יישור פאזה ושליטה במכשירי ADF4356/ADF5356

הקדמה

כפי שמרמז השם, לולאות “חוג נעול מופע” (PLL) עושות שימוש במזהה פאזה (phase detector) על מנת להשוות אות משוב (feedback signal) מול אות רפרנס (reference signal), תוך נעילת הפאזות של שני האותות יחד. בעוד לתכונה זו קיימים שימושים רבים, לולאות PLL נמצאות כיום לרוב בשימוש בסינתזת תדרים, בד”כ כמתנד מקומי (local oscillator – LO) בהמרת תדרים מעלה או מטה, או בשעונים להמרת אנלוגי לדיגיטלי (ADC) או דיגיטלי לאנלוגי (DAC).

עד לאחרונה, לפאזה במעגלים אלה ניתנה תשומת לב מועטה. עם זאת, עם הדרישה הגוברת ליעילות, רוחב פס, וביצועים, על מהנדסי RF לתכנן שיטות חדשות לשיפור יעילות בספקטרום ובכח (spectral and power efficiency). יכולות החזרה, החיזוי, וההתאמה של פאזת אות משחקים תפקיד ההולך ועולה בחשיבותו בשימושים מודרניים לתקשורת וכלים.

הכל יחסי

אין כל משמעות בהתייחסות למדידת פאזה אלא רק בייחס לאות אחר או לפאזה המקורית. לדוגמה, מדידת הפאזה של מנתח רשתות וקטורים (vector network analyzer VNA) של רשת בעלת שני פורטים – כגון מגבר – מייחסת בין פאזת ה output ל input ANG(S21). הפאזה של input יחיד מייחסת בין הפאזה החוזרת (reflected phase) לפאזת ה Incident – ANG(S11). בסינתיסייזרים ל PLL, מדידות פאזה מיוחסות לפאזת ה Input reference, או בין אות אחד לשני. ה”גביע הקדוש” או המצב האידיאלי לכל מדידת פאזה הוא להיות בדיוק בערך הרצוי בהשוואה לפאזה המקורית, אך מצבים של חוסר ליניאריות, חוסר אידיאליות, הפרש טמפרטורות, תקלות board trace, והבדלי ייצור אחרים, גורמים לפאזה להיות בין התכונות המשתנות יותר בייצור אות. למטרות מאמר זה, המונח “in-phase” מתייחס לאות בעל אותה אמפליטודה ותכונות תזמון בדיוק. פאזה דטרמיניסטית משמעותה שההיסט ביניהם הוא ידוע וניתן לחיזוי.

מדידת פאזה באמצעות מתנד (ossiloscope)

למטרת השוואת פאזות בעלות שני תדרים שונים, מתנד בעל מהירות גבוהה הוא אמצעי אינטואיטיבי יחסית להשוואת פאזת ה output לפאזת reference. כדי להיות נראים, על פאזות ה Input וה- output להיות מכפלות שלמות אחת של השניה. הדבר נפוץ לרוב במעגלי שעונים. עבור integer-N PLL, היחס בין תדירות ה input – REFIN לתדירות ה output – RFOUT היא בכלליות דטרמיניסטית וניתנת לחזרה. יש למקם את גשוש ה scope על ה REFIN וגם על ה RFOUT אך יש להקפיד ולתפוס את האות רק כאשר בטוחים שהפאזה התקבעה. מתנדים מתוחכמים, כמו ה RTO1044, מאפשרית לטריגר האירוע לפעול רק כאשר תנאים מסויימים מתקיימים: למשל כאשר תבנית דיגיטלית ספציפית נכתבה למכשיר ה PLL ומופיעה עלייה חדה (rising edge) מהאות הידוע. בהתחשב בעובדה כי עלול להיות עיכוב מסויים בין כתיבת התבנית הדיגיטלית לבין הנקודה בה האות הסופי התקבע, הכרחי להזין עיקוב מסויים בין שני האירועים, דבר המתאפשר במודל זה של הכלי.

מטרת המדידה בתרשים 1 היא לאמת כי עיכוב הפאזה ב PLL – ADF4356 ביחס לאות reference ידוע (במקרה זה, ADF4356 נוסף המתוכנת לאותו תדר output) הוא קבוע ורפיטבילי בזמן ההפעלה. כדי להגדיר את המכשיר בצורה נכונה, שני גשושי מהירות נמוכה חוברו לקוי ה CLK וה- DATA של ממשק ה SPI  ב ADF4356. ברגע בו התבנית הדיגיטלית לכתיבת התדר הספציפי תירשם, לאחר זמן המתנה של שניה אחת המכשיר תפס באיזור הזמן את קו המתאר המראה את ה Output של שני ה PLL.

