Page 41 - bilgem-teknoloji-dergisi-6

Hüseyin ANIKTAR Genişband Frekans Sentezletici Yapıları

Frekans sentezleyicilerinin ana işlevi bir spektrumuna düşmektedirler. Bu da (voltage controlled oscillator) tabanlı PLL Bu aşamada eniyilemenin yapılması gerekmektedir. VCO en fazla 1.5GHz, pratik olarak da en fazla 1.2GHz çıkış frekansı
veya birden fazla referans işaretini almacın istenilen işareti seçebilme, (phase locked loop) yapıları, YIG (Yttrium tabanlı sentezleyiciler hem maliyet olarak hem de boyut olarak elde edilebilmektedir. Daha yüksek çıkış frekanslarına ulaşmak
(genellikle 10MHz), belirli adım yakalayabilme yeteneğini kısıtlamaktadır. Iron Garnet) tabanlı PLL yapıları ve DDS uygundurlar. VCO tabanlı PLL yapıları, frekans çözünürlüğü ve daha geniş band elde etmek için kullanılacak olan karıştırıcı
aralıklarında istenen çıkış frekanslarına Bu anlamda iyi bir almaç için LO (direct digital synthesizer) tabanlı kHz seviyesinde, milisaniye hızlarında ve ortalama bir faz veya frekans çarpıcıları çok güzel olan faz gürültüsünü biraz
dönüştürmektir. Tek ton frekans çıkışı veya kaynağının süpür seviyelerinin - yapılardır. gürültüsü performansı gerektiren uygulamalar için çok iyidirler. kötüleştirse de çok iyi bir faz gürültüsü elde etmek olasıdır.
dar bantlı LO (lokal osilatör) işaretleri 60dBc’lerde olması beklenmektedir. Şekil 1’de VCO tabanlı klasik bir PLL yapısı görülmektedir.
çoğu elektronik uygulaması için yeterli Frekans sentezleyicilerinin veya LO VCO tabanlı PLL yapılarında kullanılan Yazılım tabanlı telsiz projesi kapsamında DDS tabanlı 50MHz-
olmakla beraber artık modern geniş bantlı kaynaklarının harmonik seviyelerinin ana referans işaretindeki faz gürültüsünün çok Referans Faz PLL filtresi Çıkış 3100MHz frekans aralığında geniş bandlı, Hz çözünürlüklü,
sayısal haberleşme sistemleri için yeterli işaretten genellikle 20 – 30dBc aşağıda iyi olması tüm sistemin faz gürültüsünün osilatörü dedektörü VCO frekansı 70us hızında, iyi bir faz gürültüsüne sahip bir frekans sentezleyici
olmamaktadırlar. Gelişmiş modern olması yeterli olabilmektedir. iyi olması için birincil şarttır. Bu nedenle (FSM3000A) gerçekleştirilmiştir. Bu sentezleyicinin detayları
haberleşme sistemleri için daha geniş Harmoniklerin bulundukları yerlerin genellikle referans olarak OCXO (‘oven bir sonraki bölümde verilmiştir.
bantlı (birkaç oktav) ve düşük çözünürlüklü belirli olması ve ana işaretten belirli controlled crystal oscillator’) kullanılır. DDS Tabanlı Sentezleyiciler
(1Hz’den küçük adım aralığı olan) LO uzaklıkta olmaları nedeniyle kolaylıkla Uzak alanda (100kHz ofsetten sonra) VCO ÷N
gereksinimi duyulmaktadır. süzülebilmektedirler. Almaçların, istenilen faz gürültüsü daha baskındır. Bu bölgede DDS (Direct Digital Synthesizer) tabanlı sentezleyiciler, duyarlı
Yapılandırılabilir (reconfigurable radio) işareti seçebilme veya yakalayabilme VCO’nun faz gürültüsünün iyi olması Şekil 1. Klasik VCO tabanlı PLL blok diyagramı. ve yüksek frekanslı bir referans saat işaretinin, sayısal-analog
veya yazılım tabanlı telsiz (software defined (sensitivity) yeteneklerini sınırlayan en önemlidir. Yakın alanda (<100kHz) ise çeviricilerden (DAC) geçirilmesi yöntemiyle analog dalga şekli
radio) uygulamaları geniş bantlı LO önemli ve duyarlı parametrelerden biri referansın faz gürültüsü baskındır. YIG tabanlı PLL mimarisi, VCO tabanlı yapılardan farklı üreten yapılardır. Bu analog dalga şekilleri çoğunlukla sinüs
gereksinimlerinin duyulduğu modern de faz gürültüsüdür. Faz gürültüsü Dolayısıyla kullanılacak referansın iyi bir olarak akım kontrollüdür. YIG tabanlı PLL yapıları ile çok olmakla beraber, üçgen ya da kare dalga şekli de olabilir [3].
