Mark Elo, Giga-tronics
יצירת תדר מהיר –
כמה מהר אני יכול לכוונן?
מכיול מקלטים סלולריים ועד משדרי לוחמה אלקטרונית מהירים, היכולת לעבור מתדר אחד למשנהו ולקבוע אמפליטודה ותדר ספציפיים הם דרישת-מפתח עבור מחוללי אותות מיקרוגל. אולם, מה מגדיר מעשית את מהירות מיתוג התדר? אילו רכיבים בדיאגרמה המלבנית תורמים? מהן פשרות המפרט ביחס לבחירת הארכיטקטורה והטכנולוגיה? כדי לסייע לענות לכל השאלות האלו, ובתקווה ליצור מעט אחדות, הבה נפרק את מחולל האותות שלנו ונראה מה תורם ולמה.
איור 1
ראשית עלינו להגדיר מה אנחנו מתכוונים ב”מהירות מיתוג התדר”. לצורכי מאמר זה, נגדיר אותה כזמן הדרוש כדי להעביר תדר מוצא של מסנתז מתדר A לתדר B. בסוף פרק זמן זה אנחנו נגדיר עד כמה אנחנו קרובים במונחים של הֵרצים לתדר הרצוי ובתוך כמה dB’s של אמפליטודה נמצא מוצא המקור ביחס לאמפליטודה המוחלטת הרצויה.
שאלה: מדוע לא יכולים להיות התדר והאמפליטודה הרצויה, מדוע עלינו להגדיר פרמטרי הסדרה (settling) אלה? אנחנו נלמד את התשובות בפרוטרוט במהלך מאמר זה, אך לעת עתה התשובה היא שמעגלי התדר והאמפליטודה משתמשים כולם בסוג של סינון או מנגנון משוב. מנגנונים אלה כוללים את קבועי הזמן הכרוכים הנוצרים על-ידי שיהוי קבוצת הסינון, רכיבים המתפרקים/נטענים, פונקציות היסטרזיס, שינויי טמפרטורה ומהירויות מיתוג אלקטרוניות. כמובן ככל שיש פחות מעגלים אנלוגיים יהיה המכשיר מהיר יותר; קיימת שיטה דיגיטלית במלואה ואנחנו נראה מדוע והיכן פועל הסנתוז הדיגיטלי הישיר (Direct Digital Synthesis – DDS) וכיצד הוא מתמודד עם מחוללים אנלוגיים מבוססים על VCO ו-YTO .
איור 1 מראה את הדיאגרמה המלבנית של מחולל אותות קונספטואלי. עקרון הפעולה הוא ישיר: החל בייחוס – הוא עושה מה שהוא אומר, ומחולל תדר ייחוס עבור המסנתז האמור להשוות כנגד או להכפיל (תלוי בסוג ארכיטקטורת המסנתז בשימוש). רכיב המסנתז של הדיאגרמה המלבנית מפיק תחום תדרים. לדוגמה, מחולל האותות מיקרוגל 2500B של Giga-tronics, הנקרא מסנתז בלתי-ישיר (יותר על כך בהמשך), משתמש במה שאנחנו מכנים מחולל מכוון YIG בעל תחום רחב של 4 עד 10 גיגה-הרץ. לאחר מכן שורה של מכפילים מתוחמים ממותגים מספקים את התדרים הגבוהים יותר, לדוגמה 10 עד 20 גיגה-הרץ מסופק בעזרת הכפלה x2, 20 עד 40 גיגה-הרץ על-ידי x4 ו-40 עד 50 גיגה-הרץ על-ידי x6. לבסוף כדי להבטיח שהאמפליטודה נקבעה נכון יש דרגת מוצא ויישור המשתמשת לעתים קרובות במעגל אשר מכוון עדין את רמת האמפליטודה אוטומטית – המכונה ALC או Automatic Level Control.
ננתח עתה את הדיאגרמה המלבנית ונראה כיצד כל אחד ממרכיביה תורם למהירות מיתוד התדר.