עבור מדידה זו, שני PLL  מסוג ADF4356 נעולים בתדר VCO של 4 GHz ומחולקים  ב 8 MHz ל 500 MHz, כאשר אחד מהם מכובה ומופעל חזרה בצורה מחזורית על ידי תוכנת כיבוי (power down software). בוצעו 119 דגימות בזמן שהמתנד במצב התמדה אינסופית (infinite persistence) והפרש הפאזות בין השתיים הוא קבוע ורפיטבילי. מספר אמצעי זהירות ננקטו על מנת להבטיח רפיטביליות בהפרש הפאזות. ערכי מחלק R נמוכים מכניסים פחות אי וודאות מאשר ערכים גבוהים וחשיבות ההזנה של הפידבק המחולק מה VCO output ל N counter input היא חיונית. בהנחה שה ADF4356 וה VCO מכילים 1024 VCO bands שונים, יש חשיבות לכך שאי וודאות זו מבוטלת על ידי שימוש בפרוצדורת כיול ידני דורס (manual calibration override).

 

הגדרה לסנכרון פאזה מחדש (Phase Resync)

סנכרון פאזה מחדש מוגדר כיכולת של fractional-N PLL לחזור לאותו היסט פאזה בכל תדר נתון. כלומר, צפייה בפאזה P1 בזמן שינוי ערוצים לתדר B, אותה פאזה P1 נצפית כאשר התדר מתוכנת חזרה ל F1. הגדרה זו מתעלמת משינויים הנגרמים מ VCO drift, זליגת זרמים, שינוי טמפרטורה, וכו’. סנכרון מחדש שולח פעימת אתחול (reset pulse) ל fractional-N, Σ-Δ modulator, אשר ממקם אותה במצב ידוע ורפיטבילי. יש ליישם פעימת אתחול זו לאחר סיום פעולת מנגנוני הגדרת תדר כגון בחירה וחזרת לולאה של פילטרים ל VCO band. הערך נשלט על ידי מונה זמן ב Register 12. בגרסאות PLL האחרונות, האפשרות להתאים את תזמון פעימת האתחול אפשרה מידה של התאמה לאות ה output, יחד עם היכולת לשנות תזמון זה בצעדים של 360°/225, מה שמאפשר מדידה טובה יותר מאשר אלה הנעשות בפשטות ברוב המכשירים.

עבור ניסוי זה, תוכנתו שני ADF4356 VCO ל 4002.5 MHz בחלוקה ל 8. הPLL  השני תוכנת ל תדר VCO של 4694 MHz ואז תוכנת חזרה ל 4002.5 MHz. על ידי שימוש במתנד לבדיקת התנהגות ה PLL, ניתן לראות לאחר 1700 שינויי תדר, כי ה PLL חוזר לאותה פאזה בכל פעם. כדי להגדיר את תכונת היסט הפאזה השונה, תוכנתה מילת הפאזה (phase word) ל 4194304/225, המשתווה ל 90°. ערכים דומים תוכנתו עבור 90°, 180°, 270° ו- 0°, וקן המתאר נבחן שוב. (תרשים 3).

 

בייחס לאות המקורי בערוץ 1, נצפים ארבע אותות במרווח שווה, מה שמאשר את רמת הדיוק של סנכרון פאזה מחדש עם היסט ניתן לתכנות.

יכולת זו היא שימושית ביותר ומאפשרת יצירת טבלת חיפוש של ערכי פאזה עבור כל תדר משתמש (user frequency), עם הזנת ערך הפאזה בכל שימוש. באפליקציה המשלבת ארבע תדרי LO בפאזה, סנכרון הפאזה מחדש ואפשרויות ההיסט מנוצלות כדי להתאים את פאזות ה output כך שישתלבו לרעש פאזה נמוך יותר ב 6 dB. בשימוש ביכולות סנכרון פאזה מחדש והיסט פאזה כ LO הניתן לכוונון (נפוץ בשלב הראשון של מנתח אות),  מתאפשר למשתמש להריץ כיול חד פעמי בהפעלה כדי לקבוע את ערך הפאזה המדויק לכל LO. בשימוש כ LO, ערכי הפאזה ניתנים לתכנות לכל LO כפי הנדרש, מה שמבטל את פרוצדורת הכיול בכל תדר.

עבור אפליקציות בעלות פאזה קריטית כמו מנתח רשת (network analyzer), המעגל יכול למדוד את ערכי הפאזה בכל תדר בזמן ההפעלה ואז לתכנת אותם כפי הנדרש, כאשר ה LO עובר לרוחב הטווח הרצוי.

