סינתזת ת"ר קוהרנטית בריבוי ערוצים

חברת Hozworth Instrumentation היא ספקית של סינתיסייזרים בעלי ביצועים גבוהים לת”ר (RF) בריבוי ערוצים הידועים בביצועי רעש המופע (פאזה) הנמוכים ביותר שלהם. בנוסף, לסינתיסייזרים אלו, שאינם מבוססים על חוגי PLL, יש מאפייני מופע ייחודיים, אשר מוסיפים ערך רב ליישומים מסוימים. מאמר זה עונה על כמה שאלות נפוצות בנוגע לסינתזה בריבוי ערוצים ומספק מבט מעמיק על הפשרות ההנדסיות שיש לבצע בתכנון של סינתיסייזרים.

השוואת ארכיטקטורות המשמשות לסינתזה
קיימים נתיבים רבים ליצירת ארכיטקטורה של סינתזת ת”ר בפס רחב. בתלות ביישום, קיימות פשרות שאותן יש לקחת בחשבון. טבלה 1 משווה את הפרמטרים העיקריים של סינתיסייזרים בין שלוש ארכיטקטורות נפוצות: DDS/אנלוגית ישירה (הגישה של Holzworth), מבוססת חוג PLL, ואנלוגית.

הגדרות
רציפות מופע, קוהרנטיות במופע וזיכרון של המופע הם שלושה מונחים שמשמשים לעתים קרובות, אם כי לא תמיד מובנים היטב בהקשר של סינתיסייזרים לת”ר. בנוסף, לא פעם מחליפים בין המונחים האלה. לצורך הבהרה, נגדיר להלן את שלושת המונחים האלו, כפי שהם משמשים בחברת Holzworth, וכן נספק במאמר זה צורות גל לדוגמה, על מנת להסביר את התפישות הבסיסיות.
מופע רציף – Phase Continuous – אות נמצא במופע רציף אם המופע שלו הוא פונקציה רציפה של הזמן, ללא כל קפיצות, אפילו עם הופעתם של שינויים בתדירות. הסינתיסייזרים של Hozworth הם בעלי מופע רציף עבור שינויי תדירות בפס צר.
מופע קוהרנטי – Phase Coherence – בתוך ההיקף של מאמר זה, אנחנו מגדירים קוהרנטיות בין אותות (שיש להם אותה תדירות ייחוס) כמצב שבו קיים יחס כזה, שצופה יכול לחזות במדויק את המצב של כל אחד מהאותות בכל רגע נתון, בהתבסס על צפייה במצב של כל אחד מבין האותות האלה בנקודת זמן יחידה. הסינתיסייזרים בעלי ריבוי הערוצים של Holzworth הם בעלי מופע קוהרנטי.
זיכרון של המופע – Phase Memory – סינתיסייזר בעל זיכרון של המופע יכול לעבור מתדירות אחת לאחרת ואז לחזור לתדירות הראשונה, ולהימצא במצב המופע כאילו שהסינתיסייזר מעולם לא הפסיק את התדירות המקורית. יכולת זו משולבת בארכיטקטורות הסינתזה בערוץ יחיד ובערוצים מרובים של Holzworth.

מופע רציף
איור 1 מדגים את ההבדל היסודי שבין מיתוג תדירויות עם מופע רציף וללא מופע רציף. בדוגמה הראשונה יש לאות מופע רציף, מאחר שלא קיימות קפיצות פתאומיות במשרעת (amplitude) והתדירויות וההתחברות לתדירויות החדשות נעשית באותו המופע שבו נותקו התדירויות הקודמות. הקפיצות ברמת האות בזמנים t = 2 ו-t = 4 שבדוגמה השנייה מציינות אי רציפויות במופע.

