טכנולוגיית Direct Digital Synthesis (DDS), סינתזה דיגיטלית ישירה, מתקדמת במהירות, אולם סינתזה ישירה של תדרי מוצא UHF ומיקרוגל עדיין איננה מעשית או כדאית כלכלית. התקנים עכשוויים מסוג DDS ICs -דוגמת השבביםSingle- AD9852 ל-300 מגה-הרץ ו-AD9854 Quadrature Complete-DDS – מציעים מוצאים שמישים אל הספקטרום VHF היותר נמוך, 120 מגה-הרץ בקירוב. מגבלות במהירות הדגימה של ה-DDS וה-DAC במוצא מהווות את צוואר הבקבוק העיקרי; אותות מוצא DDS יסודיים אינם צריכים להיות גדולים ממחצית תדר הדגימה. הדור הבא של מעגלים משולבים DDS מהירים מ-Analog Devices עתיד להתגבר על מגבלות אלו בעזרת קצב דגימה של 900 מגה-הרץ ומוצא יסודי שמיש של 360 מגה-הרץ.
על-מנת לנצל את תכונות ה-DDS בתדרי UHF ומיקרוגל, DDS משולב לרוב עם phase-locked loop (PLL) או מועלה בתדר במערבל. לרוע המזל, הכפלה תוך שימוש ב- PLLs מסכנת את שלימות האות, רזולוציית התדר והגמישות (agility). כמו כן, העלאה בתדר של אות מפס-צד כפול ( DSB- double-sideband) לפס-צד יחיד בתדר גבוה יותר, תוך שימוש במערבל, עשויה לדרוש סינון במוצא קשה או בלתי-אפשרי, כמו גם מתנד מקומי (Local oscillator – LO) איכותי בתדר קבוע. השיטות המשמשות להתגברות על חסרונות אלה גורמות לרוב לצורך ב-PLL מרובים או דרגות מערבל/מסנן/מתנד.
להלן גישה משופרת וכלכלית להמרה מעלה-תדר חד-שלבית לתדרים מ-800 ל-2500 מגה-הרץ, תוך שימוש ב-DDS ניצב מלא AD9854 ובהתקן החדש, האפנן הניצב AD8346, בעל דיוק מופע של עד 1 מעלה ואיזון אמפליטודה עד 0.2dB ב-1900 הרץ. האות המומר מעלה חד-פס צד, בעל גל נושא מבוטל מציג דחייה טיפוסית של >36 dB של LO ותדרי פס-צד בלתי-רצויים בכל תחום התדרים. יתרה מזה, כל תכונות האות DDS נשמרות, בעוד המוצרים הבלתי-רצויים של העלאת התדר ממוזערים. דחייה של 36 dB מתאימה ליישומים רבים, וביטול 4000x זה של הספק אות בלתי-רצוי יצמצם בהרבה את מורכבות מסנן המוצא או לחילופין ישפר את הישימות של סינון יעיל ביישומים יותר תובעניים.
לשם בחירה בין פס-הצד העליון והתחתון, הופכים או משנים את אותות הניצבים DDS, I במקום Q ו-Q במקום I, בפיני המבוא של האפנן AD8346. ל-DDS AD9854 מגוון אופני אפנון (AM, FM, PSK ו-FSK) זמינים. אלה משפרים את השימושיות של יישום זה על-ידי הספקת יכולת תקשורת דיגיטלית ואנלוגית בנוסף לאותות הגמישים, החד-תדריים.
המרה מעלה-תדר של אותות DDS ניצבים היא רק דוגמה אחת ממה שניתן לעשות עם האפנן הניצב AD8346. הוא יכול למעשה להעלות כל אות אנלוגי ניצב בפס-בסיס (dc עד 70 מגה-הרץ) עם ביטול פס-צד דומה.