הייחוס
לא חשוב מה סוג הארכיטקטורה בשימוש, כל מחוללי האותות משתמשים בתדר ייחוס. זהו התקן בעל תדר קבוע ומספק אות “ייחוס” יציב ביותר המשמש ליצירת אותות המיקרוגל שאנחנו מבקשים להפיק. זהו מרכיב הכרחי בדיאגרמה המלבנית ותורם עיקרי לרעש מופע צמוד – אך לצורכי הדיון שלנו אין לו השפעה על מהירות מיתוג התדר.
המסנתז
זהו לב המכשיר; כאן אנחנו מפיקים את מה שאנחנו נכנה תדרי מיקרוגל בסיסיים. קיימות במהות שתי שיטות של ארכיטקטורות בהן ניתן להשתמש והמכונות לעתים קרובות שיטות סנתוז ישירות או עקיפות.
סנתוז ישיר
כיום בשוק קיימים מספר מחוללי סנתוז ישיר אנלוגיים. הם עושים בדיוק את מה שהם מפרסמים ומבצעים סדרת פעולות אריתמטיות על האות מייחוס התדר כדי להשיג את תדר המוצא הרצוי. לגישת הסנתוז הישיר יתרון בכך שהוא מאפשר רזולוציה עדינה ומיתוג מהיר כמו גם אות מוצא נקי ספקטראלית. מאחר שסוג זה של מחוללים משתמשים במספר רב של רכיבים, הם נוטים להיות יקרים וגם יש להם זמן ממוצע בין כשלים קצר יותר מאשר הגישה של הסנתוז העקיף.
לאחרונה התחלנו לראות את ההופעה של טכנולוגיית הסנתוז הישיר הדיגיטלי (Direct Digital Synthesis – DDS). במונחים של מהירות, DDS הוא בנקל הדרך המהירה ביותר ליצור תדר A, ואח”כ תדר B. בעולם מקורות המיקרוגלים זוהי טכנולוגיה קיימת ועתידית, המציעה מהירות כוונון מצוינת (מתחת למיקרו-שניות) בצירוף רעש מופע גדול. במונחים של אילו אותות יכולים להיווצר ובאיזו דרגה של טוהר ספקטראלי, טכנולוגיית ה-DDS מוגבלת כיום לתחום תדרים של גיגה-הרצים אחדים עם תוכן כוזב (spurious) גבוה. כך שלא חשוב אילו יתרונות במהירות ניתן לצבור במסנתז, מרכיבים כגון שורות של מכפילי תחומים ממותגים כדי להשיג תדרים גבוהים יותר (יתר פרטים בהמשך) ומסננים שיסייעו לנחת את האותות הכוזבים שלו תורמים להפחתת ביצועים במהירות המיתוג הכוללת של המכשיר.
סנתוז עקיף
רוב מחוללי האותות המסחריים לתדר גבוה הזמינים כיום משתמשים או בגישה של מתנד מבוקר מתח (Voltage Controlled Oscillator – VCO) או של מתנד מכוונן (YIG (YIG Tuned Oscillator או אף צירוף של שניהם (אחדים יכולים לכלול אף DDS). לטכנולוגיות YTO ו-VCO יכולת הפקת תדר גבוה מצוינת בשילוב עם ביצועים ספקטראליים מצוינים. במונחים של מהירות, סוג זה של גישה יכול לספק אותות מאוד נקיים עם מהירויות מיתוג תדר בסדר גודל של תת-מילי-שניות. לשתי הטכנולוגיות מרכיבי-מפתח וגרסאות שונות בארכיטקטורת ה-phased locked loop) PLL) המשמשת במעגלי סנתוז תדר רבים. הפעולה של PLL היא פשוטה ביסודה – דיוק התדר של המתנד VCO או YTO הוא פונקציה של ההפרש בין האות המופק ואות הייחוס. אם אות הייחוס הוא 100 מגה-הרץ, ואות המוצא הרצוי הוא 100 מגה-הרץ, אזי השגיאה היא אפס, כלומר אפס שגיאת הרצים ואפס שגיאת מופע. אם התדר הרצוי הוא 100 מגה-הרץ ומוצא המתנד הוא 100.1 מגה-הרץ, אזי יש לנו שגיאה של 0.1 מגה-הרץ, אשר תתורגם לשגיאת השוואת מופע; לבסוף לאחר סינון דבר זה מתבטא במתח תיקון. כמובן שהאות הרצוי הוא לעתים רחוקות אות הייחוס, כך שמעגל חלוקת תדר משמש להפחתת תדר האות המופק לזה של תדר הייחוס, בתוספת כמובן של שגיאת התדר. כפי שניתן לראות, למנגנון המשוב שבשימוש יש זמן הקשור לכמה מהר ניתן להשיג את התדר המבוקש. סדרת 2500B של מחוללי אותות של Giga-tronics משתמשת בטכנולוגיה של AHFF כדי לוודא שזמני המשוב נשארים מזעריים.
