ชิป RF ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของระบบสื่อสารไร้สายและระบบนำทางสมัยใหม่ มีอิทธิพลโดยตรงต่อความแม่นยำ ความเสถียร และระดับการผสานรวมของระบบทั้งหมดในระบบ GNSS (ระบบดาวเทียมนำทางทั่วโลก) ส่วนหน้า RF (RF frontends) ตัวสังเคราะห์ความถี่ (frequency synthesizers) เป็นโมดูลหลักที่รับผิดชอบในการสร้างสัญญาณออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น (local oscillator signals) และเทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วน (fractional frequency division technology) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้การสังเคราะห์ความถี่ที่มีความแม่นยำสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำ (high-precision and low spurious frequency synthesis) บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ปัญหาการแบ่งความถี่แบบเศษส่วนในชิป RF โดยวิเคราะห์โครงสร้างมอดูเลเตอร์สองแบบที่เป็นที่นิยม และสำรวจข้อได้เปรียบในการใช้งานและแนวโน้มการพัฒนาของมันในระบบนำทางหลายโหมด.

1. ภูมิหลังของชิป RF และเทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วน

ในเครื่องรับสัญญาณ GNSS ชิป RF จะขยายสัญญาณ กรองสัญญาณ และแปลงสัญญาณจากคลื่นความถี่สูง (down-convert) ของสัญญาณดาวเทียมที่อ่อนแอซึ่งได้รับจากเสาอากาศ สัญญาณออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นที่จำเป็นสำหรับการแปลงสัญญาณลงจะถูกสร้างขึ้นโดยวงจรสังเคราะห์ความถี่แบบวงปิดล็อกเฟส (Phase-locked loop: PLL) ซึ่งความถี่ขาออก fof_ofo​ และความถี่อ้างอิง freff_{ref}fref​ จะต้องเป็นไปตามสมการ:

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

N.FN.FN.F คืออัตราส่วนการแบ่งทั้งหมด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นจำนวนที่ไม่เป็นจำนวนเต็ม การแบ่งความถี่แบบจำนวนเต็มแบบดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองความต้องการของออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นที่มีความถี่หลายระดับและความแม่นยำสูงได้ นำไปสู่การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วน อย่างไรก็ตาม การแบ่งความถี่แบบเศษส่วนจะก่อให้เกิด “สัญญาณรบกวนแบบเศษส่วน” และหากความถี่รบกวนเหล่านี้อยู่ภายในแบนด์วิดท์ของวงจรลูป จะไม่สามารถกรองออกได้ ส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมเอาต์พุตของชิป RF และประสิทธิภาพของระบบอย่างรุนแรง.

2. โครงสร้างทั่วไปสองแบบของตัวแปลงความถี่แบบแบ่งส่วน

ตัวปรับโครงสร้างสะสม

โครงสร้างอะคิวมูเลเตอร์เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปในระยะแรกสำหรับการแบ่งความถี่แบบเศษส่วน โดยการเชื่อมต่ออะคิวมูเลเตอร์หลายขั้นตอนเข้าด้วยกัน สามารถสลับอัตราส่วนการแบ่งระหว่าง NNN และ N+1N+1N+1 ได้ ทำให้เกิดการแบ่งความถี่แบบเศษส่วนเฉลี่ยทางสถิติ โครงสร้างนี้มีความเรียบง่ายและง่ายต่อการนำไปใช้งาน แต่จะสร้างสัญญาณรบกวนความถี่ต่ำที่เข้มข้น ซึ่งจำกัดการใช้งานในชิป RF ระดับสูงเนื่องจากมีกำลังสัญญาณรบกวนสูง.

MASH1-1-1 Δ-Σ โครงสร้างตัวปรับ

โครงสร้าง MASH (Multi-stage Noise SHaping) ใช้ตัวปรับมอดูเลเตอร์ลำดับแรกหลายตัวในลำดับขั้นเพื่อสร้างการปรับรูปสัญญาณเสียงรบกวนแบบควอนไทซ์ให้เป็นแบบผ่านสูง สำหรับ MASH1-1-1 ฟังก์ชันการถ่ายโอนของมันคือ:

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)

โครงสร้างนี้ผลักสัญญาณข้อผิดพลาด e3(z)e_3(z)e3​(z) ไปยังความถี่ที่สูงขึ้น ส่งผลให้มีสเปกตรัมเอาต์พุตที่สะอาดขึ้นที่ความถี่ต่ำ นอกจากนี้ยังมีช่วงคำควบคุมเอาต์พุตที่กว้างขึ้น (เช่น จาก -7 ถึง 7) ทำให้อัตราส่วนการแบ่งสามารถกระโดดระหว่างค่าหลายค่าได้อย่างสุ่ม ช่วยกระจายพลังงานที่ไม่พึงประสงค์และปรับปรุงเสียงรบกวนเฟสในแถบความถี่และประสิทธิภาพของสัญญาณที่ไม่พึงประสงค์ได้อย่างมีนัยสำคัญ.