העלאת-תדר SSB ניצב
האפנן הניצב AD8346 מספק ביצועי העלאת תדר SSB מרשימים, המאפשרים אותות בפס-הבסיס לאפנן ישירות תדרי המתנד המקומי מ-800 מגה-הרץ עד 2.5 גיגה-הרץ עם דחייה טיפוסית של 36 dB של פס הצד המיותר ותדרי LO. האות המועלה בתדר יכול להיות בדילוגי תדר, בספקטרום מורחב או יציב; ולא-מאופנן או מאופנן בפס רחב בתוך רוחב-הפס המורשה במבוא. כדי להעלות בתדר אותות ניצבים מסונטזים על-ידי ה-DDS, הדיאגרמה המלבנית באיור 1 מראה כיצד יש להזין את אותות המוצא של ה-AD9854 למבואות ה”אפנון פס הבסיס” הדיפרנציאלי של ה-AD8346 לשם העלאת תדר ה-SSB בקרבת תדר ה-LO.
בהעלאת תדר ניצבת, שני מערבלים מוזנים ב-LOs של סינוס וקוסינוס, הנגזרים פנימית ממתנד איכותי מוארק המסופק על-ידי המשתמש. המערבלים מקבלים אותות פס-בסיס בסינוס וקוסינוס (אותות מוצא ה-DDS מסוננים) שיש להעלות באופן סימטרי מעל ה-LO הקבוע. שני מוצאי המערבלים מסוכמים פנימית כדי לחבר רכיבים במופע ולדחות רכיבים ניצבים של מוצאי המערבל. התוצאה הסופית (ללא סינון נוסף) היא מתח ללא-נושא, בעל פס צד יחיד ב-dBm 10- ועכבה של 50 אוהם, בתדר שהוא או הסכום או ההפרש של אותות ה-LO ופס הבסיס, בתוספת שאריות של פס הצד של ה-LO והנגדי.
אפנון ניצב, הדורש קשרי מופע מדויקים, איננו מושג חדש. לפני חמישים שנה, אחד השימושים הראשונים של האפנון הניצב היה לספק אותות רדיו-טלפון בחד-פס; הדבר נקרא אז “phasing method”. אולם, ה-”filter method” זכתה לבכורה מאחר שלא קל לשמור על קשרי המופע הניצב ברוחב-פס ניכר בכל שיטה אנלוגית. שתי השיטות שימשו בעיקר בתדרי IF נמוכים, במגמה להרחיק את פס הצד המיותר ולבטל את ה”גל הנושא”.
ה-DDS AD9854 מספק אותות מוצא ניצבים בדיוק דיגיטלי (דיוק טיפוסי שתי-עשיריות של מעלה) מ-dc עד מעל 120 מגה-הרץ, תוך שימוש במקור שעון של 300 מגה-הרץ. בדוגמה המוצגת באיור 1, ניתן להפיק את השעון מה-LO האיכותי אם הוא יחולק בהתאם. שגיאת מופע הניצב של ה-AD8346 היא כ-1 מעלה בתחום המוצא של 800 עד 2500 מגה-הרץ. התקנים אלה כוללים מערך שבבים שיכול להיות מאוד שימושי במעגלי תקשורת רחבת-פס דיגיטלית ואנלוגית, מספקטרום מורחב עד טלוויזיה.
כדי להעריך טוב יותר את יתרונות העלאת התדר הניצבת, כדאי להשוות שתי שיטות מקובלות להפקת אותות UHF ומיקרוגל מבוססי-DDS:DDS/PLL frequency multiplication ו-single-stage mixer upconversion.
הכפלת PLL/DDS
הכפלה ב-PLL של אות DDS לתדרי UHF ומיקרוגל נעשית בצורה קלה וחסכונית, אך במחיר מסוים: היתרון המושג ב-DDS יופחת בכל היבט רצוי, כולל מפרט המופע-רעש, זמן רכישה של תדר חדש, רזולוציה בתדר ותחום דינמי משוחרר מתדרים כוזבים (spurious) (SFDR). צירופים של /PLL/DDS/מערבל/ מסנן המקטינים את שיבוש האות אכן קיימים, אולם המורכבות והעלות של מימושים מרובי-דרגות אלה עשויות להיות בלתי-מקובלות. איור 2 מראה מימוש DDS/PLL טיפוסי.