מופע קוהרנטי
אם נשאל שלושה מדענים או מהנדסים שונים, מה המשמעות של המונח קוהרנטיות, ככל הנראה נקבל שלוש תשובות שונות. בתחום ההיקף שבו עוסק מאמר זה, נגדיר קוהרנטיות בין אותות כמצב שבו קיים יחס לפיו צופה יכול לחזות את המצב של כל האותות האחרים בהתבסס על תצפית על מצבו של אות אחד. מנקודת מבט מעשית, המשמעות של קוהרנטיות בין אותות ת”ר היא שברגע שיש בידינו ידע מבוסס על היחס בין המופעים של שני אותות או יותר באמצעות מדידה, היחס הזה יישאר ללא פגיעה כל עוד המערכת פועלת. מדידת יחסי המופעים בין הערוצים של סינתיסייזר מרובה ערוצים של Holzworth מאפשרת למשתמש לחזות במדויק באמצעות חישוב מה יהיו יחסי מופעים אלו והיכן בכל זמן בעתיד או בעבר.
כדוגמה אפשר לחשוב על סינתיסייזר בעל שני ערוצים כשערוץ אחד מחולל אות של 1 ג’יגה הרץ והערוץ השני מחולל אות של 2 ג’יגה הרץ. נניח שעם הפעלת המערכת, צורות הגל נמדדות באמצעות משקף תנודות (אוסצילוסקופ), ובקרת המופע בסינתיסייזר מכווננת כך שההשהיות בין שפת העלייה של האות בן 2 ג’יגה הרץ לבין שפת העלייה של האות בן 1 ג’יגה הרץ הן – 75 פיקו שנייה ו-425 פיקו שנייה, בהתאמה. אם נעזוב בשלב זה את המערכת, ונשוב אליה לאחר דקה, שעה, שבוע, או שנה ונמדוד שנית את שפת העלייה של האות של 1 ג’יגה הרץ, נדע ששפות העלייה של האות הפועל ב-2 ג’יגה הרץ מופיעה 75 פיקו שנייה לפני ו-425 פיקו שנייה אחרי שהאות הפועל ב-1 ג’יגה הרץ חוצה את קו האפס, אם לסינתיסייזר יש מופע קוהרנטי.

זיכרון של המופע
נושא שלישי בעל חשיבות מרכזית בסינתיסייזרים לת”ר הפועלים במיתוג הוא הזיכרון של המופע. איור 2 מציג שלוש דוגמאות המתארות את הזיכרון של המופע ואת הרציפות. בדוגמה הראשונה יש שני תרשימים המוצגים זה על גבי זה כדי להראות אות של סינתיסייזר עם רציפות מופע ועם זיכרון של המופע. לאחר החזרה (עם רציפות) אל התדירות המקורית, המופע של אות הסינתיסייזר (הקו הכחול) מתאים להתקדמות של האות המקורה (הקו הירוק). בדוגמה השנייה מוצג אות של סינתיסייזר (הקו הכחול) אשר משנה את התדירות שלו, ולאחר מכן הוא חוזר לתדירות המקורים עם זיכרון של המופע, אם כי ללא רציפות של המופע. בדוגמה השלישית מוצגים אותות שמשקפים באופן הקרוב ביותר את ההתנהגות של אותות ממעגלי DDS הזמינים באופן מסחרי בשוק, יש להם רציפות מופע, אך לאחר החזרה לתדירות המקורית, קיימת הזזת מופע בין המוצא החדש של הסינתיסייזר לבין ההתקדמות בזמן של אות הסינתיסייזר המקורי.

ארכיטקטורת DDS/ אנלוגית ישירה של Holzworth
חברת Holzworth מממשת סינתזה קוהרנטית בריבוי ערוצים על ידי שילוב סינתזה ספרתית ישירה (DDS) עם ארכיטקטורה של המרה אנלוגית ישירה של התדירות כלפי מעלה עם תכנון קנייני לייחוס של הפיזור. ארכיטקטורת DDS מספקת נתיב אופטימלי לסינתזה ברעש נמוך עם מיתוג מהיר ועם רזולוצית כיוון תדירות עם רגישות גבוהה במיוחד. ארכיטקטורת המכפלה האנלוגית הישירה והמרת התדירות כלפי מעלה של Hozworth מרחיבה את התכונות האלו אל תדירויות גבוהות יותר מאשר אלו הקיימות באופן ישיר במעגלי DDS.
איור 3 מציג ארכיטקטורה מפושטת אנלוגית ישירה של סינתיסייזר עם מעגל DDS היברידי. בכל מחזור של אות השעון נוספת מילת כיוון התדירות (FTW) הניתנת לתכנות לערך הקיים במעגל צובר (accumulator) המופע הספרתי. באותה העת, הערך של המופע הקיים מומר לגודל ספרתי ביחידה להמרת המופע למשרעת הממומשת בדרך כלל באמצעות טבלת חיפוש (look up table) מבוססת זיכרון ROM או באמצעות אלגוריתם שפותר צורת סינוס במעבד DSP. כמו כן, באותו הזמן ערך הגודל הספרתי הקיים מועבר לתוך ממיר DAC אשר מחולל צורת גל אנלוגית. מסנן החלקת אותות (anti aliasing) המחובר עם מעגל אנלוגי להכפלת תדירויות ולהמרת תדירויות כלפי מעלה מרחיב את רוחב הפס של הסינתיסייזר מעבר לרוחב הפס שאפשר היה להגיע אליו ישירות מתוך מעגל DDS.