ל-VCO’s בסוג זה של מעגלים מוניטין שהם המשניים במרוץ המהירות אחרי ה-DDS. אולם ביצועי הרעש עשויים להיות גורם מגביל במיוחד במונחים של רעש מופע, מסביב ל-1 קילו-הרץ עד 1 מגה-הרץ. ישנן טכניקות המסוגלות להקטין זאת וקיימים בשוק מסנתזים בעלי רעש מופע נמוך יחסית.גישת במתנד המכוון YIG מקנה את הטוהר הספקטראלי הגבוה ביותר, אך הוא בעל מוניטין של להיות איטי יותר מאשר גישת ה-VCO. אולם למכשירים דוגמת ה-2500B של Giga-tronics יש תכנון ייחודי ביחס ל-YTO המשמש במסנתז. על-ידי הקטנה מספר הסיבובים בסליל הראשי של ה-YIG ועל-ידי שימוש במתח גבוה כדי להשרות EMF גבוה, ניתן לשפר את מהירות הכוונון של המערכת בצורה דרמטית.
עד כה, למדנו שאם אנחנו יכולים ליצור תדר בתחום הגיגה-הרץ הנמוך תוך שימוש ב-DDS בעל מהירות תת-מיקרו-שנייה, אך בעל תוכן כוזבים גבוה, אזי ניתן ליצור תדרים גבוהים יותר וטהורים יותר ספקטראלית תוך שימוש ב-PLL ועם VCO או YTO בעל מהירות מתחת למילי-שניות.
ל-VCO’s מוניטין שהם מהירים יותר אף פחות טהורים ספקטראלית, בשעה של-YTO’s יש מוניטין של איטיים יותר אך בעלי טוהר סםקטראלי מצוין. בעזרת חיפוש בין פטנטים שונים, תמצאו טכניקות עבור מעגלי YTO מהירים (אחת הדוגמאות היא ה-2500B של Giga-tronics) ומעגלי VCO בעלי רעש מופע מצוין.
מכפילי תדר, מסננים ומעל הכל מתגים
נומר שאנחנו רוצים להכפיל את ה-DDS 1 גיגה-הרץ, או ה-YTO 10 גיגה-הרץ? כדי לעשות זאת אנחנו חייבים להשתמש במעגל הכפלת תדר. בעולם האנלוגי, הכפלת תדר מבוצעת לרוב על-ידי יצירת תדר הרמוני על-ידי יישור, או במקרים מסוימים על-ידי עיוות האות; שתי השיטות דורשות מסנן מעביר תחום (אן מערך מסננים) כדי להחליש הכל מלבד ההרמונית הרצויה. גורמי הזמן הגדולים ביותר הנכנסים כאן למשחק הם שהמכפילים והמסננים מוכפלים לרוב על-ידי מתגים. לכל מתג יש זמן הקשור הן למעגל ההזנה המשמש והן למעגל הממתח. אם המתג הוא אלקטרוני אזי התזמון יכול להיות זניח (נומר עשיריות של ננו-שניות); אולם זמן מיתוג זה דורש ניהול, כלומר להציב אותו בלי הכוונון והקביעה של ה-PLL, או זמן התרגום להצבת מילת התדר עד היצירה המעשית של האות ב-DDS.
