3.1 Nghiên cứu công nghệ tổ hợp tần số
3.1.1. Kỹ thuật tổ hợp tần số PLL
Bộ tạo dao động siêu cao tần chiếm một vai trò rất căn bản trong các hệ thống thơng tin vì có khả năng tạo ra các sóng tham chiếu sử dụng trong việc điều chế và giải điều chế [21,22]. Trong các hệ thống nhƣ vậy, tính chính xác và ổn định của các bộ tạo dao động luôn phải đƣợc quan tâm nhằm đảm bảo chất lƣợng của hệ thống.
Cho đến nay đã có nhiều phƣơng pháp để tăng tính ổn định của bộ tạo dao động, trong đó đáng chú ý là kỹ thuật vòng bám pha PLL và kỹ thuật tổng hợp số trực tiếp DDS (Direct Digital Synthesis). Mỗi kỹ thuật đều có những điểm mạnh và yếu riêng. Kỹ thuật DDS là một hệ thống hở, sử dụng máy tính số và các bộ DAC
(Digital to Analog Converter) để tạo ra các tín hiệu mong muốn. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số trực tiếp. Kỹ thuật này có ƣu điểm nổi bật là thời gian thiết lập tần số rất nhanh, độ phân giải tần số rất nhỏ. Tuy nhiên, nhƣợc điểm là tiêu thụ nhiều năng lƣợng và chỉ thích hợp với dải tần cỡ vài trăm MHz. Trong khi đó, kỹ thuật PLL lại sử dụng hệ thống hồi tiếp kín, trong đó độ ổn định của hồi tiếp là quan trọng nhất. Đây là kỹ thuật tổng hợp tần số gián tiếp song lại có ƣu điểm là tiêu thụ rất ít năng lƣợng và rất thích hợp với dải tần siêu cao có tần số từ 300MHz đến 3GHz.
Dƣới đây phân tích một số vấn đề cốt lõi trong kỹ thuật tổ hợp tần số PLL.
3.1.1.1 Mạch vòng bám pha
Vào khoảng năm 1965, ngƣời ta đã tạo ra những vi mạch tích hợp PLL đầu tiên, chỉ sử dụng các thiết bị tƣơng tự. Những tiến bộ ngày nay trong sản xuất vi mạch tích hợp đã gia tăng việc sử dung các thiết bị PLL vì giá thành ngày càng rẻ và có độ tin cậy cao. Hiện nay PLL đã có thể đƣợc tích hợp tồn bộ trên một đơn chip.
Mạch vịng bám pha PLL cơ bản đƣợc trình bày trong sơ đồ chức năng hình 3.1, bao gồm những phần chính là bộ so sánh pha, bộ lọc thông thấp, máy phát tần số đƣợc điều khiển bằng điện áp VCO (Voltage Controlled Ossillator). Ba khối này hợp thành một hệ thống phản hồi về tần số khép kín.
Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha.
Lối vào so sánh Vo(t) Lối vào tín hiệu Vs(t) f s f 0 Vd(t) V e( t) V 0( t) V s ( t ) Điện áp điều khiển VCO Lọc tần số thấp (Low-pass filter VCO So sánh Pha (Phase comparato r Ve(t)
Khi khơng có tín hiệu vào PLL, sự chênh lệch điện áp Ve(t) ở lối ra của bộ so sánh pha bằng không. Điện áp Vd(t) ở lối ra của bộ lọc tần thấp cũng bằng không. Bộ dao động điều khiển bằng điện áp VCO hoạt động ở tần số định f0 gọi là tần số dao động trung tâm. Khi có tín hiệu đƣa vào hệ thống PLL, bộ so pha sẽ so pha và tần số của tín hiệu lối vào với pha và tần số của VCO và tạo ra một điện áp sai số Ve(t) tỉ lệ với sự lệch pha và chênh lệch tần số của tín hiệu lối vào và VCO, tức là phản ánh sự khác nhau về pha và tần số của 2 tín hiệu. Điện áp sai số này đƣợc lọc rồi đƣa vào lối vào điều khiển của VCO. Điện thế điều khiển Vd(t) thúc đẩy tần số của VCO thay đổi theo hƣớng giảm bớt sự khác nhau về tần số giữa tín hiệu f0 và tín hiệu lối vào. Khi tần số lối vào fs tiến dần đến tần số f0, do tính chất hồi tiếp của PLL sẽ thúc đẩy VCO đồng bộ hoặc bắt chập với tín hiệu lối vào. Sau khi chập, tần số VCO sẽ bằng tần số của tín hiệu lối vào, tuy nhiên vẫn có độ chênh lệch về pha nào đó. Sự chênh lệch về pha này là cần thiết để tạo ra điện áp sai Ve(t) để chuyển tần số dao động tự do của VCO thành tần số của tín hiệu vào fs, nhƣ vậy sẽ giữ cho PLL ở trạng thái giữ chập tần số. Kết quả là tần số của dao động VCO có độ ổn định tần số ngang cấp với độ ổn định tần số của tín hiệu so sánh pha với tần số VCO. Nhƣ vậy nếu sử dụng fs là dao động chuẩn thạch anh có độ ổn định tần số cao thì kết quả mạch vịng bám pha sẽ cho độ ổn định tần số của VCO ngang cấp thạch anh. Không phải tín hiệu nào VCO cũng bắt chập đƣợc. Dải tần số trên đó hệ duy trì tình trạng chập với tín hiệu lối vào đƣợc gọi là dải giữ chập hay giải bám (lock range) của hệ thống PLL. Dải tần số trên đó hệ thống PLL có thể bẳt chập một tín hiệu vào gọi là dải bắt chập (capture range). Dải bắt chập bao giờ cũng nhỏ hơn dải giữ chập.
