Фазовая автоподстройка частоты: принцип работы и применение.

Введение

Система электронного управления

Фазовая замкнутая петля (ФЗП) или фазовая автоподстройка (PLL) – это система управления, генерирующая выходной сигнал, фаза которого фиксирована относительно фазы входного сигнала. Поддержание синхронности фаз входного и выходного сигналов также подразумевает равенство их частот, таким образом, ФЗП может отслеживать входную частоту. А благодаря включению делителя частоты, ФЗП способна генерировать стабильную частоту, кратную входной частоте. Эти свойства используются для синхронизации тактовых сигналов, демодуляции, синтеза частот, умножения частоты и восстановления сигнала из зашумленного канала связи. С 1969 года одна интегральная схема может содержать полный функциональный блок ФЗП, а современные устройства имеют выходные частоты от долей герца до многих гигагерц. Таким образом, ФЗП широко применяются в радио, телекоммуникациях, компьютерах (например, для точного распределения тактовых сигналов в микропроцессорах), сетевых инверторах (электронные преобразователи мощности, используемые для интеграции возобновляемых источников постоянного тока и накопителей энергии, таких как фотоэлектрические панели и аккумуляторы, в электрическую сеть) и других электронных приложениях.

Простой пример

Простой аналоговый PLL представляет собой электронную схему, состоящую из генератора переменной частоты и фазового детектора в контуре обратной связи (рис. 1). Генератор создает периодический сигнал, частота которого пропорциональна приложенному напряжению, отсюда и термин "генератор, управляемый напряжением" (VCO). Фазовый детектор сравнивает фазу выходного сигнала VCO с фазой периодического входного опорного сигнала и выдает напряжение (стабилизированное фильтром) для корректировки частоты генератора, чтобы она соответствовала фазе опорного сигнала.

Аналогия с часами

Фаза может быть пропорциональна времени, поэтому разница фаз может соответствовать разнице во времени. Если не вмешиваться, разные часы будут отсчитывать время с немного отличающимися скоростями. Например, механические часы могут спешить или отставать на несколько секунд в час по сравнению с эталонными атомными часами (такими как NIST F2). Эта разница во времени со временем становится значительной. Вместо этого владелец может синхронизировать свои механические часы (с разной степенью точности), осуществляя их фазовую синхронизацию с эталонными часами. Неэффективный метод синхронизации заключается в том, что владелец каждую неделю устанавливает время своих часов в соответствии с более точными эталонными часами. Однако, если их оставить без внимания, их часы все равно будут продолжать расходиться с эталонными часами с той же скоростью – на несколько секунд в час. Более эффективный метод синхронизации (аналогичный простой ФАП, показанной на рисунке 1) использует регулировку скорости хода (аналогично тому, как можно регулировать частоту генератора, управляемого напряжением). Подобно фазовому компаратору, владелец может заметить рассогласование времени на своих часах и немного изменить регулировку скорости хода, чтобы замедлить частоту своих часов (если они спешат) или ускорить (если они отстают). Если не допустить чрезмерной коррекции, их часы станут точнее, чем раньше. После ряда таких еженедельных корректировок, представление об одной секунде в их часах будет достаточно близко к эталонным часам, и можно будет сказать, что они синхронизированы как по частоте, так и по фазе. Ранняя электромеханическая версия фазовой автоподстройки частоты (ФАП) была использована в 1921 году в часах Shortt Synchronome.

