Les puces RF, en tant que composants centraux des systèmes modernes de communication et de navigation sans fil, influencent directement la précision, la stabilité et le niveau d'intégration de l'ensemble du système. Dans les frontaux RF du GNSS (Global Navigation Satellite System), les synthétiseurs de fréquence sont des modules clés chargés de générer des signaux d'oscillateur local, et la technologie de division fractionnée de la fréquence est essentielle pour obtenir une synthèse de fréquence de haute précision et à faible bruit parasite. Cet article se concentre sur le problème de la division fractionnaire de la fréquence dans les puces RF, en analysant deux structures de modulation courantes et en explorant leurs avantages en termes d'application et leurs perspectives de développement dans les systèmes de navigation multimodes.

1. Historique des puces RF et de la technologie de division fractionnée de la fréquence

Dans les récepteurs GNSS, les puces RF amplifient, filtrent et convertissent à la baisse les faibles signaux satellites reçus par l'antenne. Le signal de l'oscillateur local nécessaire à la conversion descendante est généré par un synthétiseur de fréquence à boucle à verrouillage de phase (PLL), où la fréquence de sortie fof_ofo et la fréquence de référence freff_{ref}fref sont satisfaites :

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

où N.FN.FN.F est le rapport de division total, généralement non entier. La division traditionnelle de la fréquence en nombres entiers ne peut pas répondre aux besoins des oscillateurs locaux multifréquences et de haute précision, ce qui a conduit à l'émergence de la technologie de la division fractionnaire de la fréquence. Cependant, la division fractionnaire de la fréquence introduit des “parasites fractionnaires” et si les fréquences parasites tombent dans la largeur de bande de la boucle, elles ne peuvent pas être filtrées, ce qui affecte sérieusement la pureté du spectre de sortie de la puce RF et les performances du système.

2. Deux structures typiques de modulateurs à répartition fractionnaire de la fréquence

Structure de l'accumulateur Modulateur

La structure de l'accumulateur est une des premières méthodes couramment utilisées pour la division fractionnaire de la fréquence. En mettant en cascade des accumulateurs à plusieurs étages, le rapport de division peut passer de NNN à N+1N+1N+1, ce qui permet d'obtenir une division fractionnée de la fréquence par moyenne statistique. Cette structure est simple et facile à mettre en œuvre, mais elle génère des parasites concentrés à basse fréquence, ce qui limite son application dans les puces RF haut de gamme en raison d'une puissance parasite plus élevée.

Modulateur de structure MASH1-1-1 Δ-Σ

La structure MASH (Multi-stage Noise SHaping) utilise plusieurs modulateurs Δ-Σ du premier ordre en cascade pour obtenir une mise en forme passe-haut du bruit de quantification. La fonction de transfert de la structure MASH1-1-1 est la suivante :

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)

Cette structure pousse le signal d'erreur e3(z)e_3(z)e3(z) vers des fréquences plus élevées, ce qui permet d'obtenir un spectre de sortie plus propre à des fréquences plus basses. En outre, il dispose d'une plus grande plage de mots de contrôle de sortie (par exemple, de -7 à 7), ce qui permet au rapport de division de sauter aléatoirement entre plusieurs valeurs, dispersant davantage l'énergie parasite et améliorant de manière significative le bruit de phase dans la bande et la performance parasite.

3. Simulation des performances et analyse comparative

Pour des scénarios typiques de systèmes GNSS avec les fréquences GPS L1 et BD-2 B1, en utilisant une fréquence intermédiaire de 3,996 MHz et une fréquence de référence de 16,368 MHz, les deux structures ont été simulées à l'aide d'ADS. Les résultats montrent que

La structure de l'accumulateur présente d'importantes pointes parasites dans la gamme 0-2 MHz, ce qui affecte les performances en bande de la PLL.

La structure MASH1-1-1, par la mise en forme du bruit, repousse l'énergie parasite vers des fréquences plus élevées (par exemple, >2 MHz), ce qui améliore considérablement la suppression des parasites dans la gamme critique des basses fréquences.

Étant donné que la largeur de bande de la boucle PLL est généralement égale à 1/10e de la fréquence de référence (environ 1,6 MHz), les signaux parasites à haute fréquence peuvent être filtrés efficacement par le filtre de la boucle. Par conséquent, la structure MASH est mieux adaptée aux puces RF GNSS de haute précision dans les synthétiseurs de fréquence.

4. Tendances de développement de la technologie de division fractionnée de la fréquence dans les puces RF

Les systèmes de navigation évoluant vers des applications multimodes (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS), multifréquences et de haute précision, les performances des synthétiseurs de fréquence dans les puces RF sont de plus en plus exigeantes. Le développement futur de la technologie de la division fractionnaire de la fréquence se concentrera sur les points suivants :

Modulateurs Δ-Σ d'ordre élevé: Amélioration de l'efficacité de la mise en forme du bruit et réduction du bruit de phase dans la bande.

Intégration d'une PLL entièrement numérique (ADPLL): Amélioration de la flexibilité des structures de modulation et des mécanismes d'étalonnage dans les puces RF.

Conception anti-fluctuation de processus: Assurer la cohérence des performances des modulateurs dans le cadre de processus nanométriques.

Commutation rapide multifréquence: Prise en charge des configurations dynamiques du rapport de division pour répondre aux exigences en matière de navigation cognitive et de lutte contre le brouillage.

5. Conclusion

La technologie de division fractionnée de la fréquence est un élément clé de l'amélioration des performances spectrales et de l'intégration des systèmes des puces RF. Bien que la structure de l'accumulateur soit simple et facile à utiliser, ses performances en matière d'interférences sont limitées. En revanche, la structure MASH1-1-1 Δ-Σ, avec ses excellentes capacités de mise en forme du bruit, convient mieux aux synthétiseurs de fréquence dans les puces RF GNSS à haute performance. Grâce aux progrès de la technologie et à l'optimisation des algorithmes, la technologie de division fractionnaire de la fréquence continuera à faire évoluer les puces RF vers une plus faible consommation d'énergie, une plus grande précision et des capacités anti-brouillage renforcées, fournissant ainsi un soutien solide aux systèmes de navigation et de communication de la prochaine génération.