Что такое петля фазовой автоподстройки частоты?
Большинство из нас видело фразу «петля ФАПЧ» (петля фазовой автоподстройки частоты) или «PLL» (phase-locked loop). Однако я подозреваю, что относительно немногие из нас полностью понимают 1) внутреннюю работу петли ФАПЧ и 2) как это внутреннее поведение приводит к различным способам использования ФАПЧ. Моя цель в данной статье – дать ясное, интуитивно понятное объяснение основных характеристик ФАПЧ, а подробности мы продолжим изучать в последующих статьях.
Термины «петля фазовой автоподстройки частоты» и «phase-locked loop» встречаются в разных контекстах: микроконтроллеры, радиочастотные демодуляторы, модули генераторов, последовательная связь. Первое, что нужно понять, это то, что «ФАПЧ» или «PLL» не относятся к одному компоненту. ФАПЧ – это система, она состоит из нескольких компонентов, которые тщательно спроектированы и связаны между собой в схеме отрицательной обратной связи. Это правда, что ФАПЧ (или PLL) продаются как одна интегральная микросхема, и поэтому было бы естественно думать о них как о «компоненте», но не позволяйте этому отвлекать вас от того факта, что петля ФАПЧ аналогична схеме усилителя на базе операционного усилителя, а не самому операционному усилителю.
ФАПЧ ≥ ФД + ФНЧ + ГУН
Давайте начнем со структурной схемы.
Структурная схема петли фазовой автоподстройки частоты
Схема настолько проста, насколько простой может быть петля ФАПЧ. Давайте обсудим три основных компонента.
- Фазовый детектор (ФД) (к сожалению) на самом деле не является фазовым детектором, но это стандартная терминология. Фазовый детектор в ФАПЧ фактически является детектором разности фаз, то есть он принимает два периодических входных сигнала и выдает выходной сигнал, представляющий разность фаз между двумя входными сигналами.
- Выходной сигнал фазового детектора не является простым аналоговым сигналом, который пропорционален разности фаз. Простой аналоговый сигнал где-то там есть, но он идет вместе с высокочастотными составляющими, которые делают этот сигнал очень отличающимся от того, что вы ожидаете увидеть. Поэтому здесь используется фильтр нижних частот: он подавляет высокочастотные составляющие и преобразует выходной сигнал фазового детектора в нечто, что может контролировать генератор, управляемый напряжением (ГУН).
- Генератор, управляемый напряжением, (ГУН), как вы уже догадались, это генератор, который управляется с помощью напряжения. Более конкретно, напряжением управляется частота периодического сигнала, генерируемого генератором. Таким образом, ГУН является генератором с переменной частотой, который позволяет внешнему напряжению влиять на частоту его колебаний. В случае ФАПЧ управляющее напряжение представляет собой сигнал фазового детектора после фильтрации.
Сигналы
Прежде чем мы обсудим работу отрицательной обратной связи, давайте перенесем это обсуждение в практическую сферу. Мы рассмотрим некоторые сигналы, создаваемые цифровой петлей ФАПЧ. Вы можете представлять ФАПЧ как преимущественно аналоговую систему, и это правильно, но экспериментировать с цифровой системой (на мой взгляд) проще. Необходимо помнить, что как к аналоговым, так и к цифровым реализациям применимы одни и те же понятия. Если вы понимаете, что происходит с этими цифровыми сигналами, вы понимаете сигналы ФАПЧ в целом.
В цифровой петле ФАПЧ всё, что нужно для фазового детектора, – это элемент «исключающее ИЛИ» (XOR). Как вы знаете, элемент исключающее ИЛИ выдает на выходе логическую единицу только тогда, когда два входных сигнала различаются между собой. Если вы распространите это поведение на ситуацию, в которой оба входных сигнала представляют собой прямоугольные сигналы, исключающее ИЛИ становится «детектором несовпадения фаз»:
Сигналы на входах и выходе элемента исключающее ИЛИ (фазового детектора)
Эти два прямоугольных сигнала имеют небольшую разность фаз, и, следовательно, они находятся в разных логических состояниях во время небольшой части периода. Когда логические состояния различаются, на выходе элемента исключающее ИЛИ высокий логический уровень. Если разность фаз становится больше, выходной сигнал элемента XOR находится в состоянии логической единицы больше времени.
Сигналы на входах и выходе элемента исключающее ИЛИ (фазового детектора) при увеличении разности фаз входных сигналов
Вот как элемент исключающее ИЛИ работает в качестве фазового детектора. Когда разность фаз увеличивается, выходной сигнал больше времени в течение периода находится в высоком логическом состоянии. Другими словами, коэффициент заполнения и, следовательно, среднее значение выходного сигнала элемента исключающее ИЛИ прямо пропорциональны разности фаз.
