Các chip RF, với tư cách là thành phần cốt lõi của các hệ thống truyền thông và định vị không dây hiện đại, có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, độ ổn định và mức độ tích hợp của toàn bộ hệ thống. Trong các mạch tiền xử lý RF của hệ thống GNSS (Hệ thống Định vị Vệ tinh Toàn cầu), bộ tổng hợp tần số là các mô-đun quan trọng chịu trách nhiệm tạo ra tín hiệu dao động cục bộ, và công nghệ chia tần số phân số là yếu tố thiết yếu để đạt được tổng hợp tần số có độ chính xác cao và ít nhiễu. Bài báo này tập trung vào vấn đề chia tần số phân số trong chip RF, phân tích hai cấu trúc bộ điều chế chính và khám phá những lợi thế ứng dụng cũng như triển vọng phát triển của chúng trong các hệ thống định vị đa chế độ.

1. Bối cảnh về chip RF và công nghệ phân chia tần số theo phần

Trong các bộ thu GNSS, các chip RF có chức năng khuếch đại, lọc và chuyển đổi tần số xuống các tín hiệu vệ tinh yếu thu được từ ăng-ten. Tín hiệu dao động cục bộ cần thiết cho quá trình chuyển đổi tần số xuống được tạo ra bởi bộ tổng hợp tần số vòng lặp khóa pha (PLL), trong đó tần số đầu ra fof_ofo​ và tần số tham chiếu freff_{ref}fref​ thỏa mãn:

fo = N.F × f_{ref} fo = N.F × f_{ref}

trong đó N.FN.FN.F là tỷ số chia tần số tổng, thường là số thập phân. Phương pháp chia tần số nguyên truyền thống không thể đáp ứng nhu cầu của các bộ dao động cục bộ đa tần số và có độ chính xác cao, dẫn đến sự ra đời của công nghệ chia tần số thập phân. Tuy nhiên, công nghệ chia tần số thập phân gây ra “tần số nhiễu thập phân”, và nếu các tần số nhiễu này nằm trong dải băng thông vòng lặp, chúng không thể bị lọc bỏ, từ đó ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tinh khiết phổ đầu ra của chip RF và hiệu suất hệ thống.

2. Hai cấu trúc điển hình của bộ điều chế phân chia tần số phân đoạn

Bộ điều biến cấu trúc bộ tích lũy

Cấu trúc bộ tích lũy là một phương pháp được sử dụng phổ biến từ sớm trong kỹ thuật chia tần số phân đoạn. Bằng cách ghép nối các bộ tích lũy nhiều tầng, tỷ lệ chia tần số có thể chuyển đổi giữa NNN và N+1N+1N+1, từ đó đạt được kỹ thuật chia tần số phân đoạn dựa trên trung bình thống kê. Cấu trúc này đơn giản và dễ triển khai, nhưng lại tạo ra nhiễu tần số thấp tập trung, điều này hạn chế việc ứng dụng nó trong các chip RF cao cấp do công suất nhiễu cao hơn.

Chất điều biến cấu trúc MASH1-1-1 Δ-Σ

Cấu trúc MASH (Multi-stage Noise SHaping) sử dụng nhiều bộ điều chế Δ-Σ bậc nhất được nối tiếp để thực hiện việc định hình dải cao của nhiễu lượng tử. Đối với MASH1-1-1, hàm truyền của nó là:

y(z) = z^{-3} \cdot x(z) + (1 – z^{-3}) \cdot e_3(z)(z)

Cấu trúc này đẩy tín hiệu lỗi e3(z) lên các tần số cao hơn, dẫn đến phổ đầu ra ở các tần số thấp hơn trở nên sạch hơn. Hơn nữa, nó có dải giá trị điều khiển đầu ra rộng hơn (ví dụ: từ -7 đến 7), cho phép tỷ lệ chia tần số nhảy ngẫu nhiên giữa nhiều giá trị, từ đó phân tán năng lượng nhiễu tốt hơn và cải thiện đáng kể độ ồn pha trong dải tần cũng như hiệu suất chống nhiễu.

3. Mô phỏng hiệu suất và phân tích so sánh

Đối với các tình huống điển hình của hệ thống GNSS sử dụng tần số GPS L1 và BD-2 B1, với tần số trung gian là 3,996 MHz và tần số tham chiếu là 16,368 MHz, hai cấu trúc này đã được mô phỏng bằng phần mềm ADS. Kết quả cho thấy:

Cấu trúc bộ tích lũy có các đỉnh nhiễu đáng kể trong dải tần 0–2 MHz, ảnh hưởng đến hiệu suất trong dải tần của mạch khóa pha (PLL).

Cấu trúc MASH1-1-1, thông qua kỹ thuật định hình nhiễu, đẩy năng lượng nhiễu sang các tần số cao hơn (ví dụ: >2 MHz), từ đó cải thiện đáng kể khả năng triệt tiêu nhiễu trong dải tần số thấp quan trọng.

Do băng thông vòng lặp PLL thường bằng 1/10 tần số tham chiếu (khoảng 1,6 MHz), nên các tín hiệu nhiễu tần số cao có thể được bộ lọc vòng lặp loại bỏ hiệu quả. Do đó, cấu trúc MASH phù hợp hơn cho các chip RF GNSS có độ chính xác cao trong bộ tổng hợp tần số.

4. Xu hướng phát triển của công nghệ phân chia tần số theo phần trong chip RF

Khi các hệ thống định vị ngày càng phát triển theo hướng đa chế độ (BeiDou/GPS/Galileo/GLONASS), đa tần số và các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, yêu cầu về hiệu suất của bộ tổng hợp tần số trong các chip RF cũng ngày càng khắt khe hơn. Sự phát triển trong tương lai của công nghệ phân chia tần số theo tỷ lệ sẽ tập trung vào:

Bộ điều chế Δ-Σ bậc cao: Tiếp tục nâng cao hiệu quả định hình nhiễu và giảm nhiễu pha trong dải tần.

Tích hợp mạch PLL hoàn toàn kỹ thuật số (ADPLL): Tạo ra các cấu trúc bộ điều chế và cơ chế hiệu chuẩn linh hoạt hơn trong các chip RF.

Thiết kế chống dao động quá trình: Đảm bảo tính ổn định về hiệu suất của bộ điều chế trong các quy trình công nghệ nano.

Chuyển đổi nhanh đa tần số: Hỗ trợ cấu hình tỷ lệ phân chia động để đáp ứng các yêu cầu về điều hướng nhận thức và chống nhiễu.

5. Kết luận

Công nghệ chia tần số phân số là một mắt xích quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất phổ tần và khả năng tích hợp hệ thống của các chip RF. Mặc dù cấu trúc bộ tích lũy có thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, nhưng hiệu suất khử nhiễu của nó lại có giới hạn. Ngược lại, cấu trúc MASH1-1-1 Δ-Σ, với khả năng định hình nhiễu xuất sắc, phù hợp hơn cho các bộ tổng hợp tần số trong các chip RF GNSS hiệu suất cao. Với những tiến bộ về công nghệ và tối ưu hóa thuật toán, công nghệ phân chia tần số phân số sẽ tiếp tục thúc đẩy các chip RF hướng tới mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, độ chính xác cao hơn và khả năng chống nhiễu mạnh mẽ hơn, cung cấp nền tảng vững chắc cho các hệ thống định vị và truyền thông thế hệ tiếp theo.