توفر أجهزة توليف التردد الجزئي “N” حلاً مناسباً لمشكلة أحجام الخطوات الصغيرة في الإشارة دون الحاجة إلى نسبة تقسيم ضخمة، كما يتغلب هذا على عدد من مشكلات الأداء المرتبطة بنسب التقسيم العالية جداً في الحاجز الرقمي لحلقة المرحلة المغلقة التي يمكن أن تؤدي إلى عدد من مشكلات الأداء.
متطلبات التركيب الجزئي n:
يستخدم المركب الجزئي “n” حلقة “PLL” الرقمية الأساسية، كما يحتوي على “VCO” وكاشف طور ومرشح حلقي ومقسم، ويمكنه حتى استخدام خلاط داخل الحلقة، ومع ذلك يتم استخدام حلقة رقمية بسيطة مع مقسم يضاف فقط إلى “PLL” الأساسي، وباستخدام هذه الحلقة سيقارن كاشف الطور بين الإشارتين الداخلتين، أي الإشارة المرجعية وإشارة “VCO” المقسمة.
يتم قفل الحلقة عندما تكون الإشارتان اللتان تدخلان الكاشف من نفس التردد، وهذا يعني أنّ “VCO” سيعمل بتردد يساوي نسبة القسمة مضروبة في تردد مقارنة الطور، ولتحقيق خطوات صغيرة بين قنوات التردد، مع الاستمرار في تقديم تردد تشغيل معقول يتطلب نسبة تقسيم عالية جداً، فعلى سبيل المثال تحتاج الحلقة التي تعمل بسرعة “10 ميجاهرتز” وتتطلب حجم خطوة “100 إلى نسبة تقسيم تبلغ “100000”، وهذا ممكن تماماً، ولكنّه يؤثر على أداء الحلقة.
نظراً لأنّ عرض النطاق الترددي للحلقة يجب أن يكون عادةً حوالي عُشر تردد المقارنة المرجعية، فإنّ هذا يعني بالنسبة للأرقام أنّ عرض نطاق الحلقة “10 هرتز” فقط، كما يؤدي هذا إلى فقدان الأداء، وباستخدام التقنيات التقليدية يكون تردد الناتج عبارة عن مضاعفة رقم متكامل لتردد مقارنة كاشف الطور، وهذا يعني أنّ تغيير نسبة القسمة بمقدار واحد يغير التردد بمقدار يساوي تردد المقارنة.
بالنسبة لأحجام الخطوات الصغيرة جداً، فهذا يعني أنّ تردد المقارنة يجب أن يكون صغيراً ونسبة التقسيم كبيرة، ونظراً لأنّ هذا يؤدي إلى العديد من مشكلات الأداء، فهذا يعني أنّ التركيب الجزئي للـ “N” هو خيار مناسب للغاية.
- “PLL” هي اختصار لـ “Phase Locked Loop”.
- “VCO” هي اختصار لـ “Voltage Controlled Oscillators”.
وقت تبديل التردد البطيء PLL:
تكون الضوضاء عالية الطور عند الترددات القريبة من الموجة الحاملة، أي داخل عرض نطاق الحلقة وضوضاء طور “VCO” لا يتم تقليلها أكثر، حيث هناك خيار آخر وهو استخدام مُركِّب متعدد الحلقات، ولكن هذا له آثار كبيرة من حيث التكلفة.
وللاحتفاظ بمستوى عالٍ من الأداء العام يتم استخدام مُركِّب التردد الجزئي “n”، والمفهوم الكامن وراء التركيب الجزئي “n” هو إلى حد كبير يأخذ الحاجز نسبة قسمة كسرية بدلاً من عدد صحيح متوقع عادةً، ولتحقيق ذلك يتم استخدام بدائل الفاصل بين نسب القسمة، وعادةً ما يتغير بين “N” و”N + 1″ أي نسبة نسب القسمة المختلفة المحددة لإعطاء التردد المطلوب.
يكون نطاق نسبة القسمة “N” و”N + 1″ يعطي الترددات بين نسبتي القسمة، كما تتوفر عدادات ذات معامل بتبديل تعطي أعداداً بين “N” و”N + 1″، وتتمثل ميزة استخدام التركيب الجزئي “n” في أنّ تردد الخطوة يمكن أن يكون صغيراً، بينما لا يزال يسمح بتردد مقارنة عالي وعرض نطاق الحلقة لتحسين أداء المركب الكلي.