הארכיטקטורה המסורתית של מערכות אנלוגיות ישירות
איור 4 מציג את הארכיטקטורה המסורתית של מערכות אנלוגיות ישירות אשר משתמשת בכפל ובחלוקת תדירויות, במסנני בחירה, בערבלי תדירויות ובמסנני שיקוף (image filter), על מנת להפיק את התדירות האנלוגית הרצויה. הרחבה של רוחב הפס או של רזולוציית הכיוון גרמה למורכבות גבוהה יותר של המסננים עבור מפרט נתון של רמת דרבון (spur) על מנת לדחות אותות משוקפים אחרי דרגות ערבול התדירויות.
ארכיטקטורת ריבוי הערוצים של Hozworth
כאשר דוחפים שני ערוצי DDS באותות שעון קוהרנטיים ויחס המופעים בין היציאות האנלוגיות מוגדר, ידיעת המצב של אחד הערוצים מאפשרת לחזות בודאות את מצבה של היציאה האנלוגית של הערוץ השני. תדירות המוצא של מעגל DDS היא פונקציה של תדירות אות השעון הספרתי ושל מילת כיוון התדירות. יחס זה מוצג במשוואה 1.
משוואה 1:
במשוואה 1 N, הוא מספר הסיביות במעגל צובר המופע הספרתי. אפשר לחשב את רזולוציית הכיוון של מעגל DDS על ידי הוספת הערך 1 למילת FTW ופתרון משוואה 1. למשל, עם אות שעון של 100 מגה הרץ ועם צובר של 32 סיביות, רזולציית כיוון התדירות היא בערך 23mHz. יש לשים לב שהמעגל האנלוגי להכפלת התדירות יפגע ברזולוציית התדירות שאפשר להגיע אליה לעומת מערכת שלמה של סינתיסייזר.
אתגר הנדסי משמעותי במימוש סינתיסייזר מבוסס מעגלי DDS קשור לדיוק המוחלט של התדירות. נניח שסינתיסייזר מבוסס מעגל DDS מקבל אותות שעון ממקור ייחוס חיצוני מעבדתי של 10 מגה הרץ בתקן “זהב”, והמשתמש מעוניין לחולל אות של 100 קילו הרץ. עם צובר מופע של 16 סיביות ואות שעון של 10 מגה הרץ, התוצאה עבור מילת FTW המתאימה ביותר היא 655.36. עם זאת, מילות FTW המשמשות מעגלים משולבים של מערכות DDS הזמינים באופן מסחרי מתוכנתות כערכים של מספרים שלמים. תכנות הערך 655 או 656 עבור הערכים של מילת FTW יגרום לתדירויות מוצא אנלוגי של 99.945068 קילו הרץ או 100.097656 קילו הרץ בהתאמה. עם כמות גדולה יותר של סיביות בצובר המופע הספרתי, הגודל של השגיאות בתדירות היה מוקטן באופן משמעותי בהשוואה לדוגמה המשתמשת ב-16 סיביות. הדוגמה באה להדגים את הקושי הכרוך ביצירה של יציאה שהיא מכפלה שלמה במדויק של תדירות אות הייחוס או של תדירות אות השעון.