Следующим шагом является использование этого среднего значения в качестве управляющего сигнала для ГУН, и именно здесь появляется фильтр нижних частот:
Сигналы на входах и выходе фазового детектора и на выходе фильтра нижних частот
Зеленая линия, которая является средним значением с небольшим количеством пульсаций, получается путем пропускания сигнала с фазового детектора через простой RC фильтр нижних частот (вы можете узнать эту методику, если использовали ЦАП на ШИМ, который представляет собой цифро-аналоговый преобразователь, который работает путем низкочастотной фильтрации сигнала с широтно-импульсной модуляции). Этот сигнал помечен на графике как «ctrl» (control, управление), потому что это сигнал, который мы можем использовать для управления (то есть изменения частоты) ГУН.
Замыкание петли
ФАПЧ можно использовать различными хитрыми способами, но основная функция заключается в «привязке» выходной частоты к входной частоте. (Петли ФАПЧ также привязывают выходную фазу к входной фазе, как и следует ожидать от названия PLL, «phase-locked loop», «петля фазовой синхронизации», но это другой тип синхронизации.) Работа привязки/захвата/синхронизации становится возможной благодаря отрицательной обратной связи, то есть путем направления выходного сигнала назад на фазовый детектор (как показано на приведенной выше схеме).
По моему опыту, попытка полностью понять точный процесс, с помощью которого ФАПЧ фиксирует выходную частоту по входной частоте, похожа на попытку схватить кусок тумана и удержать его в руке. Это прямо перед вами, и вы знаете, что это реально, и вы более или менее знаете, что это такое, но оно ускользает, когда вы действительно пытаетесь наблюдать и понимать его. Этот процесс мы обсудим в следующей статье. А пока я оставлю вам несколько важных замечаний, которые помогут вам обдумать этот интересный принцип действия.
- Фазовый детектор будет создавать в выходном сигнале постоянный коэффициент заполнения (и, следовательно, постоянное среднее значение), только когда две входные частоты равны (как в примерах выше). Различающиеся частоты приводят к периодическим изменениям коэффициента заполнения:
Результат работы фазового детектора при входных сигналах 2 кГц и 1,67 кГц 
Результат работы фазового детектора при входных сигналах 2 кГц и 1,25 кГц - Следовательно, управляющее напряжение будет продолжать увеличиваться и уменьшаться, пока выходная частота не станет равной входной частоте.
- Чтобы выполнить захват, петля ФАПЧ должна делать большее, что выравнивание выходной и входной частот. Также необходимо установить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, который приводит к соответствующему управляющему напряжению.
- ФАПЧ не имеет возможности напрямую управлять фазой сигнала ГУН. Единственный способ подстраивать фазу ГУН – это подстраивать частоту; таким образом, изменения частоты будут продолжаться до тех пор, пока не будут достигнуты как синхронизация по частоте, так и синхронизация по фазе.
Заключение
Мы рассмотрели базовую структурную схему и некоторые подробности работы петли фазовой автоподстройки частоты, которая представляет собой систему с отрицательной обратной связью, и которая может генерировать периодический сигнал, который фиксируется и отслеживает частоту входного сигнала. Мы продолжим изучать работу и применение петли ФАПЧ в следующих статьях.
Разные мысли и соображения о тюнерах
Телевизионный тюнер — схема, заключенная в экранированный корпус, которая выбирает нужный из имеющихся сигналов и переводит его в диапазон первой промежуточной частоты. Преобразование выполняется суммированием/вычитанием входного сигнала с частотой опорного генератора — гетеродина. Гетеродин, как правило (и в нашем случае тоже) — генератор с частотозадающим LC контуром. L — это просто катушка (хотя для диапазона ДМВ она вырождается в отрезок провода), C — в самых ранних телевизорах это были небольшие конденсаторы, набор которых переключался (вместе с катушками) поворотом большой ручки на передней панели, затем их заменили варикапами — диодами, ёмкость переходов которых зависит от приложенного обратного напряжения. Обратное напряжение — напряжение настройки — вырабатывалось либо блоком подстроечных резисторов (3, 4 поколения советских ТВ), либо специальным ЦАП-ом, расположенным в системном контроллере (это уже позднее).