عند استخدام مقسم معامل مزدوج من السهل حساب نسبة القسمة الفعالة الإجمالية، ولتحديد نسبة القسمة الفعالة من الضروري معرفة نسبتي القسمة وعدد دورات “VCO” التي تكون فيها نسبة القسمة فعالة، لذلك يمكن حساب نسبة القسمة الفعالة من الصيغة:
Neff =( A+B) / ((A/N) +(B/N+1))
حيث أنّ “Neff” يساري نسبة القسمة الإجمالية و”A” يساوي عدد الدورات مقسوماً على “N” و”B” يساوي عدد دورات “VCO” مقسوماً على “N + 1”.
توليف البث الهامشي الناتج عن N الجزئي:
يمكن تخيل أنّ التغيير في نسبة القسمة خلال فترة دورات “VCO” يسبب بعض الاضطراب في النظام، كما ينتج عن هذا انبعاثات زائفة قريبة تظهر على ناتح مركب “N” الجزئي، وتؤدي التغيرات الدورية في المعامل إلى تراكم خطأ في الطور، ويتراكم على مدار دورات مرجعية “N” للمقسم، كما يترجم خطأ الطور هذا إلى اضطرابات دورية في جهد التحكم “VCO”، وهذا بدوره يؤدي إلى توليد إشارات زائفة قريبة نسبياً من الموجة الحاملة المطلوبة.
يحدث تراكم الطور هذا لأنّ متوسط تردد التغذية المرتدة يساوي التردد المرجعي، ونتيجةً لذلك سوف يتراكم خطأ الطور عبر دورات مرجعية “N” قبل إعادة التعيين، وهناك عدد من الطرق لتقليل تأثيرات هذه الإشارات الزائفة، كما يمكن إلغاء خطأ المرحلة المتراكمة، وبدلاً من ذلك يمكن إجراء تبديل المعامل بشكل عشوائي بحيث يتم إخفاء النطاقات الجانبية على أنّها ضوضاء.
وهذا يقلل من مستويات النطاق الجانبي المتميزة لصالح مستوى ضوضاء إجمالي أعلى للنطاق الجانبي، كما يوفر إنتاج “N” كسور طريقة مريحة للغاية لتوفير أحجام خطوة صغيرة مع الاحتفاظ بتردد مقارنة عالي، ويعمل هذا على تحسين الأداء بشكل كبير من حيث ضوضاء الطور الناتجة عن مضاعفة كاشف الطور والمرجع الذي يحدث داخل عرض النطاق الترددي للحلقة مع تحسين وقت الاستقرار واستقرار الحلقة.
كما ينتج الجانب السلبي الرئيسي لإنتاج التردد الجزئي “N” من الإشارات الزائفة التي يولدها النظام، كما يمكن التقليل من هذه إلى الحد الذي لا يمثل مشكلة، ووفقاً لذلك يُعد إنتاج التردد الجزئي “N” تقنية يمكن استخدامها لتحقيق فائدة جيدة.
طريقة مركب التردد الجزئي N:
يعتمد مُركب التردد الجزئي”N” على “PLL” الذي يستخدم “VCO” متعدد الأطوار ومقسم تردد متعدد الأطوار لتوفير نسبة مقسم كسور “N” مرغوبة، ويشتمل مقسم التردد متعدد الأطوار على مقسم متعدد الوحدات يقسم شكل موجة ناتج “VCO” مع نسبة تقسيم تختلف استجابةً لإشارة التحكم في المعامل، كما يتم تأخير الإنتاج المقسم لإنتاج مجموعة من المخرجات، ولكل منها مرحلة خاصة تتوافق مع مرحلة إنتاج “VCO” الخاص بها.
يوفر محدد الطور أحد المخرجات المحددة لكاشف الطور “PLL” استجابة لإشارة التحكم في الطور، بحيث يوفر مقسم التردد متعدد الأطوار نسبة تقسيم جزئية “N”، ولتقليل النتوءات الكسرية يقوم المغير بتعشيق إشارات التحكم في المعامل والطور.