Ta có thể dùng một cách khác để miêu tả hoạt động của PLL là bộ so sánh pha thực chất là mạch nhân và trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO. Sự trộn này tạo tần số tổng và tần số hiệu fs ± f0. Khi mạch ở trạng thái chập thì hiệu tần số fs – f0 = 0, do đó tạo ra thành phần một chiều. Bộ lọc tần số thấp loại bỏ thành phần tần số tổng fs + f0, nhƣng tiếp nhận thành phần điện áp một chiều, tức là chỉ cho thành phần một chiều đi qua. Thành phần một chiều này điều khiển VCO hoạt động ở
trạng thái giữ chập với tín hiệu vào. Một điểm đáng chú ý là dải chập độc lập với dải tần số của bộ lọc tần số thấp vì khi mạch ở trạng thái giữ chập thành phần hiệu tần số bao giờ cũng là dòng một chiều.
3.1.1.2 Quá trình bắt chập và giữ chập của mạch vịng bám pha
Khi mạch chƣa ở trạng thái bắt chập, bộ so pha trộn tín hiệu vào với tín hiệu VCO để tạo ra thành phần tổng và hiệu hai tần số. Nếu thành phần hiệu nằm bên ngoài biên dải tần số của bộ lọc tần thấp thì thành phần này sẽ bị loại bỏ cùng thành phần tổng tần số. Do đó trong mạch sẽ khơng có thơng tin nào đƣợc truyền qua mạch lọc và VCO tiếp tục hoạt động ở tần số trung tâm ban đầu. Khi tần số tín hiệu vào tiến dần đến tần số phát của VCO thì thành phần hiệu giảm xuống và tiến dần đến biên dải tần số của bộ lọc tần thấp. Lúc đó, một phần của thành phần tín hiệu đi qua đƣợc bộ lọc tần thấp và thúc đẩy VCO chuyển đến tần số của tín hiệu vào theo hƣớng sao cho thành phần hiệu tần số giảm và cho phép nhiều thông tin nữa đi qua bộ lọc tần thấp đến VCO. Đây là cơ chế hồi tiếp dƣơng thúc đẩy VCO chập với tín hiệu vào.
3.1.1.3 Đặc trưng chuyển đổi tần số sang điện áp
Hình 3.2 cho thấy đặc trƣng chuyển tần số sang điện áp điển hình của PLL. Khi đƣa tín hiệu vào PLL, tần số sẽ đƣợc quét từ từ trên một dải rộng. Trục thẳng đứng là điện thế tƣơng ứng Vd của mạch. Trên hình 3.2a là trƣờng hợp tần số tín hiệu tăng dần, mạch khơng phản ứng gì với tín hiệu cho đến khi tần số tín hiệu đạt tới tần số ω1 tƣơng ứng với biên dƣới của vùng bắt chập. Lúc đó hệ bắt chập với tín hiệu vào và tạo ra bƣớc nhảy của điện thế Vd với dấu âm. Sau đó, VCO thay đổi tần số với hệ số góc bằng nghịch đảo của hệ số khuếch đại lối vào VCO (1/K0) và đi qua giá trị V0 khi ω1=ω0 mạch bám sát tín hiệu vào cho đến khi tần số tín hiệu vào đạt đến ω2 tƣơng ứng với biên trên của khoảng giữ chập. Khi đó hệ mất bám, điện thế Vd tụt xuống V0 và tạo ra tần số dao động tự do của VCO.
Hình 3.2. Đặc trưng chuyển tần số - điện áp của PLL.
