چیپ‌های RF به‌عنوان مؤلفهٔ اصلی سیستم‌های مدرن ارتباطات بی‌سیم و ناوبری، مستقیماً بر دقت، پایداری و سطح یکپارچگی کل سیستم تأثیر می‌گذارند. در فرانت‌اندهای RF سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای جهانی (GNSS)، سینتی‌سازهای فرکانس ماژول‌های کلیدی تولید سیگنال‌های نوسانگر محلی هستند و فناوری تقسیم فرکانس کسری برای دستیابی به سنتز فرکانس با دقت بالا و نویز کم ضروری است. این مقاله بر مسئله تقسیم فرکانس کسری در تراشه‌های RF تمرکز دارد، دو ساختار مدولاتور اصلی را تحلیل می‌کند و مزایای کاربردی و چشم‌اندازهای توسعه‌ای آن‌ها را در سیستم‌های ناوبری چندحالته بررسی می‌نماید.

1. پیش‌زمینه چیپ‌های RF و فناوری تقسیم فرکانس کسری

در گیرنده‌های GNSS، تراشه‌های RF سیگنال‌های ضعیف ماهواره‌ای دریافت‌شده توسط آنتن را تقویت، فیلتر و پایین‌تبدیل می‌کنند. سیگنال نوسانگر محلی مورد نیاز برای پایین‌تبدیل توسط یک سنتزکننده فرکانس حلقه قفل‌شده فازی (PLL) تولید می‌شود، به‌طوری‌که فرکانس خروجی fof_ofo و فرکانس مرجع freff_{ref}fref برقرارند:

fo = N.F × freff_o = N.F × f_{ref}

که در آن N.FN.FN.F نسبت تقسیم کلی است که معمولاً کسری است. تقسیم فرکانس سنتی با گام‌های صحیح نمی‌تواند نیازهای نوسانگرهای محلی چندفرکانسی و با دقت بالا را برآورده کند و این امر به ظهور فناوری تقسیم فرکانس کسری منجر شده است. با این حال، تقسیم فرکانس کسری “نویزهای اضافی کسری” ایجاد می‌کند و اگر این فرکانس‌های مزاحم در عرض باند حلقه قرار گیرند، قابل فیلتر شدن نیستند و به‌طور جدی بر خلوص طیف خروجی چیپ RF و عملکرد سیستم تأثیر می‌گذارند.

2. دو ساختار نمونه از مدولاتورهای تقسیم فرکانس کسری

مدولاتور ساختار اَکولومِیتور

ساختار اکومولاتور یکی از روش‌های اولیه و رایج برای تقسیم فرکانس کسری است. با سلسله‌سازی اکومولاتورهای چندمرحله‌ای، نسبت تقسیم می‌تواند بین NNN و N+1N+1N+1 جابه‌جا شود و به این ترتیب تقسیم فرکانس کسری میانگین‌گیری آماری را محقق کند. این ساختار ساده و آسان برای پیاده‌سازی است اما نویز مزاحم متمرکز کم‌فرکانس تولید می‌کند که به‌دلیل افزایش توان نویز مزاحم، کاربرد آن را در چیپ‌های RF رده‌بالا محدود می‌سازد.

ماش ۱-۱-۱ مدولاتور ساختار Δ-Σ

ساختار MASH (شکل‌دهی چندمرحله‌ای نویز) از چندین مدولاتور Δ-Σ درجهٔ اول به‌صورت سری استفاده می‌کند تا شکل‌دهی بالاگذر نویز کوانتیزه‌سازی را محقق کند. برای MASH1-1-1، تابع انتقال آن عبارت است از:

y(z) = z⁻³·x(z) + (1 – z⁻³)·e³(z)(z)

این ساختار سیگنال خطا e3(z)e_3(z)e3​(z) را به فرکانس‌های بالاتر منتقل می‌کند که منجر به طیف خروجی تمیزتری در فرکانس‌های پایین می‌شود. علاوه بر این، دارای محدوده گسترده‌تری از کلمه کنترل خروجی (مثلاً از −۷ تا ۷) است که امکان پرش تصادفی نسبت تقسیم بین چندین مقدار را فراهم می‌کند، انرژی مزاحم را بیشتر پراکنده کرده و عملکرد نویز فازی درون‌باند و سیگنال‌های مزاحم را به‌طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

