RF-chips zijn de kerncomponenten van moderne draadloze communicatie- en navigatiesystemen en hebben een directe invloed op de nauwkeurigheid, stabiliteit en het integratieniveau van het hele systeem. In GNSS (Global Navigation Satellite System) RF frontends zijn frequentiesynthesizers belangrijke modules die verantwoordelijk zijn voor het genereren van lokale oscillatorsignalen, en fractionele frequentiedelingstechnologie is essentieel voor het bereiken van hoge precisie en lage spurious frequentiesynthese. Dit artikel richt zich op het probleem van fractionele frequentieverdeling in RF-chips, waarbij twee gangbare modulatorstructuren worden geanalyseerd en de toepassingsvoordelen en ontwikkelingsvooruitzichten ervan in multimodale navigatiesystemen worden onderzocht.

1. Achtergrond van RF-chips en technologie voor fractionele frequentiedeling

In GNSS-ontvangers versterken, filteren en down-converteren RF-chips de zwakke satellietsignalen die door de antenne worden ontvangen. Het lokale oscillatorsignaal dat nodig is voor down-conversie wordt gegenereerd door een PLL-frequentiesynthesizer (phase-locked loop), waarbij de uitgangsfrequentie fof_ofo en de referentiefrequentie freff_{ref}fref voldoen:

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

waarbij N.FN.FN.F de totale delingsverhouding is, meestal niet geheel getal. Traditionele integere frequentiedeling kan niet voldoen aan de behoeften van lokale oscillatoren met meerdere frequenties en hoge precisie, waardoor de technologie van fractionele frequentiedeling is ontstaan. Echter, bij fractionele frequentiedeling ontstaan “fractionele storingen” en als de storende frequenties binnen de bandbreedte van de lus vallen, kunnen ze niet worden uitgefilterd, wat ernstige gevolgen heeft voor de zuiverheid van het uitgangsspectrum van de RF-chip en de systeemprestaties.

2. Twee typische structuren van fractionele frequentiedivisiemodulatoren

Accumulator Structuur Modulator

De accumulatorstructuur is een vroege veelgebruikte methode voor fractionele frequentieverdeling. Door meertrapsaccumulatoren in cascade te schakelen, kan de verdelingsverhouding schakelen tussen NNN en N+1N+1N+1, waardoor een statistische gemiddelde fractionele frequentiedeling wordt bereikt. Deze structuur is eenvoudig en gemakkelijk te implementeren, maar genereert geconcentreerde laagfrequente storingen, wat de toepassing in RF-chips van hoge kwaliteit beperkt vanwege het hogere storende vermogen.

MASH1-1-1 Δ-Σ structuurmodulator

De MASH-structuur (Multi-stage Noise SHaping) gebruikt meerdere eerste-orde Δ-Σ modulatoren in cascade om hoogdoorlaatbare vormgeving van kwantiseringsruis te bereiken. Voor MASH1-1-1 is de overdrachtsfunctie:

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)

Deze structuur duwt het foutsignaal e3(z)e_3(z)e3(z) naar hogere frequenties, wat resulteert in een schoner uitgangsspectrum bij lagere frequenties. Bovendien heeft het een breder bereik van het outputcontrolewoord (bijvoorbeeld van -7 tot 7), waardoor de verdelingsverhouding willekeurig tussen meerdere waarden kan springen, waardoor de ongewenste energie verder wordt verspreid en de in-band faseruis en ongewenste prestaties aanzienlijk worden verbeterd.

3. Prestatiesimulatie en vergelijkende analyse

Voor typische GNSS-systeemscenario's met GPS L1- en BD-2 B1-frequenties, met een tussenfrequentie van 3,996 MHz en een referentiefrequentie van 16,368 MHz, werden de twee structuren gesimuleerd met ADS. De resultaten tonen aan:

De accumulatorstructuur heeft aanzienlijke ongewenste pieken in het 0-2 MHz-bereik, wat de PLL-prestaties in de band beïnvloedt.

De MASH1-1-1 structuur duwt, door middel van noise shaping, ongewenste energie naar hogere frequenties (bijv. >2 MHz), waardoor de onderdrukking van ongewenste energie in het kritische laagfrequente bereik aanzienlijk wordt verbeterd.

Aangezien de bandbreedte van de PLL-lus typisch 1/10e is van de referentiefrequentie (ongeveer 1,6 MHz), kunnen hoogfrequente storingen effectief worden gefilterd door het lusfilter. Daarom is de MASH structuur beter geschikt voor GNSS RF chips met hoge precisie in frequentiesynthesizers.

4. Ontwikkelingstrends van Fractional Frequency Division-technologie in RF-chips

Naarmate navigatiesystemen zich ontwikkelen in de richting van multimodus (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS), multifrequentie en hoge-precisietoepassingen, worden er steeds hogere eisen gesteld aan de prestaties van frequentiesynthesizers in RF-chips. De toekomstige ontwikkeling van technologie voor fractionele frequentiedeling zal zich richten op:

Δ-Σ modulatoren van hoge orde: Verdere verbetering van de ruisonderdrukkingsefficiëntie en vermindering van faseruis in de band.

Volledig digitale PLL (ADPLL) integratie: Flexibelere modulatorstructuren en kalibratiemechanismen in RF-chips.

Ontwerp tegen procesfluctuaties: Zorgen voor consistente modulatorprestaties onder nanometerprocessen.

Snel schakelen met meerdere frequenties: Ondersteunt dynamische verdeelverhouding configuraties om te voldoen aan cognitieve navigatie en anti-jamming eisen.

5. Conclusie

Fractionele frequentiedelingstechnologie is een belangrijke schakel in het verbeteren van de spectrumprestaties en systeemintegratie van RF-chips. Hoewel de accumulatorstructuur eenvoudig en gemakkelijk te gebruiken is, zijn de storingsprestaties beperkt. De MASH1-1-1 Δ-Σ structuur daarentegen, met zijn uitstekende ruisvormende eigenschappen, is meer geschikt voor frequentiesynthesizers in krachtige GNSS RF-chips. Met de vooruitgang in technologie en algoritmeoptimalisatie zal de technologie van de fractionele frequentiedeling RF-chips blijven sturen in de richting van een lager energieverbruik, een hogere precisie en sterkere anti-jamming capaciteiten, wat een solide ondersteuning biedt voor de volgende generatie navigatie- en communicatiesystemen.