Los chips de RF, como componente central de los modernos sistemas inalámbricos de comunicación y navegación, influyen directamente en la precisión, estabilidad y nivel de integración de todo el sistema. En los frontales de RF del GNSS (Sistema Mundial de Navegación por Satélite), los sintetizadores de frecuencia son módulos clave encargados de generar señales osciladoras locales, y la tecnología de división fraccional de frecuencias es esencial para lograr una síntesis de frecuencias de alta precisión y bajo nivel de espurias. Este artículo se centra en el problema de la división fraccional de frecuencias en chips de RF, analizando dos estructuras moduladoras principales y explorando sus ventajas de aplicación y perspectivas de desarrollo en sistemas de navegación multimodo.

1. Antecedentes de los chips de RF y la tecnología de división fraccional de frecuencias

En los receptores GNSS, los chips de RF amplifican, filtran y reducen las débiles señales de satélite recibidas por la antena. La señal del oscilador local necesaria para la conversión descendente se genera mediante un sintetizador de frecuencia de bucle de enganche de fase (PLL), en el que la frecuencia de salida fof_ofo y la frecuencia de referencia freff_{ref}fref se satisfacen:

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

donde N.FN.FN.F es la relación de división total, normalmente no entera. La división de frecuencia entera tradicional no puede satisfacer las necesidades de los osciladores locales multifrecuencia y de alta precisión, lo que ha dado lugar a la aparición de la tecnología de división de frecuencia fraccionaria. Sin embargo, la división fraccional de frecuencias introduce “espurias fraccionales”, y si las frecuencias espurias caen dentro del ancho de banda del bucle, no pueden filtrarse, lo que afecta gravemente a la pureza del espectro de salida del chip de RF y al rendimiento del sistema.

2. Dos estructuras típicas de moduladores por división en frecuencia fraccionaria

Acumulador Estructura Modulador

La estructura de acumuladores es uno de los primeros métodos utilizados para la división fraccional de frecuencias. Mediante la conexión en cascada de acumuladores multietapa, la relación de división puede oscilar entre NNN y N+1N+1N+1, con lo que se consigue una división de frecuencia fraccionaria con promediado estadístico. Esta estructura es sencilla y fácil de implementar, pero genera espurios concentrados de baja frecuencia, lo que limita su aplicación en chips de RF de gama alta debido a su mayor potencia espuria.

Modulador de estructura MASH1-1-1 Δ-Σ

La estructura MASH (Multi-stage Noise SHaping) utiliza múltiples moduladores Δ-Σ de primer orden en cascada para lograr la conformación de paso alto del ruido de cuantificación. Para MASH1-1-1, su función de transferencia es:

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)

Esta estructura empuja la señal de error e3(z)e_3(z)e3(z) hacia frecuencias más altas, lo que da como resultado un espectro de salida más limpio a frecuencias más bajas. Además, tiene un rango de palabras de control de salida más amplio (por ejemplo, de -7 a 7), lo que permite que la relación de división salte aleatoriamente entre múltiples valores, dispersando aún más la energía espuria y mejorando significativamente el ruido de fase en banda y el rendimiento espurio.

3. Simulación de rendimiento y análisis comparativo

Para escenarios típicos de sistemas GNSS con frecuencias GPS L1 y BD-2 B1, utilizando una frecuencia intermedia de 3,996 MHz y una frecuencia de referencia de 16,368 MHz, se simularon las dos estructuras utilizando ADS. Los resultados muestran:

La estructura del acumulador tiene importantes picos espurios en el rango de 0-2 MHz, lo que afecta al rendimiento en banda del PLL.

La estructura MASH1-1-1, mediante la conformación del ruido, desplaza la energía espuria a frecuencias más altas (por ejemplo, >2 MHz), mejorando significativamente la supresión de espurias en el rango crítico de baja frecuencia.

Como el ancho de banda del bucle PLL suele ser 1/10 de la frecuencia de referencia (unos 1,6 MHz), el filtro de bucle puede filtrar eficazmente las espurias de alta frecuencia. Por lo tanto, la estructura MASH es más adecuada para chips RF GNSS de alta precisión en sintetizadores de frecuencia.

4. Tendencias de desarrollo de la tecnología de división fraccional de frecuencias en chips de RF

A medida que los sistemas de navegación evolucionan hacia aplicaciones multimodo (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS), multifrecuencia y de alta precisión, el rendimiento de los sintetizadores de frecuencia de los chips de RF es cada vez más exigente. El futuro desarrollo de la tecnología de división fraccional de frecuencias se centrará en:

Moduladores Δ-Σ de alto orden: Mejora aún más la eficacia de la conformación del ruido y reduce el ruido de fase dentro de la banda.

Integración de PLL totalmente digital (ADPLL): Conseguir estructuras moduladoras y mecanismos de calibración más flexibles en los chips de RF.

Diseño antifluctuaciones del proceso: Garantizar la coherencia del rendimiento de los moduladores en procesos nanométricos.

Conmutación rápida multifrecuencia: Admite configuraciones dinámicas de la relación de división para cumplir los requisitos de navegación cognitiva y antiinterferencia.

5. Conclusión

La tecnología de división fraccional de frecuencias es un eslabón clave para mejorar el rendimiento del espectro y la integración de sistemas de los chips de RF. Aunque la estructura de acumulador es sencilla y fácil de usar, su rendimiento espurio es limitado. En cambio, la estructura MASH1-1-1 Δ-Σ, con su excelente capacidad de modelado del ruido, es más adecuada para los sintetizadores de frecuencia de los chips RF GNSS de alto rendimiento. Con los avances tecnológicos y la optimización de algoritmos, la tecnología de división fraccional de frecuencias seguirá impulsando los chips de RF hacia un menor consumo de energía, una mayor precisión y una mayor capacidad anti-interferencia, proporcionando un sólido apoyo a los sistemas de navegación y comunicación de próxima generación.