3. شبیه‌سازی عملکرد و تحلیل مقایسه‌ای

برای سناریوهای معمول سیستم‌های GNSS با فرکانس‌های GPS L1 و BD-2 B1، با استفاده از فرکانس میانی ۳٫۹۹۶ مگاهرتز و فرکانس مرجع ۱۶٫۳۶۸ مگاهرتز، دو ساختار با استفاده از ADS شبیه‌سازی شدند. نتایج نشان می‌دهند:

ساختار اکومولاتور در بازهٔ ۰ تا ۲ مگاهرتز پیک‌های مزاحم قابل‌توجهی دارد که بر عملکرد درون‌باند PLL تأثیر می‌گذارد.

ساختار MASH1-1-1 با شکل‌دهی نویز، انرژی مزاحم را به فرکانس‌های بالاتر (مثلاً بیش از ۲ مگاهرتز) منتقل می‌کند و سرکوب نویز مزاحم را در محدودهٔ بحرانی فرکانس‌های پایین به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد.

از آنجا که عرض باند حلقه PLL معمولاً یک‌دهم فرکانس مرجع (حدود ۱.۶ مگاهرتز) است، نویزهای مزاحم فرکانس بالا را می‌توان به‌طور مؤثر توسط فیلتر حلقه حذف کرد. بنابراین ساختار MASH برای چیپ‌های RF با دقت بالا در گیرنده‌های GNSS در سنتزکننده‌های فرکانس مناسب‌تر است.

4. روندهای توسعه فناوری تقسیم فرکانس کسری در تراشه‌های RF

با تکامل سامانه‌های ناوبری به سمت چند‌حالت (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS)، چند‌فرکانسی و کاربردهای با دقت بالا، عملکرد سینتی‌سازهای فرکانس در تراشه‌های RF به‌طور فزاینده‌ای مورد نیاز قرار می‌گیرد. توسعه آینده فناوری تقسیم فرکانس کسری بر موارد زیر متمرکز خواهد بود:

مدولاتورهای دلتا-سیگما با مرتبه‌ی بالا: افزایش بیشتر کارایی شکل‌دهی نویز و کاهش نویز فازی درون‌باند.

یکپارچه‌سازی کامل PLL دیجیتال (ADPLL): دستیابی به ساختارهای مدولاتور و مکانیزم‌های کالیبراسیون انعطاف‌پذیرتر در چیپ‌های RF.

طراحی ضد نوسان فرآیندتضمین یکنواختی عملکرد مدولاتور در فرآیندهای نانومتری.

سوئیچینگ سریع چندفرکانسی: پشتیبانی از پیکربندی‌های نسبت تقسیم پویا برای برآورده کردن نیازهای ناوبری شناختی و ضد اختلال.

5. نتیجه‌گیری

فناوری تقسیم فرکانس کسری پیوندی کلیدی در ارتقای عملکرد طیف و یکپارچگی سیستم تراشه‌های RF است. در حالی که ساختار اکولومولاتور ساده و آسان برای استفاده است، عملکرد نویز اضافی آن محدود است. در مقابل، ساختار Δ-Σ MASH1-1-1 با قابلیت‌های عالی شکل‌دهی نویز، برای سینتی‌سازهای فرکانس در چیپ‌های RF سیستم‌های ناوبری و موقعیت‌یابی جهانی (GNSS) با عملکرد بالا مناسب‌تر است. با پیشرفت فناوری و بهینه‌سازی الگوریتم‌ها، فناوری تقسیم فرکانس کسری به پیشبرد چیپ‌های RF به سمت مصرف توان کمتر، دقت بالاتر و قابلیت‌های ضدجنگ الکترونیک قوی‌تر ادامه خواهد داد و پشتیبانی محکمی برای سیستم‌های ناوبری و ارتباطی نسل بعدی فراهم می‌کند.