في محولات البيانات عالية السرعة وتصميمات راديو 5G، غالبًا ما تكون مصادر التردد عبارة عن اختناقات مخفية. مع ارتفاع معدلات نقل البيانات وانتقال 5G إلى نطاقات أعلى، تصبح تلبية متطلبات الأداء أكثر صعوبة. تستمر قائمة المتطلبات في النمو وغالبًا ما يتعارض اتجاهها مع أهداف الأداء.
مثل أساس المبنى، كل شيء مبني على مصدر التردد سوف يتأثر إذا تغير. الساعة أو المذبذب المحلي الذي يتم التحكم فيه بالجهد (VCO) هو ذلك الأساس، وأي عدم استقرار له ينتشر في جميع أنحاء النظام، بغض النظر عن مدى جودة تصميم الأجزاء الأخرى.
جوهر كل مركب تردد هو حلقة مقفلة الطور (يشار إليها فيما يلي باسم PLL). PLL هي آلية قفل تردد الخرج إلى مرجع دقيق وإبقائه ثابتًا. إنه يميز مصدر تردد مستقر يمكن التحكم فيه عن مذبذب الانجراف.
تتطلب التطبيقات الحديثة مثل أجهزة الراديو والرادارات والمصفوفات الطورية ومعدات الاختبار متعددة النطاقات والبنية التحتية اللاسلكية التنقل المستمر بين الترددات المختلفة لتجنب التداخل أو دعم القنوات المتعددة أو إجراء تعديل الحزمة إلكترونيًا. في كل مرة يقوم النظام بتغيير التردد، يجب إعادة قفل PLL الخاص به. قبل ذلك، كانت الإشارة غير مستقرة وغير قابلة للاستخدام بشكل أساسي. يؤثر وقت إعادة القفل بشكل مباشر على سرعة استجابة المنتج بأكمله.
تعمل محولات البيانات عن طريق قياس إشارات الإدخال على فترات زمنية منتظمة ودقيقة، عادةً ملايين المرات في الثانية. تحدد الساعة وقت كل قياس. أي عدم يقين في التوقيت (المعروف أيضًا باسم الارتعاش) في الساعة يعني أن القياس يحدث في الوقت الخطأ، وبالتالي حدوث أخطاء، والتي تظهر كضوضاء عند الإخراج. كلما كانت الإشارة أسرع، كان التأثير أكثر خطورة.
في راديو 5G، تحدث نفس المشكلة بأشكال مختلفة. يقوم المذبذب المحلي بوضع إشارة الراديو بدقة على التردد الصحيح. يتم تحويل ضوضاء الطور في مصدر الساعة إلى ارتعاش أخذ العينات، مما يحد بشكل مباشر من نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للمحول ويؤثر أخيرًا على المؤشرات على مستوى النظام مثل سعة ناقل الخطأ (EVM).
وفي كلتا الحالتين، تكون النتائج واحدة: عدم اليقين بشأن مصدر التردد سيؤدي إلى خطأ لا يمكن تصحيحه في اتجاه مجرى النهر. لا يمكن للمحول ذو الأداء الديناميكي الممتاز أن يحقق مؤشر الأداء المستهدف إلا عندما تكون الساعة التي تقوده دقيقة بنفس القدر.
في الواقع، يحدد ضجيج الطور للمُركِّب مقدار عدم اليقين في التوقيت المتراكم في إشارة الساعة (ممثلة بارتعاش RMS، وهي قيمة واحدة تمثل متوسط حجم أخطاء التوقيت هذه)، وبالتالي يحدد مقدار الضوضاء وميزانية التشويه التي تم استهلاكها للمحول قبل تحويل الإشارة إلى رقمية.
اعتبارات التصميم
عند تصميم محولات البيانات عالية السرعة وتطبيقات 5G، يجب مراعاة العديد من المقايضات التي قد تؤثر على الأداء:
تحدد ضوضاء الطور ضوضاء الخلفية وتحدد الحد الأعلى للنطاق الديناميكي لتحديد أفضل دقة إشارة يمكن تحقيقها، بغض النظر عن مدى تميزها في النواحي الأخرى. وفي راديو 5G، يتم تحديد ما إذا كان يمكن فك تشفير نظام التعديل على جهاز الاستقبال.
نطاق التردد يحدد المرونة. يمكن للمُركِّب الذي يمكنه تغطية نطاق التردد المستهدف دون مضاعفة التردد الخارجي أو تقسيمه أن يبسط التصميم ويقلل عدد المكونات ويزيل الضوضاء والتعقيد الذي تسببه هذه الشلالات الإضافية.
يحدد وقت القفل مدى سرعة النظام في تبديل القنوات أو الاستجابة للظروف الديناميكية - وهو أمر ضروري في تطبيقات قفز التردد وتوجيه الحزمة.