3. การจำลองประสิทธิภาพและการวิเคราะห์เปรียบเทียบ

สำหรับสถานการณ์ระบบ GNSS ทั่วไปที่ใช้ความถี่ GPS L1 และ BD-2 B1 โดยใช้ความถี่กลางที่ 3.996 MHz และความถี่อ้างอิงที่ 16.368 MHz โครงสร้างทั้งสองถูกจำลองโดยใช้ ADS ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า:

โครงสร้างแอคคูมิเลเตอร์มียอดสัญญาณรบกวนเทียมที่สำคัญในช่วง 0-2 MHz ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานภายในย่านความถี่ของ PLL.

โครงสร้าง MASH1-1-1 โดยการใช้การปรับรูปแบบสัญญาณรบกวน จะผลักพลังงานปลอมไปยังความถี่ที่สูงขึ้น (เช่น >2 MHz) ซึ่งช่วยปรับปรุงการกดสัญญาณรบกวนปลอมในช่วงความถี่ต่ำที่สำคัญได้อย่างมีนัยสำคัญ.

เนื่องจากแบนด์วิดท์ของวงจร PLL มักจะอยู่ที่ 1/10 ของความถี่อ้างอิง (ประมาณ 1.6 MHz) สัญญาณรบกวนความถี่สูงสามารถถูกกรองได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยตัวกรองวงจรลูป ดังนั้น โครงสร้าง MASH จึงเหมาะสมกว่าสำหรับชิป RF GNSS ความแม่นยำสูงในเครื่องสังเคราะห์ความถี่.

4. แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วนในชิป RF

เมื่อระบบนำทางพัฒนาไปสู่การใช้งานแบบหลายโหมด (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS) หลายความถี่ และมีความแม่นยำสูง ประสิทธิภาพของเครื่องสังเคราะห์ความถี่ในชิป RF จึงมีความต้องการมากขึ้น การพัฒนาเทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วนในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่:

ตัวแปลงสัญญาณ Δ-Σ ระดับสูง: เพิ่มประสิทธิภาพการปรับรูปคลื่นเสียงรบกวนและลดเสียงรบกวนเฟสภายในย่านความถี่.

การผสานรวม PLL ดิจิทัลเต็มรูปแบบ (ADPLL): การบรรลุโครงสร้างตัวปรับความถี่ที่ยืดหยุ่นมากขึ้นและกลไกการปรับเทียบในชิป RF.

การออกแบบเพื่อลดความผันผวนของกระบวนการ: การรับประกันความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพตัวปรับภายใต้กระบวนการระดับนาโนเมตร.

การสลับความถี่หลายระดับอย่างรวดเร็ว: รองรับการกำหนดค่าอัตราส่วนการแบ่งแบบไดนามิกเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการนำทางเชิงการรับรู้และการต่อต้านการรบกวนสัญญาณ.

5. สรุป

เทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วนเป็นจุดเชื่อมโยงสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพสเปกตรัมและการบูรณาการระบบของชิป RF แม้ว่าโครงสร้างตัวสะสมจะเรียบง่ายและใช้งานได้สะดวก แต่ประสิทธิภาพด้านสัญญาณรบกวนของมันยังมีข้อจำกัดในทางตรงกันข้าม โครงสร้าง MASH1-1-1 Δ-Σ ซึ่งมีความสามารถในการปรับรูปแบบสัญญาณรบกวนได้อย่างยอดเยี่ยม เหมาะสมกว่าสำหรับเครื่องสังเคราะห์ความถี่ในชิป GNSS RF ประสิทธิภาพสูง ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการปรับแต่งอัลกอริทึม เทคโนโลยีการแบ่งความถี่แบบเศษส่วนจะยังคงผลักดันชิป RF ให้มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่ต่ำลง ความแม่นยำสูงขึ้น และความสามารถในการต้านการรบกวนที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ซึ่งเป็นการสนับสนุนที่มั่นคงสำหรับระบบนำทางและการสื่อสารรุ่นต่อไป.