مكونات مركب تردد جزئي N:
أولاً: دائرة حلقة مغلقة الطور “PLL”:
كاشف طور له مدخل أول متصل لاستقبال تردد مرجعي ومدخل ثان، والذي ينتج مخرجات تختلف باختلاف الطور بين الإشارات المستلمة عند المدخلات الأولى والثانية.
ثانياً: مرشح حلقة يقوم بتصفية ناتج كاشف الطور:
مذبذب متعدد الأطوار يتم التحكم فيه بالجهد “VCO” والذي يستقبل ناتج كاشف الطور المصفاة، وكذلك ينتج مجموعة من أشكال الموجة التي لها تردد شائع يختلف مع ناتج كاشف الطور المرشح، وتختلف مراحل التعددية المذكورة لأشكال موجات ناتج “VCO”، وفيما يتعلق بـ بعضها البعض، واحد على الأقل من التعددية من أشكال موجات ناتج “VCO” التي توفر ناتج مُركب التردد الجزئي “N”.
ثالثاً: مقسم تردد متعدد المراحل:
مقسم متعدد المعامل قابل للبرمجة يقسم واحداً محدداً من التعددية لأشكال موجة “VCO” مع نسبة تقسيم متعددة المعامل، والتي تختلف استجابة لإشارة التحكم في المعامل وتوفر الشكل الموجي المقسم عند الإنتاج وسيلة لتأخير ناتج مقسم متعدد الوحدات؛ لإنتاج مجموعة من النواتج المقسمة التي لها مراحل كل منها، وكل منها يتوافق مع إحدى مراحل إنتاج “VCO”.
وكذلك محدد المرحلة الذي يوفر ناتجاً محدداً من المخرجات المقسمة إلى المدخل الثاني لكاشف الطور واستجابةً لإشارة التحكم في الطور، ومثل أنّ مقسم التردد متعدد الأطوار المذكور يوفر نسبة تقسيم جزئية “N”، ووحدة تحكم توفر إشارة التحكم في المعامل وإشارة التحكم في الطور لتحقيق نسبة الانقسام الجزئي “N” المطلوبة.
مُعدِّل مُرتب عشوائياً لإشارات التحكم في المعامل والطور التي تنتجها وحدة التحكم عشوائياً، وبالتالي تقليل خطأ عدم تطابق الطور الذي قد يكون موجودًا في إنتاج مُركب التردد الجزئي”N”، ولتمكين توليف الترددات بدقة أدق ممّا سيكون ممكناً دون استخدام المغير.
رابعاً: طريقة تركيب التردد:
- توليد ناتج أول يختلف باختلاف الطور بين إشارة مرجعية وإشارة ثانية.
- توليد مجموعة من أشكال الموجات المتذبذبة، ولكل منها تردد مشترك يختلف مع الناتج الأول.
- أشكال الموجة المتذبذبة التي لها مراحل تختلف فيما يتعلق ببعضها البعض، وعلى الأقل واحدة من أشكال الموجة المتذبذبة هي ناتج التردد المركب.
- تقسيم أحد الأشكال الموجية المتذبذبة إلى أسفل مع نسبة تقسيم متعددة المعامِلات والتي تختلف استجابةً لإشارة التحكم في المعامل، ممّا يؤخر الناتج المنقسم لأسفل لإنتاج تعدد النواتج المقسمة التي لها مراحل كل منها، وكل منها يتوافق مع إحدى المراحل لأشكال الموجة المتذبذبة.
- اختيار واحد من المخرجات المقسمة استجابةً لإشارة التحكم في الطور، والإنتاج المقسم المختار هو الإشارة الثانية.
- توفير إشارة التحكم في المعامل وإشارة التحكم في الطور بحيث يكون تردد الإشارة الثانية مساوياً للتردد المشترك ومقسوماً إلى أسفل مع نسبة القسمة “N” الجزئية المرغوبة.
- التوزيع العشوائي للمعامل وإشارات التحكم في الطور من أجل التوزيع العشوائي وبالتالي تقليل خطأ عدم تطابق الطور الذي قد يكون موجوداً، وبخلاف ذلك في ناتح التردد المركب، ولتمكين توليف الترددات بدقة أكبر ممّا يمكن أن يكون ممكناً بدون استخدام التوزيع العشوائي.