haberleşme sistemlerinden bazılarıdır. genellikle, 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz faz gürültüsüne sahip olması önemlidir. geniş band ve çok iyi faz gürültü başarımı elde edilebilir.
ve 1MHz ofsetlerde belirlenen değerlerdir. Bunların dışında faz detektörünün faz DDS tabanlı sentezleyicilerin ana üstünlükleri; çok düşük
Frekans sentezleyicilerinin (veya LO) Bir frekans sentezleyici için 100kHz’de - gürültüsü ile N (VCO frekans bölücü) ve Özellikle mikrodalga frekanslarında (>3GHz) geniş uygulama çözünürlüklü frekans üretebilmeleri (<1Hz), çok hızlı frekans
tasarım ve başarım kıstaslarını belirleyen 120dBc/Hz’lik bir faz gürültüsü iyi bir R (referans frekans bölücü) bölme oranları alanı bulmaktadırlar. Test ve laboratuar cihazlarında yaygın ya da faz atlama yeteneklerinin olması ve de en önemlisi çok
temel parametreler, sentezleyicinin band değer sayılabilir. Diğer ofset da faz gürültüsüne önemli katkıda olarak kullanılmaktadır. Çok fazla ısındığı için sıcaklık kontrolü temiz faz gürültüsüne sahip oluşlarıdır [4]. En önemli zayıflıkları
genişliği, frekans çözünürlüğü, frekans frekanslarındaki faz gürültü değerleri de bulunurlar. Frekans çözünürlüğü (adım ve mekanik titreşimlerden izole olması gerekmektedir (frekansın ise istenmeyen harmoniklerin (spurious) frekans bandında yer
atlama hızı (kitlenme süresi), faz gürültüsü, kabul edilebilir seviyelerde olmalıdırlar. aralığı) ne kadar küçük ise N değeri de o kaymaması için). YIG tabanlı PLL yapılarının en büyük almasıdır. Bu istenmeyen harmoniklerin bastırılması, DDS
süpür (spurious) ve harmonik seviyeleri, Frekans atlamalı telsiz veya hızlı spektrum kadar büyük ve faz gürültüsü de 20log(N) zayıflıkları YIG’lerin pahalı olması, fazla yer kaplaması, iyi bir tabanlı sentezleyici tasarımındaki en önemli ve en zor aşamadır.
çıkış güç seviyesi, boyut ve maliyet olarak tarama gibi uygulamalarda bir frekans kadar daha kötüdür. Bu nedenle VCO soğutucu ve sıcaklık kontrol devresi gerektirmesi ve de çok Ancak bu zayıflıklarına karşın DDS tabanlı sentezleyiciler PLL
sıralanabilir. Bu parametrelerin bazıları sentezleyiciden beklenen en önemli tabanlı PLL yapılarında en fazla kHz fazla güç tüketmesidir. Boyut, maliyet ve güç tüketimi nedeniyle tabanlı sentezleyicilerin yerini hızla almakta ve daha da popüler
arasında ters orantı (trade-off) vardır. Bazı parametrelerden bir diğeri de kitlenme çözünürlüklere ulaşılabilmektedir. Bu genellikle test cihazlarında kullanılmakta, bunun dışında olmaktadır. DDS tabanlı sentezleyicilerin önüne açacak ve
parametrelerde iyileştirme sağlanırken süresi yani bir frekanstan başka bir frekansa çözünürlüklere ulaşmak içinde genellikle gerektiğinde başka uygulamalarda da kullanılmaktadırlar. açmakta olan en önemli teknoloji ise ayarlanabilir süzgeç
diğerlerinde bozulma olmakta bu da atlama hızıdır. Orta ayarda bir frekans tek PLL yapısı yeterli olmayıp iç içe birden Hem 1Hz’den küçük çözünürlüklü, hem hızlı, hem çok iyi (‘tunable filter’) teknolojisidir.