רעש המופע במוצא ה-PLL הוא תופעה ברורה וקלה להבחנה; בהגדלה היא תפגע בביצועים ביחס לגורם ההכפלה של ה-PLL (המבוטא ב-dB, 20 log fOUT/fIN). לדוגמה, אם התדר של אות DDS ב-10 מגה-הרץ מוכפל ב-100, כדי לקבל מוצא של 1 גיגה-הרץ מה-PLL, רעש המופע במוצא בתוך רוחב-פס הלולאה של ה-PLL יהיה גדול ב-40dB מאשר עם אות המבוא המקורי. יתר על כן, אותות כוזבים בתוך רוחב הפס של לולאת ה-PLL יגדלו באותו המספר. הדבר עשוי לגרום לרמות אותות כוזבים בלתי-קבילות שהן ב-40 dB יותר גדולות מאשר אות המבוא של ה-DDS.
גרפים ספקטרליים מראים בנקל כיצד רעש המופע של אות DDS מושפע לאחר הכפלתו ב-64 במעגל ה-PLL שבאיור 2. איור 3 מראה את אות המבוא של ה-DDS אל ה-PLL ב-14 מגה-הרץ ואיור 4 מראה את אות ה-DDS המוכפל ב-PLL ב-896 מגה-הרץ. “חצאית” הרעש הלבן היא החתימה של רעש המופע המשובש.
כדי להציג את השפעת הכפלת ה-PLL על רמות האותות הכוזבים, אות ה-DDS אופנן כדי ליצור שפע של אותות כוזבים ברמה נמוכה הקרובים לתדר הבסיס. איור 5 מראה את האות DDS המאופנן שהוזן ל-PLL, בעוד איור 6 מראה כיצד הוגדלו אותות כוזבים אלה בתוך רוחב פס הלולאה של 30 קילו-הרץ של PLL. שים לב שבמרחק מעל 60 קילו-הרץ מהנושא, אמפליטודות האותות הכוזבים אינן מושפעות. רעש המופע לא שונה וגם שום פרמטרים אחרים לא שונו.
בנוסף לרעש המופע, ריצוד התזמון וההתדרדרות ברמת האות הכוזב, תכונות DDS רצויות נוספות, כולל כלילות האות ורזולוציה יושפעו לרעה עם הכפלת ה-PLL. אפילו רזולוציית התדר תיעשה פי N גרועה יותר מאשר רזולוציית ה-DDS ורכישת תדרים חדשים תוגבל על-ידי זמן ההסדרה של ה-PLL (שיכול להיות עד כדי 10,000 פעם יותר ארוך מזה של ה-DDS).
העלאת התדר
DDS/ מערבל
חלופה טובה יותר הזמינה למתכנן היא להעלות אות DDS לתדרי UHF/מיקרוגל על-ידי שימוש במערבל. ההעלאה איננה מעלה משמעותית את רמות האות הכוזב או את רעש המופע. יתר על כן, גמישות התדר והרזולוציה אינן מושפעות. המכשול הגדול ביותר שיש לעבור הוא הנוכחות של מוצא פס-הצד הכפול (double-sideband –DSB): LO+DDS ו-LO-DDS, וכל מעבר LO המתהווה.
איור 7, המראה אזור הספקטרום של 200 מגה-הרץ של מוצא מערבל בעל נושא מדוכא (LO),בהעלאה יחידה, מדגים בעיה זו עם העלאה. שני פסי-הצד הם מרוחקים 50 מגה-הרץ, עם מעבר LO בתדר באמצע בין השניים ב-1.04 גיגה-הרץ. פיזור זה של 50 מגה-הרץ הוא רק 5% מתדר המוצא של 1 גיגה-הרץ. סינון האותות כדי להרחיק את פס-הצד הבלתי רצוי ואת מעבר ה-LO יהיה מאוד קשה. אם מעלים את תדר המוצא ל-2 גיגה-הרץ, הדבר עלול לסבך את העניינים עד לנקודה שהסינון הופך ללא מעשי. כדי להתגבר על בעיה זו, המתכננים כוללים לרוב דרגות מרובות של ערבול וסינון כדי ליצור אות DSB בעל מרחב פס-צד גדול יותר ב-UHF/מיקרוגל, שיהיה קל יותר לסנן אף על חשבון המורכבות והעלות.
