+1) umgeschaltet werden. Dieses periodische Umschalten führt zu starken diskreten Ausschlägen im niederfrequenten Bereich des Ausgangsspektrums, was ein erheblicher Nachteil für leistungsstarke RF-Chips.

MASH1-1-1 Δ-Σ Struktur:

Diese Struktur kaskadiert drei Δ-Σ-Modulatoren erster Ordnung, um eine Rauschformung zu erreichen, eine Schlüsselfunktion, die das ursprünglich im Niederfrequenzband konzentrierte Frequenzquantisierungsrauschen in das Hochfrequenzband “verschiebt”. Unter RF-Chip PLL-Design kann das Rauschen im Hochfrequenzband durch den Schleifenfilter wirksam herausgefiltert werden.

Das Forschungsteam verwendete das typische Anwendungsszenario von GNSS RF-Chips (Referenzfrequenz: 16,368 MHz, Zwischenfrequenz: 3,996 MHz), um beide Strukturen an den Frequenzpunkten GPS L1 und BeiDou B1 zu simulieren. Die Analyse der Leistungsspektraldichte (PSD) zeigte deutlich, dass der Δ-Σ-basierte Modulator die fraktionierte Sporenenergie erfolgreich vom kritischen 0-2-MHz-Niederfrequenzband in das Hochfrequenzband verschoben hat, wodurch die spektrale Reinheit innerhalb der PLL-Schleifenbandbreite deutlich verbessert wurde.

Schlussfolgerung:

In modernen Hochleistungs-GNSS RF-Chips die einen spurarmen Betrieb anstreben, ist die fraktionierte Frequenzteilungstechnologie auf der Grundlage der MASH1-1-1-Δ-Σ-Struktur zweifellos die beste Wahl. Durch geschickte Rauschformung reinigt sie das LO-Spektrum effektiv und bietet eine solide technische Grundlage für RF-Chips um Navigationssignale in komplexen elektromagnetischen Umgebungen stabil und genau zu empfangen. Diese Technologie ist der wichtigste Motor für die Entwicklung von hochpräzisen Navigationsgeräten.