מדידת פאזה, אות וקטור, ומנתחי רשתות

אות וקטור ומנתחי רשתות שימושיים גם כן עבור הגדרת התנהגות פאזה, למרות שהשימוש בהם מוגבל להשוואת הפאזה של המכשיר לערכה המקורי. מנתחים מתוחכמים, כמו FSWP, ניתן להעביר למצב FM demodulation המאפשר בחירת output לפאזה.
אפשרות זו שימושית ביותר עבור הערכת פונקציית סנכרון פאזה מחדש הקיימת ב PLL ADF4356. קו המתאר למטה (תרשים 5) מראה את פאזת ה ADF4356 משתנה ב 180° בתדר output של 5025 MHz.

תרשים 5. פלט (output) דמודולטור FSUP  עבור היסט פאזה 180°.

התאמת פאזה

יכולת התאמת הפאזה מונעת אתחול מודולטור ה Σ-Δ ופשוט מוסיפה מילת פאזה בין 0° ל- 360° לפאזה הקיימת. יכולת זו שימושית באפליקציות בהן אתחול הפאזה אינו רצוי. ניתן להשתמש בה כדי להתאים דינאמית את מילת הפאזה כדי לפצות על הפרשים ידועים בפאזה כתוצאה מאפקטים כמו טמפרטורה.

התאמת פאזה מוסיפה פאזה לאות הקיים בכל עדכון של R0 (עם הערך המתוכנת ל Register 3). היא לא מכילה פעימת אתחול כמו סנכרון פאזה מחדש. מדידות מתחת ל FSWP מראות את תוספת ה 90° (תרשים 6) ו- 270° (תרשים 7) לאות המקורי. בשני המקרים תדר ה output של ה ADF4356 נקבע ל 5020 MHz לפני שינוי הפאזה.

התנהגות מול טמפרטורה

מאחר והתכונות הפיזיות של אינדוקטורים משתנים בהתאם לטמפרטורה, כך גם תכונות חשמליות, מה שמתבטא בשינוי בפאזה. כדי לבטל שינוי זה בפאזה, יכול המשתמש לתכנת את היסט הפאזה הרצוי כדי לשמר את אותה הפאזה. שני ADF4356 PLL המתוכנתים לתדר output של 4 GHz הממוקמים באותו תא חימום (oven chamber) באותה פאזה מציגים את הפאזות אחד של השני בצמוד (תרשים 2), מה שמוכיח כי המשתמש יכול להתאים את הפאזה כתלות בטמפרטורה.

תרשים 8 – ADF4356, פאזה מול טמפרטורה, נמדד בתדר VCO 4 GHz.

5G

טכניקת הBeamforming  היא טכניקת מפתח בארכיטקטורת רשתות 5G. ברשתות אלה נעשה שימוש בכמה אלמנטים של מערכי אנטנות כאשר הפאזה והאמפליטודה משתנה מאלמנט אחד לשני כדי לכוון אנרגיית אנטנה ישירות למשתמש הקצה. עבור אפליקציה זו, רפיטביליות פאזה היא קריטית. פאזת ה LO צריכה להיות רפיטבילית עבור beamforming ואם הפאזה אינה וודאית, אז נדרש כיול נוסף  על ידי מעגלי ה beamforming.

תרשים 9 מראה שני חצאים של אורכי גל באלמנטים במרווח רבע אורך גל ומונעים בפאזה (driven in phase). תבנית הקרינה של האנטנה היא כמעט בכל הכוונים ולא נצפה מצב של beamforming. תרשים 10 מראה שני אלמנטים מונעים על ידי אותות ב 90° מחוץ לפאזה ותבנית הקרינה הנוצרת מראה כיצד תבנית הקרינה ממוקדת יותר. ככל שעולה מספר מערכי האלמנט, מתאפשר דיוק גדול יותר בתבנית הקרינה לכוון משתמש הקצה, מה שמוביל ליעילות ספקטרלית גבוהה יותר.

 

סנכרון פאזה מחדש מבטיח כי אי וודאויות בתכונות הפאזה של ה LO מתבטלות. בנוסף, היכולת להתאים פאזה זו מספק למשתמש מינוף נוסף להתגבר על עיכובי פאזה אחרים במעגל אשר קשה לבצע מולם התאמות על ידי ה beamformer או מעגלי ה baseband.

סיכום

סנכרון פאזה מחדש ממקם את ה ADF4356 ורכיבי PLL דומים בפאזה ידועה, מה שמאפשר את קיומן של אפליקציות רבות ומפשט מאד רוטינות כיול.