История

Спонтанную синхронизацию слабосвязанных маятниковых часов отметил голландский физик Кристиан Гюйгенс еще в 1673 году. Около рубежа XIX века лорд Рэлей наблюдал синхронизацию слабо связанных органных труб и камертонов. В 1919 году У. Х. Эклз и Дж. Х. Винсент обнаружили, что два электронных осциллятора, настроенных на колебания с немного отличающимися частотами, но соединенных с резонансной цепью, вскоре начинают колебаться с одинаковой частотой. Автоматическая синхронизация электронных осцилляторов была описана в 1923 году Эдвардом Виктором Апплетоном. В 1925 году Дэвид Робертсон, первый профессор электротехники в Бристольском университете, внедрил фазовую синхронизацию в конструкцию своих часов для управления ударом колокола Great George в новом здании Wills Memorial Building. Часы Робертсона включали электромеханическое устройство, способное изменять частоту колебаний маятника, и получали корректирующие сигналы от схемы, сравнивающей фазу маятника с фазой входящего телеграфного импульса из Гринвичской обсерватории каждое утро в 10:00 по Гринвичу. Система Робертсона, включавшая эквиваленты всех элементов современной электронной ФАПЧ, значительно опередила свое время тем, что ее фазовый детектор представлял собой релейно-логическую реализацию транзисторных схем для фазовых/частотных детекторов, которые появились только в 1970-х годах. Работа Робертсона предшествовала исследованиям, которые позже были названы фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) в 1932 году, когда британские исследователи разработали альтернативу супергетеродиновому приемнику Эдвина Армстронга – гомодинному или приемнику прямого преобразования. В гомодиновой или синхродиновой системе местный осциллятор настраивался на желаемую входную частоту и умножался на входной сигнал. Полученный выходной сигнал содержал исходную информацию модуляции. Целью было разработать альтернативную приемную схему, требующую меньшего количества настроенных контуров, чем супергетеродиновый приемник. Поскольку местный осциллятор быстро отклонялся по частоте, на него подавался автоматический корректирующий сигнал, поддерживающий его на той же фазе и частоте, что и желаемый сигнал. Эта техника была описана в 1932 году в статье Анри де Беллескиза в французском журнале L'Onde Électrique. В аналоговых телевизионных приемниках, начиная как минимум с конца 1930-х годов, горизонтальные и вертикальные схемы развертки с фазовой автоподстройкой частоты синхронизировались с синхронизирующими импульсами в вещательном сигнале. В 1969 году Signetics представила линейку недорогих монолитных интегральных схем, таких как NE565, использующих биполярные транзисторы, которые представляли собой полноценные системы фазовой автоподстройки частоты на чипе, что привело к увеличению числа применений этой техники. Спустя несколько лет RCA представила CD4046 Micropower Phase Locked Loop на основе КМОП, которая также стала популярным строительным блоком интегральных схем.

Spontaneous synchronization of weakly coupled pendulum clocks was noted by the Dutch physicist Christiaan Huygens as early as 1673. Around the turn of the 19th century, Lord Rayleigh observed synchronization of weakly coupled organ pipes and tuning forks. In 1919, W. H. Eccles and J. H. Vincent found that two electronic oscillators that had been tuned to oscillate at slightly different frequencies but that were coupled to a resonant circuit would soon oscillate at the same frequency. Automatic synchronization of electronic oscillators was described in 1923 by Edward Victor Appleton. In 1925, David Robertson, first professor of electrical engineering at the University of Bristol, introduced phase locking in his clock design to control the striking of the bell Great George in the new Wills Memorial Building. Robertson’s clock incorporated an electromechanical device that could vary the rate of oscillation of the pendulum, and derived correction signals from a circuit that compared the pendulum phase with that of an incoming telegraph pulse from Greenwich Observatory every morning at 10:00 GMT. Including equivalents of every element of a modern electronic PLL, Robertson’s system was notably ahead of its time in that its phase detector was a relay logic implementation of the transistor circuits for phase/frequency detectors not seen until the 1970s. Robertson’s work predated research towards what was later named the phase lock loop in 1932, when British researchers developed an alternative to Edwin Armstrong's superheterodyne receiver, the Homodyne or direct conversion receiver. In the homodyne or synchrodyne system, a local oscillator was tuned to the desired input frequency and multiplied with the input signal. The resulting output signal included the original modulation information. The intent was to develop an alternative receiver circuit that required fewer tuned circuits than the superheterodyne receiver. Since the local oscillator would rapidly drift in frequency, an automatic correction signal was applied to the oscillator, maintaining it in the same phase and frequency of the desired signal. The technique was described in 1932, in a paper by Henri de Bellescize, in the French journal L'Onde Électrique. In analog television receivers since at least the late 1930s, phase locked loop horizontal and vertical sweep circuits are locked to synchronization pulses in the broadcast signal. In 1969, Signetics introduced a line of low cost monolithic integrated circuits like the NE565 using bipolar transistors, that were complete phase locked loop systems on a chip, and applications for the technique multiplied. A few years later, RCA introduced the CD4046 Micropower Phase Locked Loop using CMOS, which also became a popular integrated circuit building block.