tasarımı zorlaştırmaktadır. Frekans sentezleyici için kitlenme süresi birkaç fazla PLL döngüsünün kurulması faz gürültüsüne sahip, boyut, maliyet ve güç tüketimi bakımından
sentezleyicisinin kullanılacağı uygulamanın milisaniyedir. Hızlı bir frekans sentezleyici gerekmekte bu da karmaşıklığı da uygun olabilecek umut veren bir mimari, DDS tabanlı Şekil 2’de DDS’in ana blok diyagramı gösterilmiştir.
ekstra önem gerektirdiği parametrelerde için kitlenme süresi birkaç yüz arttırmaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi sentezleyicilerdir. Var olan teknoloji ile en fazla 3GHz saat Çoğunlukla sayısal ortamda gerçekleşen işlemler bir sayısal-
iyileştirme sağlanırken diğerlerinde mikrosaniyedir. Teknolojik eğilim bu hızı VCO faz gürültüsünü kontrol etmenin en frekansına sahip DDS’ler teknoloji pazarında boy analog çeviricinin yardımıyla analog dünyaya açılmaktadır.
kötüleşmeye göz yumulabilir. Bu da bir mikrosaniyelerin de altına indirerek önemli yöntemi iyi bir referans (OCXO) göstermektedirler. Böyle bir DDS çekirdeği ile teorik olarak
tasarımın eniyilemesini gerektirmektedir. kullanmaktır. PLL için belirlenen kesim
nanosaniyelere çekmektir. Frekans
Frekans sentezleyicilerinin dar bantlı sentezleyicilerinden beklenen bir diğer frekansı (loop BW) faz gürültüsünü ve
kitlenme hızını belirleyen en önemli
olmaları, literatüre göre, en çok %20’lik özellik de adım aralığı yani frekans parametredir. Kesim frekansı ne kadar
bir band genişliğine sahip olmaları çözünürlüğüdür. Bugünkü teknoloji ile geniş olursa VCO gürültüsü daha fazla
anlamına gelmektedir [1, 2]. %20’lik 1Hz’den küçük çözünürlüklü frekans bandın içerisine girecek ve sistemin faz saat saat
banddan daha geniş banda sahip olanlar, sentezleyicileri gerçekleştirmek artık gürültüsü kötüleşecektir. Ancak bu Frekans bilgisi (clock) (clock)
geniş bandlı frekans sentezleyici olarak olasıdır. Son olarak, frekans durumda PLL daha hızlı kitlenecektir. (tuning word)
Değer tablosu
adlandırılabilir. Frekans sentezleyicilerinin sentezleyicilerini gerçekleştirirken, maliyet, Kesim frekansını düşürdüğümüzde bandın Faz akümülatörü (look-up table) DAC LPF
(phase accumulator)
genel kullanım alanı almaç (receiver) boyut ve güç tüketimi de göz önünde içerisine giren VCO gürültüsü azalacak,
yapılarında LO kaynağı olarak bulundurulması gereken önemli referansın ve faz detektörünün faz
kullanılmalarıdır. LO’lar karıştırıcı (mixer) parametrelerdir. gürültüsü daha baskın olacaktır. Bu
sürdüklerinden çıkış güçlerinin çoğunlukla Frekans sentezleyicilerini gerçekleştirmek durumda frekans sentezöründen daha iyi
+10dBm ile +17dBm arasında değişen için çok çeşitli mimariler kullanılabilir. bir faz gürültü performansı elde edilecek
bir seviyede olması gerekmektedir. LO Genellikle kullanılan mimariler VCO ancak frekans kitlenme hızı yavaşlayacaktır.
kaynaklarındaki süpürler doğrudan almaç Şekil 2. DDS ana blok diyagramı.

38 Sayı 06 Mayıs-Ağustos 2011 http://www.bilgem.tubitak.gov.tr/ 39
·