Nếu ta lại cho tần số tín hiệu vào qt theo chiều hƣớng giảm dần thì quá trình lặp lại nhƣng đảo ngƣợc so với trƣớc (hình 3.2b) mạch bắt chập lại với tín hiệu ở ω3 tƣơng ứng với biên trên của dải bắt chập và bám sát theo tín hiệu vào cho đến khi tần số của tín hiệu vào bằng ω4 tƣơng ứng với biên độ của dải giữ chập.
Nhƣ vậy là dải bắt chập của hệ là (ω1,ω3) và dải giữ chập là của hệ (ω2,ω4). Do đặc trƣng chuyển tần số - điện áp nhƣ trên nên PLL có tính chọn lọc với tần số trung tâm VCO và chỉ có phản ứng đối với những tần số tín hiệu vào sai lệch so với ω0 là ωC hoặc ωL (ωC=(ω3-ω1)/2 và ωL=(ω2-ω4)/2), tuỳ theo mạch bắt đầu có hay khơng có điều kiện giữ pha ban đầu.
Sự tuyến tính của đặc trƣng chuyển đổi tần số sang điện áp của PLL chỉ do hệ số chuyển đổi của VCO quyết định, do đó ta thƣờng địi hỏi VCO có đặc tính chuyển điện áp sang tần số ở mức độ tuyến tính cao.
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của tần số VCO vào điện áp.
Hình 3.3 biểu diễn đƣờng đặc trƣng sự phụ thuộc tần số phát của VCO vào điện áp điều khiển Vd ở đây fmax và fmin là tần số của máy phát VCO tƣơng ứng với
a)
b)
= ωi/2π
tần số góc ω2 và ω4. Khi đó dải giữ chập của hệ là: ΔfL = fmax - fmin
Nếu gọi fS là tần số của tín hiệu lối vào thì dải bắt chập của hệ PLL là:
ΔfC = fSmax - fSmin (3.1)
trong đó fSmax và fSmin là tần số của tín hiệu tƣơng ứng với tần số góc ω3 và ω1.
3.1.1.4 Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha
Bộ tổ hợp tần số dùng mạch vòng bám pha đƣợc sử dụng dựa trên nguyên tắc trên đã đƣợc sử dụng rất rộng rãi bởi vì có thể tạo ra tần số bất kỳ có độ ổn định cao ngang với thạch anh và có thể thay đổi tần số rất mềm dẻo đƣợc điều khiển một cách dễ dàng bằng các bộ vi xử lý. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số đƣợc trình bày trên hình 3.4.
Hình 3.4. Sơ đồ chức năng bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha.
Tần số lối ra của bộ chia N - đếm/định thời lập trình hố – bám pha với tần số chuẩn đƣợc lấy từ lối ra của một dao động thạch anh. Hệ số chia N có thể thay đổi đƣợc nhờ mã điều khiển tần số (fequency control code). Bộ so sánh pha sẽ so sánh pha giữa tần số lối ra của VCO qua bộ chia N với tần số chuẩn fchuẩn tạo ra từ dao động thanh anh qua bộ chia R, điện áp sai số ở lối ra tách sóng pha, qua bộ lọc tần thấp (LPF – low pass filter) chuyển thành điện áp một chiều biến đổi chậm Vd đƣợc đƣa vào điều khiển VCO làm cho tần số lối ra của bộ chia N bám pha với tần số chuẩn. Nhƣ vậy ta sẽ có tần số lối ra của VCO là: fVCO=(N/R).fchuẩn, do đó chỉ cần
Bộ chia N Bộ dao động VCO Bộ chia R Bộ so sánh pha Bộ dao động chuẩn Bộ lọc thông thấp Khuếch đại một chiều fVCO
Sau đây là những thành phần cơ bản của một bộ tổ hợp tần số kiểu PLL. Do bộ tổ hợp tần số kiểu PLL dựa trên nguyên lý PLL là cơ bản, nên những thành phần vòng bám pha PLL sơ lƣợc nhƣ sau:
* Bộ so pha
Có thể nói, phần quan trọng nhất của một hệ thống PLL chính là bộ so pha. Đây là nơi tín hiệu mang tần số tham chiếu đƣợc so sánh với tín hiệu phản hồi từ lối ra của VCO, và tín hiệu sai khác tìm đƣợc sẽ đƣợc sử dụng để đƣa vào bộ lọc thông thấp và VCO. Trong các hệ thống PLL số (DPLL – Digital PLL), bộ so pha là một phần tử logic.
Trong đó: Delay: Bộ trễ
U1, U2: Các trigơ D U3: bộ AND
U4: Bộ đảo
Hình 3.5. Cấu trúc của bộ so pha số.