Вариации

Существует несколько вариантов ФАП (фазовых автоматических подстройщиков). Некоторые используемые термины: "аналоговый ФАП" (APLL), также называемый "линейным ФАП" (LPLL), "цифровой ФАП" (DPLL), "полностью цифровой ФАП" (ADPLL) и "программный ФАП" (SPLL). Аналоговый или линейный ФАП (APLL) использует аналоговый фазовый детектор (например, умножитель). Фильтр в контуре может быть активным или пассивным. Применяется генератор, управляемый напряжением (ГУН/VCO). APLL считается типом II, если его фильтр в контуре имеет передаточную функцию с ровно одним полюсом в начале координат (см. также гипотезу Игана о диапазоне захвата APLL типа II). Цифровой ФАП (DPLL) представляет собой аналоговый ФАП с цифровым фазовым детектором (например, XOR, триггер JK с фронтальным/задним фронтом, детектор фазовой частоты). В контуре может присутствовать цифровой делитель частоты. Полностью цифровой ФАП (ADPLL) – фазовый детектор, фильтр и генератор реализованы в цифровом виде. Используется цифровой генератор (ЧГ/NCO). Нейронный ФАП (NPLL) – фазовый детектор реализован на основе нелинейности нейрона, а генератор – на основе осциллирующих нейронов с регулируемой частотой. Программный ФАП (SPLL) – функциональные блоки реализованы программным обеспечением, а не специализированным аппаратным обеспечением. ФАП с зарядовым насосом (CP PLL) – CP PLL является модификацией ФАП с детектором фазовой частоты и сигналами прямоугольной формы. См. также гипотезу Гарднера о CP PLL.

Параметры производительности

Тип и порядок. Диапазоны частот: поддержание в диапазоне (диапазон удержания), захват в диапазоне (диапазон захвата, диапазон инициализации), фиксация в диапазоне. См. также проблему Гарднера, связанную с диапазоном фиксации, гипотезу Игана о диапазоне захвата APLL типа II, и проблему Витерби о совпадении диапазонов ФАМ. Ширина полосы контура: определяет скорость работы контура управления. Переходные характеристики: такие как перерегулирование и время установления до заданной точности (например, 50 ppm). Постоянные ошибки: такие как остаточная фазовая или временная ошибка. Чистота выходного спектра: например, боковые полосы, возникающие из-за пульсаций напряжения настройки генератора (VCO). Фазовый шум: определяется энергией шума в заданном диапазоне частот (например, смещение на 10 кГц от несущей). Сильно зависит от фазового шума генератора, ширины полосы ФАМ и т.д. Общие параметры: такие как потребляемая мощность, диапазон напряжения питания, выходная амплитуда и т.д.

Восстановление часов

Некоторые потоки данных, особенно высокоскоростные последовательные потоки данных (например, необработанный поток данных с магнитной головки дискового накопителя), передаются без тактового сигнала. Приемник генерирует тактовый сигнал на основе приблизительной частоты, а затем использует ФАПЧ (PLL) для синхронизации фазы с фронтами сигнала потока данных. Этот процесс называется восстановлением тактовой частоты. Для работы данной схемы поток данных должен содержать достаточное количество фронтов, чтобы корректировать любое отклонение в генераторе ФАПЧ. Поэтому для кодирования данных обычно используется линейный код с жестким ограничением на максимальное время между фронтами (например, кодирование 8b/10b).