דרגת המוצא
דיוק אמפליטודה מוחלט עשוי להיות מכריע, במיוחד אם אתם משתמשים במחולל האותות לכיול השיטוח של מקלט. אולם, שמירה על דיוק אמפליטודה מוחלט בתוך תחום של תנאי הפעלה שונים במרוצת הזמן דורש לכלול לולאת משוב למדידת האמפליטודה המעשית ולתקן לאמפליטודה הרצויה. כמו עם ה-PLL, זוהי פעולה נוספת בתוך המכשיר העלולה להוסיף שיהוי תזמון נוספים. מכשירים רבים מציעים אופציה לא להשתמש ב-ALC, שיכולה להיות אפשרית אם המחולל לא משמש לכיול מקלט או אם ניתן לבקר את הטמפרטורה.
שיקולי בקרה
ניתן לפצל זאת לשני סוגי מהירות – מהירות דטרמיניסטית, כלומר אנחנו מכירים את המהירות המוחלטת של המערכת ומהירות לא-דטרמיניסטית, כלומר כאשר המהירות תשתנה על בסיס גורמים אחרים כגון מספר המכשירים הלוקחים חלק בממשק הבקרה. LAN ו-PCI (המשמש במכשור PXI) הם דוגמאות של האחרון בהיותם תומכים בממשק טורי. כדי להתגבר על חסרונות מהירות הממשק, למכשירים רבים יש יכולת לתכנת סדרת פקודות בתוך המכשיר; אלה נקראות לעתים רשימות. הרשימה המאוכסנת בתוך המכשיר תכיל רשימת תדרים ואמפליטודות לדוגמה; ניתן להגדיל כל מרכיב ברשימה הן על-ידי הגדרת זמן שהייה עבור מרכיב רשימה יחיד, או להגדיל את הרשימה על-ידי תיחול חיצוני. סדרת המכשירים 2500B מסופקת עם רכיב תוכנה קלה לשימוש המכונה Automation Express כדי להקל על יצירת רשימות. מסנתזים מהירים בעלי תדר ישיר משתמשים בממשקים דטרמיניסטיים ביותר, כאשר לעתים התדר הבא אליו יש לכוון את המכשיר עשוי להיות בלתי-ידוע.
סיכום:
צוואר הבקבוק הנע
במכשירים רגילים בעלי ביצועים גבוהים, צוואר הבקבוק כיום הוא המסנתז. עם התבגרות טכנולוגיית ה-DDS נוכל לראות את צוואר הבקבוק נע מהמסנתז עצמו אל המתגים הבוחרים את המכפילים ואף אל שיהוי הקבוצה של המסננים. כמו בכל בעיה הנדסית, אנחנו ניצבים בפני מספר דרכים לפתור את הבעיה, כאשר לכל אחת מכלול ספציפי של פשרות.
טכנולוגיית ה-DDS, אם כי מהירה ביותר, דורשת סינון ודרגות רבות של הכפלה, שלא רק גורמים ליותר איבודי זמן מיתוג לאורך התחומים, אלא גם התדרדרות ברעש המופע עבור כל הכפלה. סוסי העבודה כיום הם מסנתזים מבוססי YTO או YIG, המציעים זמני מיתוג מתחת למילי-שנייה עם טוהר ספקטראלי מצוין. לבסוף, ללא קשר באיזו גישה של המסנתז מתוכנן המכשיר, אל תשכחו לקחת בחשבון את שני צווארי הבקבוק הסופיים: (1) מעגל המוצא הדרוש עבור דיוק אמפליטודה מוחלק גבוה, ו-(2) קביעת הבחירה הטובה ביותר על הדרך בה המכשיר מבוקר: הן על-ידי שימוש בבקרה ישירה על LAN אוPCIe , או על-ידי שימוש ברשימה פנימית.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת להט טכנולוגיות בע”מ