يقوم PLL بتأمين مخرجاته على التردد من خلال مقارنة وتصحيح مخرجاته بشكل مستمر مع المرجع. يتم التحكم في عملية التصحيح هذه من خلال حلقة التغذية المرتدة، والتي، مثل أي حلقة تغذية مرتدة، تتطلب وقتًا لتحقيق الاستقرار لأن الحلقة يجب أن تكتشف الخطأ وتستجيب وتستقر قبل أن يتم استخدام المخرجات.
في التصميمات التقليدية، يؤثر عرض النطاق الترددي للحلقة الذي يحدد سرعة استجابة PLL أيضًا بشكل مباشر على أداء ضوضاء الطور. سيؤدي توسيع الحلقة لتسريع القفل إلى تدهور ضوضاء الطور. يمكن أن يؤثر تقليص الحلقة لتحسين ضوضاء الطور سلبًا على وقت القفل. وتعني هذه المقايضة الأساسية أنه يجب على المصممين اختيار ما هو أكثر أهمية لتطبيقهم - وتحمل عواقب هذا الاختيار.
أحدث جيل من مُركِّب التردد المتكامل ذو القسمة N يعمل على حل هذه المقايضات بشكل مباشر. أجبرت الحلول المبكرة المصممين على الاختيار بين أداء ضوضاء الطور والتكامل، في حين جمعت الأجهزة الأحدث بين ضوضاء الطور المنخفضة للغاية، وتغطية التردد الواسعة، ووقت القفل السريع، والتعبئة المدمجة، ودمج الأجزاء التي كانت تتطلب في السابق مكونات منفصلة متعددة في حل واحد.
بالنسبة لساعة محول البيانات، هذا يعني أن ضجيج الخلفية لمصدر التردد لم يعد يشكل عائقًا على النطاق الديناميكي للنظام. بالنسبة لتصميم راديو 5G، يعني هذا أن تحقيق أهداف سعة متجه الأخطاء المطلوبة يصبح مشكلة مصدر تردد تم حلها بدلاً من مشكلة يجب هندستها حولها.
تستخدم أنظمة الترددات اللاسلكية الحديثة عادةً مُركِّب PLL ذي القسمة N لإنشاء ساعة أخذ العينات ومذبذب محلي. على الرغم من أن هذه المعماريات تسمح باستبانة ترددية دقيقة للغاية، فإن تعديل نسبة تقسيم التردد يقدم ضوضاء كمية وتشويشًا جزئيًا، مما يؤثر على منحنى ضوضاء الطور الإجمالي. سوف تؤثر الضوضاء الناتجة عن مكبر الصوت أو المرشح على الإشارة، لكن الضوضاء الناتجة عن مصدر التردد ستدمر المرجع، بينما المرجع الضعيف سيدمر جميع الوحدات التي تعتمد على المرجع.
يعمل VCO الموجود على الرقاقة على تبسيط تصميم لوحة الدائرة
يعني تركيب تردد النطاق العريض تقليديًا تجميع سلاسل الإشارة بمكونات منفصلة (VCO خارجي، PLL، مخازن مؤقتة، وما إلى ذلك) وما يترتب على ذلك من صعوبات في التخطيط. تعمل شركة Analog Devices, Inc. (ADI) على تبسيط تصميم لوحة الدوائر من خلال دمج VCO في حل الشريحة، ودمج سلسلة الإشارة بأكملها في جهاز واحد، وتوفير إمكانات معايرة سريعة لقفز التردد دون التضحية بضوضاء الطور وأداء الارتعاش المطلوب لراديو 5G وتصميمات محولات البيانات عالية السرعة.
لا يتم تبديل التردد بضربة واحدة. عندما يتلقى PLL الأمر للتبديل إلى تردد جديد، فإنه يحتاج إلى المرور عبر ثلاث مراحل مختلفة قبل أن يمكن تغيير الإخراج إلى تردد متاح. في البداية، يتلقى أمر التبديل. ثم يبحث داخليًا عن الإعدادات المناسبة لإنتاج التردد المطلوب؛ تعد مرحلة البحث هذه هي الجزء الأبطأ، وتتراوح عادة من 100 إلى 250 ميكروثانية في أجهزة النطاق العريض الحديثة. وأخيرًا، يتم تثبيته للتأكد من أن المخرج نظيف ومتاح بدرجة كافية.
تعمل سلسلة ADF4382 من ADI على حل مشكلة الروابط المتوسطة البطيئة بشكل مباشر. للحصول على معايرة سريعة، لا تحتاج إلى البحث مرة أخرى في كل مرة يتم فيها طلب مفتاح تردد، ولكنها بدلاً من ذلك تستخدم جدول بحث على الرقاقة يحتوي على إعدادات محسوبة مسبقًا للنقاط المعروفة في 32 نطاق تردد. عند الحاجة إلى تردد جديد، فإنه يبحث عن أقرب نقطتي تخزين ويقوم بالاستكمال بينهما بحيث تكون الإعدادات الصحيحة متاحة على الفور تقريبًا. وبهذه الطريقة، يمكن تقليل إجمالي وقت القفل إلى 10 ميكروثانية، بحد أدنى 2 ميكروثانية.