Наклоны

Если тактовый сигнал передается параллельно с данными, этот сигнал может быть использован для дискретизации данных. Поскольку тактовый сигнал должен быть принят и усилен, прежде чем он сможет управлять триггерами, которые выполняют дискретизацию данных, между обнаруженным фронтом тактового сигнала и окном приема данных будет конечная задержка, зависящая от технологического процесса, температуры и напряжения. Эта задержка ограничивает частоту передачи данных. Один из способов устранения этой задержки – использование PLL с компенсацией разброса задержек на принимающей стороне, чтобы тактовый сигнал на каждом триггере данных был синхронизирован по фазе с принятым тактовым сигналом. В таких приложениях часто используется специальный тип PLL, называемый схемой с задержкой фазовой автоподстройки (DLL).

Построение часов

Многие электронные системы включают в себя процессоры различных типов, работающие на частотах от сотен мегагерц до гигагерц, что значительно превышает практические частоты кварцевых генераторов. Обычно тактовые сигналы, подаваемые на эти процессоры, поступают от генераторов тактовой частоты на основе ФАПЧ (PLL), которые умножают частоту более низкочастотного опорного генератора (обычно 50 или 100 МГц) до рабочей частоты процессора. Коэффициент умножения может быть весьма значительным, особенно когда рабочая частота исчисляется несколькими гигагерц, а частота опорного кварца – всего десятками или сотнями мегагерц.

Распространение спектра

Все электронные системы излучают некоторое количество нежелательной радиочастотной энергии. Различные регулирующие органы (например, FCC в Соединенных Штатах) устанавливают пределы для излучаемой энергии и любых вызываемых ею помех. Излучаемый шум обычно проявляется в виде острых спектральных пиков (как правило, на рабочей частоте устройства и нескольких гармониках). Конструктор системы может использовать ФАПЧ с расширенным спектром для снижения помех для высокодобротных приемников, рассеивая энергию по большей части спектра. Например, незначительное изменение рабочей частоты вверх и вниз (примерно на 1%) позволяет устройству, работающему на сотнях мегагерц, равномерно распределить свои помехи в пределах нескольких мегагерц спектра, что значительно уменьшает уровень шума, воспринимаемого на вещательных FM-каналах, полоса пропускания которых составляет несколько десятков килогерц.

Часовое распределение

Как правило, опорные тактовые импульсы поступают в чип и управляют фазовой замкнутой петлей (ФАП/PLL), которая затем управляет распределением тактовой частоты в системе. Распределение тактовой частоты обычно сбалансировано таким образом, чтобы тактовые импульсы достигали каждой конечной точки одновременно. Одной из таких конечных точек является вход обратной связи ФАП. Функция ФАП заключается в сравнении распределенной тактовой частоты с поступающими опорными тактовыми импульсами и изменении фазы и частоты своего выходного сигнала до тех пор, пока опорные и сигналы обратной связи не будут согласованы по фазе и частоте. ФАП широко распространены – они используются для синхронизации тактовых импульсов в системах размером в несколько футов, а также в небольших участках отдельных чипов. Иногда опорные тактовые импульсы могут быть не чистым тактовым сигналом, а потоком данных с достаточным количеством переходов, позволяющим ФАП восстановить регулярный тактовый сигнал из этого потока. В некоторых случаях опорные тактовые импульсы имеют ту же частоту, что и тактовая частота, распространяемая по сети распределения, а в других случаях распределенная тактовая частота может быть рациональным кратным опорной частоты.

обнаружение АМ

PLL может использоваться для синхронной демодуляции амплитудно-модулированных (AM) сигналов. PLL восстанавливает фазу и частоту несущей входящего AM-сигнала. Восстановленная фаза на генераторе управляемого напряжением (VCO) отличается от фазы несущей на 90°, поэтому она сдвигается по фазе для согласования и затем подается на умножитель. Выход умножителя содержит как сумму, так и разностную частоты, а демодулированный сигнал получается путем фильтрации нижних частот. Поскольку PLL реагирует только на частоты несущей, очень близкие к выходной частоте VCO, AM-детектор на PLL демонстрирует высокую селективность и помехоустойчивость, недостижимые для традиционных AM-детекторов пикового типа. Однако контур может потерять синхронизацию при 100% глубине модуляции AM-сигнала.