תוצאות מעבדה של העלאת DDS
מימוש ניצב של מעלה התדר SSB שבוצע במעבדה עשה שימוש בכרטיסי הערכה עבור ה-AD9854 ו-AD8346. נדרשו שינויים של כרטיס ההערכה AD8346 כדי לקבל את האותות המסוננים, הניצבים, המוארקים המסופקים על-ידי כרטיס ההערכה AD9854, היה צורך להעלות את רמות מתח המוצא כדי להתאימו לדרישות המבוא של ה-AD8346. דיאגרמה של החיבור והשינויים במעבדה מוצגת באיור 8. השינויים הם כדלקמן:
1.הוסף שני שנאים 1:16 עם חיבור מרכזי להעלאת העכבה (Mini-circuits T16-6T) כדי להמיר אותות מוארקים ניצבים לאותות דיפרנציאליים ולספק העלאת מתח של 1:4. השימוש במשני המחובר במרכז אפשר להוסיף היסט מתח dc של 1.2 וולט לאותות הדיפרנציאליים כדי למלא אחר דרישות ממתח-המבוא של ה-AD8346.
2.הוסף נגדי סיומת של 1000 אוהם בכל מוצא של שנאי.
3.הוסף מקור ממתח של 1.2 וולט dc המורכב משתי דיודות סיליקון בעלות ממתח חיובי ממקוד המתח של 3.3 וולט דרך נגד מגביל-זרם של 2000 אוהם. חבר לחיבור המרכזי של הסלילים המשניים של השנאי בשני הערוצים I ו-Q.
בדיקת תסדיר זה בחנה את ציפיות הביצועים המפורטות בדפי המפרט של ה-AD8346 כאשר אותות המקור הניצבים מה-AD9854 הותאמו כדי לפצות על שגיאת מופע הניצב וחוסר איזון האמפליטודה I ו-Q. ראה איורים 9 ו-10.
שגיאות בקשרי מופע הניצב I ו-Q מוכנסות אחרי שהאותות יוצאים מה-IC AD9854 -על-ידי המסננים, אורכי הכבל והעקבה של ה-PCB, הבדלים בשנאים וכד’. לא ניתן לתקן שגיאות במופע המערכת באמצעות שינויים בתוכנת ה-AD9854. המוצאים שלו קבועים באורח ניצב מדויק. שגיאות מופע ניתנות לתיקון על-ידי כוונון אורכי הכבל מה-AD9854 לכרטיס ההערכה AD8346. אי-שוויונות באמפליטודה ניתנים לתיקון על-ידי דרגות המכפיל הדיגיטלי סינוס וקוסינוס בלתי-תלויים, 12 ביט, של ה-AD9854.
איור 9 מראה קטע של 200 מגה-הרץ מספקטרום המוצא של ה-AD8346 הממורכז מסביב ל-1.05 גיגה-הרץ. אותות ה”מאפננים” בפס הצד העליון והתחתון של ה-DDS הם במרחק 25 מגה-הרץ מכל צד של ה-LO ב-1.04 גיגה-הרץ. בין האמפליטודות של פס הצד העליון המדוכא (upper sideband –USB) ופס הצד התחתון (lower sideband-LSB) המועדף קיים הפרש של -40 dB. הפרש זה שווה-ערך ליחס הספקים של כעשרת אלפים לאחד. רמה זו של דיכוי פס הצד מצביעה על אי-התאמה של כ-1 מעלה במופע אות המבוא.
