Радиочастотные микросхемы, являясь ключевым компонентом современных беспроводных систем связи и навигации, напрямую влияют на точность, стабильность и уровень интеграции всей системы. В радиочастотных интерфейсах ГНСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) синтезаторы частот являются ключевыми модулями, отвечающими за генерацию сигналов гетеродина, а технология дробного деления частоты необходима для достижения высокой точности синтеза частоты и низкого уровня паразитных помех. В данной статье рассматривается проблема дробного деления частоты в радиочастотных микросхемах, анализируются две основные структуры модуляторов и изучаются преимущества их применения и перспективы развития в многорежимных навигационных системах.

1. Предыстория создания радиочастотных чипов и технологии дробного разделения частот

В приемниках ГНСС радиочастотные микросхемы усиливают, фильтруют и преобразуют с понижением частоты слабые спутниковые сигналы, принимаемые антенной. Сигнал гетеродина, необходимый для преобразования с понижением частоты, генерируется синтезатором частоты с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), где выходная частота fof_ofo и опорная частота freff_{ref}fref удовлетворяют следующим условиям:

fo=NF×freff_o = NF \times f_{ref}fo​=NF×fref​

где N.FN.FN.F — общий коэффициент деления, обычно нецелое число. Традиционное целочисленное деление частоты не может удовлетворить потребности многочастотных и высокоточных гетеродинов, что привело к появлению технологии дробного деления частоты. Однако дробное деление частоты приводит к появлению «дробных паразитных составляющих», и если эти паразитные частоты попадают в полосу пропускания контура, их невозможно отфильтровать, что серьёзно влияет на чистоту выходного спектра ВЧ-микросхемы и производительность системы.

2. Две типичные структуры модуляторов с дробным частотным разделением

Модулятор структуры аккумулятора

Структура аккумулятора – один из первых широко используемых методов дробного деления частоты. Благодаря каскадному соединению многокаскадных аккумуляторов коэффициент деления может переключаться между NNN и N+1N+1N+1, достигая статистического усреднения дробного деления частоты. Эта структура проста и легко реализуема, но генерирует концентрированные низкочастотные паразитные сигналы, что ограничивает её применение в высокопроизводительных СВЧ-микросхемах из-за более высокой мощности паразитных сигналов.

MASH1-1-1 Δ-Σ структурный модулятор

Структура MASH (Multi-stage Noise Shaping) использует несколько Δ-Σ-модуляторов первого порядка, соединенных каскадом, для достижения высокочастотного формирования шума квантования. Для MASH1-1-1 её передаточная функция имеет вид:

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)

Эта структура сдвигает сигнал ошибки e3(z)e_3(z)e3​(z) в область более высоких частот, что приводит к более чистому выходному спектру на более низких частотах. Более того, она имеет более широкий диапазон выходного управляющего слова (например, от -7 до 7), что позволяет коэффициенту деления случайным образом переключаться между несколькими значениями, что дополнительно рассеивает паразитную энергию и значительно улучшает внутриполосный фазовый шум и характеристики паразитных составляющих.

3. Моделирование производительности и сравнительный анализ

Для типичных сценариев работы системы ГНСС с частотами GPS L1 и BD-2 B1, с использованием промежуточной частоты 3,996 МГц и опорной частоты 16,368 МГц, обе структуры были смоделированы с помощью ADS. Результаты показывают:

Структура аккумулятора имеет значительные паразитные пики в диапазоне 0–2 МГц, влияющие на внутриполосные характеристики ФАПЧ.

Структура MASH1-1-1 посредством формирования шума перемещает паразитную энергию на более высокие частоты (например, >2 МГц), значительно улучшая подавление паразитных излучений в критическом низкочастотном диапазоне.

Поскольку полоса пропускания контура ФАПЧ обычно составляет 1/10 опорной частоты (около 1,6 МГц), высокочастотные паразитные сигналы могут быть эффективно отфильтрованы петлевым фильтром. Поэтому структура MASH лучше подходит для высокоточных радиочастотных микросхем ГНСС в синтезаторах частот.

4. Тенденции развития технологии дробного деления частоты в СВЧ-микросхемах

По мере развития навигационных систем в сторону многорежимности (BeiDou/GPS/Galileo/ГЛОНАСС), многочастотности и высокой точности требования к производительности синтезаторов частот в радиочастотных микросхемах постоянно растут. Дальнейшее развитие технологии дробного деления частоты будет сосредоточено на:

Δ-Σ-модуляторы высокого порядка: Дальнейшее повышение эффективности формирования шума и снижение внутриполосного фазового шума.

Полностью цифровая интеграция ФАПЧ (ADPLL): Достижение более гибких структур модуляторов и механизмов калибровки в радиочастотных микросхемах.

Конструкция, препятствующая колебаниям процесса: Обеспечение постоянства характеристик модулятора при нанометровых процессах.

Многочастотное быстрое переключение: Поддержка динамических конфигураций коэффициента деления для удовлетворения требований когнитивной навигации и защиты от помех.

5. Заключение

Технология дробного деления частоты является ключевым звеном в улучшении спектральных характеристик и системной интеграции радиочастотных микросхем. Несмотря на простоту и удобство использования, структура накопителя ограничена. В отличие от неё, структура MASH1-1-1 Δ-Σ с её превосходными возможностями формирования шума больше подходит для синтезаторов частот в высокопроизводительных радиочастотных микросхемах ГНСС. Благодаря развитию технологий и оптимизации алгоритмов, технология дробного деления частоты будет и дальше способствовать снижению энергопотребления радиочастотных микросхем, повышению точности и улучшению помехоустойчивости, обеспечивая надёжную поддержку для систем навигации и связи следующего поколения.