Уменьшение джитра и шума

Одно из желаемых свойств всех ФАП (PLL) заключается в том, что фронты опорных и обратной связи тактовых сигналов должны быть очень точно согласованы. Средняя разница во времени между фазами двух сигналов после установления устойчивого состояния ФАП называется статическим смещением фазы (также известным как ошибка фазы в установившемся режиме). Разброс между этими фазами называется джиттером слежения. В идеале статическое смещение фазы должно быть равно нулю, а джиттер слежения – минимальным. Фазовый шум – это еще один вид джиттера, наблюдаемый в ФАП, который обусловлен самим генератором и элементами, используемыми в схеме управления частотой генератора. Некоторые технологии в этом отношении показывают лучшие результаты, чем другие. Наилучшие цифровые ФАП строятся на элементах ЭСЛ (ECL), хотя это и приводит к высокому энергопотреблению. Для минимизации фазового шума в схемах ФАП следует избегать использования насыщающихся логических семейств, таких как ТТЛ (TTL) или КМОП (CMOS). Еще одним желаемым свойством всех ФАП является то, что фаза и частота генерируемого тактового сигнала не должны изменяться под воздействием быстрых колебаний напряжения питания и земли, а также напряжения подложки, на которой изготавливаются схемы ФАП. Это называется подавлением шумов питания и подложки. Чем выше подавление шумов, тем лучше. Для дальнейшего снижения фазового шума на выходе можно использовать генератор, захваченный инжекцией, установленный после генератора, управляемого напряжением (VCO) в ФАП.

Синтез частоты

В цифровых системах беспроводной связи (GSM, CDMA и т.д.) фазовые автоподстройщики частоты (ФАПЧ) используются для повышения частоты при передаче и понижения частоты при приеме локального генератора. В большинстве мобильных телефонов эта функция в значительной степени интегрирована в единую интегральную схему для снижения стоимости и габаритов устройства. Однако, в связи с высокими требованиями к производительности базовых станций, передающие и принимающие схемы создаются на дискретных компонентах для достижения необходимого уровня характеристик. Модули локальных генераторов GSM обычно состоят из интегральной схемы синтезатора частоты и дискретных резонаторных генераторов, управляемых напряжением (ВУГ).

Справочная точка фазового угла

Инверторы, подключенные к сети, на основе инверторов источника напряжения подают или потребляют активную мощность в электрическую сеть переменного тока в зависимости от фазового угла напряжения, которое они генерируют относительно фазового угла напряжения сети, измеряемого с помощью PLL. В фотоэлектрических приложениях, чем больше сдвиг фазы генерируемой синусоиды опережает фазу сетевого напряжения, тем больше мощности подается в сеть. Для аккумуляторных приложений, чем больше сдвиг фазы генерируемой синусоиды отстает от фазы сетевого напряжения, тем больше аккумулятор заряжается от сети, а чем больше сдвиг фазы генерируемой синусоиды опережает фазу сетевого напряжения, тем больше аккумулятор разряжается в сеть.

Блоковая диаграмма

На блок-схеме на рисунке показан входной сигнал FI, который используется для генерации выхода FO. Входной сигнал часто называют опорным сигналом (также сокращенно FREF). На входе фазовый детектор (показан как детектор фазы и частоты и блоки заряда и накачки на рисунке) сравнивает два входных сигнала, формируя сигнал ошибки, пропорциональный их разности фаз. Сигнал ошибки затем фильтруется фильтром нижних частот и используется для управления VCO, который создает выходную фазу. Выход подается через необязательный делитель частоты обратно на вход системы, формируя контур отрицательной обратной связи. Если выходная фаза отклоняется, сигнал ошибки увеличивается, заставляя фазу VCO изменяться в противоположном направлении, чтобы уменьшить ошибку. Таким образом, выходная фаза синхронизируется с фазой входного сигнала. Аналоговые фазовые петли синхронизации (ФПС) обычно строятся с использованием аналогового фазового детектора, фильтра нижних частот и VCO, включенных в конфигурацию с отрицательной обратной связью. Цифровая ФПС использует цифровой фазовый детектор; она также может иметь делитель частоты в контуре обратной связи или в опорном пути, или и то, и другое, чтобы частота выходного сигнала ФПС была рациональным кратным опорной частоты. Нецелое кратное опорной частоты также может быть получено путем замены простого счетчика, делящего на N, в контуре обратной связи на программируемый счетчик проглатывания импульсов. Эта техника обычно называется синтезатором дробного N или ФПС дробного N. Генератор генерирует периодический выходной сигнал. Предположим, что изначально частота генератора близка к частоте опорного сигнала. Если фаза генератора отстает от фазы опорного сигнала, фазовый детектор изменяет управляющее напряжение генератора, чтобы увеличить его частоту. Аналогично, если фаза генератора опережает опорный сигнал, фазовый детектор изменяет управляющее напряжение, чтобы уменьшить частоту генератора. Поскольку изначально частота генератора может значительно отличаться от опорной частоты, практические фазовые детекторы могут также реагировать на разницу частот, чтобы расширить диапазон захвата допустимых входных сигналов. В зависимости от применения, полезным выходом системы ФПС может быть либо выход управляемого генератора, либо управляющий сигнал генератора.