Với bộ so pha số, lối ra không những thể hiện sai khác về pha mà còn thể hiện cả sai khác về tần số giữa 2 tín hiệu lối vào. Nguyên lý hoạt động của bộ so pha số đƣợc minh hoạ trong hình 4.5. Thành phần cơ bản là 2 Trigơ D. Giả sử lối vào +IN là lối vào tần số chuẩn và -IN là lối vào phản hồi từ VCO. Ta có giản đồ xung lối vào, lối ra nhƣ hình 3.6. Căn cứ vào giản đồ xung ta thấy:
- Nếu tần số lối vào +IN cao hơn nhiều so với tần số lối vào -IN thì tín hiệu lối ra hầu nhƣ luôn ở mức cao. Sƣờn xung lên đầu tiên ở +IN làm lối ra chuyển lên mức cao và đƣợc giữ ở mức này cho tới khi có sƣờn xung lên đầu tiên ở -IN.
- Nếu tần số lối vào +IN thấp hơn nhiều so với tần số lơi vào -IN thì ta sẽ có điều ngƣợc lại.
Hình 3.6. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi chưa bắt chập.
Khi hệ thống PLL đang ở trạng thái giữ chập về tần số nhƣng vẫn có một chút sai khác về pha thì ta có giản đồ xung nhƣ hình 3.7.
Hình 3.7. Giản đồ xung lối vào/ra (IN/OUT) khi tần số 2 lối vào bằng nhau. Khi 2 lối vào +IN và -IN có pha gần nhƣ nhau thì tần số lối ra và +IN sớm pha hơn -IN thì ở lối ra ta sẽ nhận đƣợc một chuỗi các xung dƣơng. Các xung này sẽ điều khiển VCO khiến cho 2 tín hiệu +IN và -IN đạt đến trạng thái đồng pha với nhau.
* Các bộ chia tần
Trong một bộ tổng hợp tần số hợp tần số kiểu số nguyên (Integer N), độ phân dải tần số của lối ra đƣợc xác định bằng tần số tham chiếu đƣa vào bộ so pha. Chẳng hạn, nếu ta cần độ rộng dải là 200KHz (nhƣ trong hệ thống GSM) thì khi đó tần số tham chiếu đƣa vào bộ so pha phải là 200KHz. Tuy nhiên, để có đƣợc một nguồn phát tần số chuẩn 200 KHz là khơng hề đơn giản. Ta có thể khắc phục điều này bằng một phƣơng pháp đơn giản là sử dụng một bộ tạo dao động chất lƣợng tốt (thƣờng là kiểu tinh thể) hoạt động với tần số cao rồi chia nhỏ tần số của bộ tạo dao động đó. Trong ví dụ nhƣ vừa nêu ở trên, ta có thể có đƣợc tần số chuẩn 200KHz bằng cách chia tần số 10MHz (của bộ tạo dao động thạch anh) cho 50. Trong sơ đồ
cho ta thấy trong hệ thống khơng chỉ có bộ chia N mà cịn có bộ chia R. Bộ chia R là một phần tử có thể lập trình đƣợc để thiết lập mối quan hệ giữa tần số lối vào và tần số lối ra trong hệ thống PLL. Bộ chia N có cấu trúc ngày càng phức tạp là do xuất phát từ nhu cầu phải chia các tần số rất cao phản hồi từ các VCO.
* Bộ lọc tần số thấp
Sự khác nhau về tần số giữa VCO và tín hiệu lối vào qua bộ tách sóng pha và bộ lọc tần số thấp tạo thành điện áp sai Ve(t). Điện áp này đóng vai trị điện áp điều khiển Vd(t) cho tần số phát VCO.
Nếu tần số tín hiệu lối vào fS và tần số phát của VCO f0 bằng nhau một cách chính xác thì tín hiệu lối ra của bộ lọc tần số thấp sẽ là một dịng khơng đổi (một chiều) mà biên độ phụ thuộc vào hiệu pha của hai tín hiệu fS và f0.
* Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO)
Từ nguyên lý của vịng bám pha có thể thấy rằng sự khác nhau về tần số giữa máy phát VCO và tín hiệu lối vào của mạch tách sóng pha tạo thành một hiệu điện áp. Điện áp này qua mạch lọc tần số thấp tạo thành điện áp điều khiển tác động vào máy phát VCO và thực hiện điều chỉnh dịch tần số của máy phát sao cho trùng khớp với tần số của tín hiệu vào. Với lập luận trên thì điện áp này đóng vai trị điện áp điều khiển tác động vào máy phát VCO làm thay đổi tần số phát f0. Một yêu cầu rất quan trọng đặt ra đối với VCO là sự phụ thuộc của tần số vào điện áp điều khiển