מבט מקרוב (איור 10) של פס הצד התחתון (LSB) ב-1.015 גיגה-הרץ מראה כלילות אות מצוינת. זאת בהשוואה בולטת לאות המוכפל-PLL באיור 4. כפי שצוין לעיל, אותות הסינוס והקוסינוס DDS אל האפנן הניצב ניתנים להחלפה כדי לגרום שפס הצד המשלים יהיה מועדף.
אמפליטודת המעבר LO (-36 dB) גדולה מפס הצד המדוכא בתסדיר זה. רמת המעבר של ה-LO איננה מושפעת מהמופע או מהאמפליטודה של אותות המבוא I&Q של ה-DDS. כדי להקטין את משמעות העברת ה-LO, יש למרב את רמות המתח של אותות המבוא I&Q (1V p-p) בכל פין מבוא דיפרנציאלי.
סיכום
אפנון ניצב הוא שיטה ממוסדת וחסכונית של העלאת תדר ה-DDS לתדרי UHF ומיקרוגל, מבלי לאבד כל תכונה רצויה של טכנולוגיית ה-DDS או להתפשר על איכות האות. האפנן AD8346 מפשט את התהליך. זוהי התאמה “טבעית” ל-DDS AD9854, עם המוצאים הניצבים הדיפרנציאליים שלו. בעזרת LO איכותי, אפשר להשיג בנקל מוצאים SSB ב-UHF ומיקרוגל.
בעזרת מודי האפנון המגוונים של ה-AD9854, יישום זה תומך במעורר AM,
FM, PSK, FSK (כמעט) מלא בתדרי מוצא מיקרוגל. על-ידי עיבוד אות נוסף זעיר של המוצאים DDS AM בנושא מדוכא I&Q, אפשר להשיג SSB דיבור או אפנון אמפליטודה אחר. איור 11 מראה כיצד יש לחבר את ה-ICs עם מקורות אפנון חיצוניים והתקני בקרה כדי לבצע משימות תקשורת.
ניתן להשתמש בדחייה הטיפוסית של פס-צד ו-LO של 36-dB ביישומים רבים, וסינון המוצא הופך למשימה פחות כבירה ביישומים יותר תובעניים. כיוונון מתאים של קשר מופע האות I&Q DDS ואיזון האמפליטודה עשויים להגדיל את ביטול פס-הצד עוד יותר.
אם כי תוכנן במיוחד כדי לספק את אותות המוצא המתאימים ללא צורך ב-DDSs מרובים כדי למלא פונקציה זו, ה-AD9854 ביישום המתואר כאן איננו הדרך היחידה לשלב DDS ואפנון ניצב. אפשר להשתמש גם ב-ICs DDS אחרים , כגון ה-AD9850, AD9851 וסדרת ה-AD983x בזוגות ניצבים. אם ניתן לסנכרן שני DDSs, סביר שניתן לתכנת אותם כדי להשיג מוצאים ניצבים תוך שימוש במעגלי היסט-מופע פנימי. לרשימה מלאה של מוצרי DDS ואפננים דיגיטליים, ולשם גישה לרשימות טכניות ודפי נתונים, פנה למרכז המידע www.analog.com/dds. כדאי גם לציין שאמפליטודות המוצא I&Q הניתנות לתכנות עצמאי של ה-AD9854 הופכות את התאמת המוצאים למשימת תוכנה פשוטה.
הפשטות היחסית והחיסכון של העלאת התדר SSB ב-DDS ניצב עד מעל 2 גיגה-הרץ צריכים לעודד את הקוראים לשקול הוספת טכניקה זו לרפרטואר שלהם. היא שומרת על כל תכונת DDS רצויה בתדרי מיקרוגל, ובת-בבת מקטינה בצורה דרסטית את פס הצד המיותר והלא-רצוי של העלאת תדר רגילה של פס-צד כפול-מערבל.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת אנלוג מכשורים ישראל בע”מ