The block diagram shown in the figure shows an input signal, FI, which is used to generate an output, FO. The input signal is often called the reference signal (also abbreviated FREF). At the input, a phase detector (shown as the Phase frequency detector and Charge pump blocks in the figure) compares two input signals, producing an error signal which is proportional to their phase difference. The error signal is then low pass filtered and used to drive a VCO which creates an output phase. The output is fed through an optional divider back to the input of the system, producing a negative feedback loop. If the output phase drifts, the error signal will increase, driving the VCO phase in the opposite direction so as to reduce the error. Thus the output phase is locked to the phase of the input. Analog phase locked loops are generally built with an analog phase detector, low pass filter and VCO placed in a negative feedback configuration. A digital phase locked loop uses a digital phase detector; it may also have a divider in the feedback path or in the reference path, or both, in order to make the PLL's output signal frequency a rational multiple of the reference frequency. A non integer multiple of the reference frequency can also be created by replacing the simple divide by N counter in the feedback path with a programmable pulse swallowing counter. This technique is usually referred to as a fractional N synthesizer or fractional N PLL. The oscillator generates a periodic output signal. Assume that initially the oscillator is at nearly the same frequency as the reference signal. If the phase from the oscillator falls behind that of the reference, the phase detector changes the control voltage of the oscillator so that it speeds up. Likewise, if the phase creeps ahead of the reference, the phase detector changes the control voltage to slow down the oscillator. Since initially the oscillator may be far from the reference frequency, practical phase detectors may also respond to frequency differences, so as to increase the lock in range of allowable inputs. Depending on the application, either the output of the controlled oscillator, or the control signal to the oscillator, provides the useful output of the PLL system.

Фазовый детектор

Фазовый детектор (PD) генерирует напряжение, представляющее разность фаз между двумя сигналами. В ФАМ (PLL) два входа фазового детектора – это опорный вход и обратная связь от генератора, управляемого напряжением (VCO). Выходное напряжение PD используется для управления VCO таким образом, чтобы разность фаз между двумя входами оставалась постоянной, что делает систему отрицательной обратной связи. Различные типы фазовых детекторов обладают различными характеристиками. Например, частотный смеситель генерирует гармоники, что усложняет применение в тех случаях, когда важна спектральная чистота сигнала VCO. Возникающие нежелательные (побочные) полосы, также называемые "опорными шпорами", могут определять требования к фильтру и значительно уменьшать диапазон захвата или увеличивать время установления в замкнутом контуре сверх требуемых значений. В этих приложениях используются более сложные цифровые фазовые детекторы, выход которых не содержит столь выраженного компонента опорных шпор. Кроме того, в состоянии захвата постоянная разность фаз на входах при использовании этого типа фазового детектора близка к 90 градусам. В приложениях ФАМ часто необходимо определять, когда контур разомкнут. Более сложные цифровые фазово-частотные детекторы обычно имеют выход, позволяющий надежно определить состояние разомкнутого контура. Логический элемент XOR часто используется в цифровых ФАМ в качестве эффективного и простого фазового детектора. Его также можно использовать в аналоговом режиме с незначительными изменениями схемы.