הנכסים האינטלקטואליים של חברת Hozworth
חברת Holzwort מציעה אפשרות של ארכיטקטורה (OPT-INTGR) באמצעות טכניקות שפותחו במיוחד לצורך תיקון שגיאת העיגול של מילת FTW. באמצעות השילוב של משוב אנלוגי וספרתי, הסינתיסייזרים של Hozworth יכולים ליצור תדירויות מוצא עם יחסים מדויקים במספרים שלמים בין התדירויות השונות תוך שמירה שגיאה בגודל אפס בסחיפת המופע ביחס לתדירות של אות ייחוס חיצוני.
סיבוך נוסף שקשרו לארכיטקטורה מבוססת מעגלי DDS סובב סביב רציפות המופע והזיכרון של המופע תוך כדי מיתוג תדירויות. התייחסות לדוגמאות שנזכרו קודם של מיתוג תדירויות עם מופע רציף וללא מופע רציף שבאיור 1, תסייע בהדגמת הנקודה הזו. בסינתיסייזר מבוסס מעגלי DDS, אם מילת FTW תתוכנת לערך חדש, היציאה האנלוגית של מעגל DDS תהיה עם מופע רציף. אם מילת FTW תתוכנת לערך חדש, וצובר המופע הספרתי נמחק בו זמנית או שהוא מוחזר לערך הגדרה מוקדמת כלשהו, כי אז היציאה האנלוגית תהיה ללא מופע רציף אלא אם העדכון של תכנות מילת FTW ושל צובר המופע יתבצעו בסנכרון עם מופע של מוצא אנלוגי מסוים.

מיתוג תדירויות
בפס צר
איור 5 מציג לכידת מסך של משקף תנודות המציג מעבר של סינתיסייזר של Hozworth מ-10 מגה הרץ ל-110 מגה הרץ. המעבר מתבצע עם מופע רציף בדומה לצורת הגל בדוגמה הראשונה שבאיור 1. השינוי בתדירות בסינתיסייזר מבוסס מעגל DDS מבוסס על תכנות מילת FTW, כך שבשעה שיש זמן אחזור ספרתי והשהיית מעבר (propagation delay) דרך המעגל האנלוגי, השינוי בתדירות ביציאה האנלוגית של מעגל DDS הוא מיידי. עם שינוי התדירויות מופיעות מעט אדוות במשרעת של ת”ר והן כתוצאה מהתגובות של המסננים האנלוגיים לתדירות ושל מעגל הבקרה האוטומטי הממוקם בין היציאה האנלוגית של מעגל DDS לבין יציאה ערוץ הסינתיסייזר.

מיתוג תדירויות
בפס רחב
איור 6 מציג לכידת מסך של מעבר שמבצע סינתיסייזר של Holzworth בין פסי תדירויות אנלוגיות שונים. במהלך המעבר מפס תדירות אחד לאחר, המוצא בת”ר יורד לרגע קצר. הסינתיסייזרים של Holzworth מוגדרים באופן כזה שהם פועלים במהירויות מיתוג גבוהות יותר מ-10 מיקרו שנייה. כאשר מודדים את ההשהיה בין סוף מעטפת פס התדירות הראשון לבין תחילת מעטפת פס התדירות השני, אפשר לראות שמעבר זה מתרחש תוך 20 מיקרו שנייה בערך. עם הכניסה לפס התדירות החדש, ההשפעה של מעגל בקרת הרמה האוטומטי ברורה יותר מאשר במצב של עדכון תדירות המתבצע באותו פס תדירויות. ההתייצבות של המשוב בחוג בקרת העוצמה האוטומטית יכולה להימשך עד 1 מילי שנייה, כך שבשעה שתדירות המוצא תקיפה ברגע שאות ת”ר מתחיל לפעול, ההתייצבות של המשרעת יכולה להימשך זמן רב יותר בהרבה.

מסקנות
ביישומים שבהם יש למופע רציף, מופע קוהרנטי ולזיכרון של מופע חשיבות עליונה בהחלט, הגישה הישירה של מעגל DDS/ האנלוגית לסינתזה של אותות ת”ר תהיה אופטימלית לאספקה של דיוק מוחלט וגם של דיוק יחסי ולביטול של שגיאות תדירות. בנוסף, ארכיטקטורת מעגל DDS/אנלוגית ישירה של Holzworth יכולה לתמוך במהירויות מיתוג מהירות ביותר (פחות מ-1 מיקרו שנייה מהפקודה הספרתית לעדכון התדירות עד למוצא אנלוגי תקף).
מערכת ההנדסה של חברת Holzworth מחדשת בטכנולוגיות חדשות אשר דוחפות את המעטפת של הטכנולוגיה האפשרית בסינתזה של אותות ת”ר בביצועים גבוהים, ומציעה טווח רחב של מוצרים מסחריים מהמדף (COTS) ושל פתרונות ייחודיים ליישום עבור יישומים דורשניים.

המחבר: Jason Breitbarth, President, CTO
Holzworth Instrumentation

הכתבה נמסרה באדיבות להט טכנולוגיות.