HF-Chips sind das Herzstück moderner drahtloser Kommunikations- und Navigationssysteme und haben einen direkten Einfluss auf die Genauigkeit, die Stabilität und den Integrationsgrad des gesamten Systems. In GNSS (Global Navigation Satellite System) RF-Frontends sind Frequenzsynthesizer Schlüsselmodule, die für die Erzeugung von lokalen Oszillatorsignalen verantwortlich sind, und die Technologie der fraktionierten Frequenzteilung ist für das Erreichen einer hochpräzisen und störungsarmen Frequenzsynthese unerlässlich. Dieser Beitrag befasst sich mit dem Problem der fraktionierten Frequenzteilung in HF-Chips, analysiert zwei gängige Modulatorstrukturen und untersucht deren Anwendungsvorteile und Entwicklungsperspektiven in Multimode-Navigationssystemen.

1. Hintergrund von RF-Chips und Fractional Frequency Division Technologie

In GNSS-Empfängern verstärken, filtern und wandeln HF-Chips die schwachen Satellitensignale, die von der Antenne empfangen werden, herunter. Das für die Abwärtswandlung erforderliche Signal des lokalen Oszillators wird von einem PLL-Frequenzsynthesizer (Phase-Locked-Loop) erzeugt, wobei die Ausgangsfrequenz fof_ofo und die Referenzfrequenz freff_{ref}fref übereinstimmen:

fo=N.F×freff_o = N.F \times f_{ref}fo=N.F×fref

wobei N.FN.FN.F das gesamte Teilungsverhältnis ist, das normalerweise nicht ganzzahlig ist. Die herkömmliche ganzzahlige Frequenzteilung kann den Anforderungen von Mehrfrequenz- und Hochpräzisions-Lokaloszillatoren nicht gerecht werden, was zum Aufkommen der fraktionalen Frequenzteilungstechnologie führte. Wenn die Störfrequenzen in die Bandbreite der Schleife fallen, können sie nicht herausgefiltert werden, was die Reinheit des Ausgangsspektrums des HF-Chips und die Systemleistung erheblich beeinträchtigt.

2. Zwei typische Strukturen von Fractional Frequency Division Modulators

Akkumulator Struktur Modulator

Die Akkumulatorstruktur ist eine frühe, häufig verwendete Methode für die fraktionale Frequenzteilung. Durch die Kaskadierung von mehrstufigen Akkumulatoren kann das Teilungsverhältnis zwischen NNN und N+1N+1N+1 umgeschaltet werden, wodurch eine statistische Mittelwertbildung bei der Frequenzteilung erreicht wird. Diese Struktur ist einfach und leicht zu implementieren, erzeugt aber konzentrierte niederfrequente Störsignale, was ihre Anwendung in High-End-HF-Chips aufgrund der höheren Störleistung einschränkt.

MASH1-1-1 Δ-Σ Struktur Modulator

Die MASH-Struktur (Multi-stage Noise Shaping) verwendet mehrere Δ-Σ-Modulatoren erster Ordnung in Kaskade, um eine Hochpassformung des Quantisierungsrauschens zu erreichen. Für MASH1-1-1 lautet die Übertragungsfunktion:

y(z)=z-3⋅x(z)+(1-z-3)⋅e3(z)y(z) = z^{-3} \cdot x(z) + (1 - z^{-3}) \cdot e_3(z)y(z)=z-3⋅x(z)+(1-z-3)⋅e3(z)

Durch diese Struktur wird das Fehlersignal e3(z)e_3(z)e3(z) zu höheren Frequenzen verschoben, was zu einem saubereren Ausgangsspektrum bei niedrigeren Frequenzen führt. Darüber hinaus verfügt er über einen größeren Ausgangssteuerwortbereich (z. B. von -7 bis 7), so dass das Teilungsverhältnis zufällig zwischen mehreren Werten hin- und herspringen kann, was zu einer weiteren Streuung der Störenergie und einer deutlichen Verbesserung des bandinternen Phasenrauschens und der Störungsleistung führt.

3. Leistungssimulation und vergleichende Analyse

Für typische GNSS-System-Szenarien mit GPS L1- und BD-2 B1-Frequenzen, unter Verwendung einer Zwischenfrequenz von 3,996 MHz und einer Referenzfrequenz von 16,368 MHz, wurden die beiden Strukturen mit ADS simuliert. Die Ergebnisse zeigen:

Die Akkumulatorstruktur weist erhebliche Störspitzen im 0-2-MHz-Bereich auf, was die PLL-Leistung innerhalb des Bandes beeinträchtigt.

Die MASH1-1-1-Struktur verlagert durch Rauschformung die Störenergie zu höheren Frequenzen (z. B. >2 MHz), wodurch die Unterdrückung von Störsignalen im kritischen Niederfrequenzbereich deutlich verbessert wird.

Da die Bandbreite der PLL-Schleife typischerweise 1/10 der Referenzfrequenz (etwa 1,6 MHz) beträgt, können hochfrequente Störsignale durch den Schleifenfilter wirksam gefiltert werden. Daher ist die MASH-Struktur besser für hochpräzise GNSS-HF-Chips in Frequenzsynthesizern geeignet.

4. Entwicklungstrends der Technologie der fraktionierten Frequenzteilung in RF-Chips

Mit der Entwicklung von Navigationssystemen hin zu Multimode- (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS), Mehrfrequenz- und Hochpräzisionsanwendungen steigen die Anforderungen an die Leistung von Frequenzsynthesizern in HF-Chips. Die künftige Entwicklung der Technologie der fraktionierten Frequenzteilung wird sich auf folgende Bereiche konzentrieren:

Δ-Σ-Modulatoren hoher Ordnung: Weitere Verbesserung der Rauschformung und Verringerung des Phasenrauschens innerhalb des Bandes.

Vollständig digitale PLL (ADPLL) Integration: Flexiblere Modulatorstrukturen und Kalibrierungsmechanismen in RF-Chips.

Anti-Prozess-Schwankung Design: Sicherstellung einer konstanten Modulatorleistung bei Nanometerprozessen.

Multifrequenz-Schnellumschaltung: Unterstützung dynamischer Teilungsverhältniskonfigurationen zur Erfüllung der Anforderungen an kognitive Navigation und Entstörung.

5. Schlussfolgerung

Die Technologie der fraktionierten Frequenzteilung ist ein wichtiges Bindeglied bei der Verbesserung der Spektralleistung und der Systemintegration von HF-Chips. Die Akkumulatorstruktur ist zwar einfach und leicht zu verwenden, aber ihre Störungsleistung ist begrenzt. Im Gegensatz dazu ist die MASH1-1-1 Δ-Σ-Struktur mit ihren hervorragenden Rauschformungsfähigkeiten besser für Frequenzsynthesizer in Hochleistungs-GNSS-HF-Chips geeignet. Mit den Fortschritten in der Technologie und der Optimierung der Algorithmen wird die Technologie der fraktionierten Frequenzteilung die RF-Chips weiter in Richtung eines geringeren Stromverbrauchs, höherer Präzision und stärkerer Anti-Jamming-Fähigkeiten vorantreiben und eine solide Unterstützung für die Navigations- und Kommunikationssysteme der nächsten Generation bieten.