Затем технология продвинулась ещё немного, и в используемом нами тюнере напряжение настройки вырабатывается специальной схемой, управляемой по цифровой шине i2c. Эта схема — не ЦАП, а нечто более оригинальное. Она называется PLL (Phase Lock Loop) и действует так: на варикап подается некоторое начальное напряжение. Частота гетеродина делится управляемым делителем и результат деления сравнивается с некоторой опорной частотой, вырабатываемой низкочастотным кварцевым генератором. Если первая частота превышает вторую — напряжение на варикапе увеличивается, его емкость растёт, частота гетеродина падает. И наоборот — если частота гетеродина, деленная на заданное значение, ниже опорной — напряжение на варикапе уменьшается. Таким образом, гетеродин оказывается строго синхронизован с кварцевым генератором для любого заданного делителя. Точность установки частоты настолько эффективна, что канал будет удерживаться даже в отсутствие внешней автоподстройки, кроме того, константы делителя, соответствующие определенной станции, будут подходить для разных экземпляров тюнера.
Удобство PLL-тюнера для нашей схемы в том, что он не требует высоковольтного ЦАП для управления гетеродином, что существенно упрощает конструкцию.
Вы можете выбрать и другие PLL-тюнеры, например, KS-H-148O, но при этом следует обращать внимание на следующее: 1) доступный тюнеру входной диапазон частот (не все тюнеры могут принимать, например, диапазон кабельных каналов). 2) тип входа — кабель или сразу антенное гнездо. 3) выход — может быть симметричным или ассимметричным. Последнее потребует некоторого изменения схемы. 4) протокол управления. Сложность не в реализации протокола, а в доступности документации на него.
Тюнер KS-H-134O потребляет около 5в / 150 мА для работы гетеродина и управляющей схемы и 30 в / 1 мА для управления варикапами. 5 в можно получить, включив между 12 в шиной питания ТВ и тюнером микросхему 7805, кр142ен5а или что нибудь аналогичное; заодно на эти же 5 в вешается контроллер OSD. 30 в традиционно получают из сигнала обратного хода строчной развёртки: этот импульс использовался раньше для управления декодером цвета. В 32втц201 он используется только для гашения обратного хода луча, но после запланированной переделки этот сигнал будет использоваться для питания тюнера и синхронизации OSD-контроллера.
Сигнал обратного хода строчной развертки — импульс с амплитудой около 60в, скважность примерно 1:10 (вверх 60 в — коротко, вниз —
10 в — долго), нарисован во многих книжках по ТВ и осцилограмах в схемах ТВ. Мы аккуратно срежем избыточное напряжение простой VD-R-C-VD цепочкой. Никакой серьезной стабилизации этого напряжения не требуется — PLL-схема очень хорошо будет удерживать частоту, важно только чтобы напряжение не превысило допустимый уровень.
На время тестирования, если в вашей местности много ТВ каналов, можно подавать более низкое напряжение — просто при этом будет уменьшаться доступный тюнеру частотный диапазон.
Кроме описанных сигналов, к тюнеру подводится линия AGC — управление усилением. Этот сигнал вырабатывается видеопроцессором, тюнер реагирует на него снижением усиления входного сигнала. Уровни AGC меняются в диапазоне от
4.8 в (максимальное усиление) до
1 в (минимальное усиление).
Входы тюнера (i2c и AGC) защищены от разнообразных помех RC-цепочками (100ом, 56пф). Они нарисованы в мануалах. Нужно учесть, что ещё одна такая же цепочка, с резистрами около 300ом расположена внутри тюнера. Поэтому нельзя существенно увеличивать номинал внешнего резистора, кроме того, pull-up резистор i2c должен быть хотя бы 5-10 ком. При меньшем значении системный контроллер не будет устойчиво опознавать передаваемый тюнером логический «0».
Антенный вход, судя по мануалу на тюнер, защищен от статического электричества до уровня 7 кв — его можно просто выставлять как антенное гнездо.
Документация на KS-H тюнеры доступна плохо, хотя с другими производителями ситуация не много лучше. Собственно, именно KS-H-134 (UV1316MK2) я выбрал именно потому, что совпало наличие документации на него и его наличие в продаже. Теоретически, KS-H производится фирмой Selteka, сайт был тут: http://www.selteka.lt/. Казалось бы, помимо технических характеристик там должны были бы лежать и мануалы, но производитель так не думает. Мне удалось найти мануал совсем в другом месте (это была частная страничка с несколькими PDFками на разные железки. Адрес забыл. Кстати, вот ещё похожая страничка). Seltekа, фактически, только сборщик — тюнер построен на микросхеме фирмы Philips. Отсюда вывод: если есть возможность распотрошить тюнер перед покупкой, можно узнать марку управляющей микросхемы и искать мануал на неё, а не на тюнер — там тоже будет много полезного.
Мысли о программировании тюнера
С программированием/управлением проблем не возникло. Я не понял только суть ускоренной начаки/смены частоты и смысл использования крупной сетки частот. У меня всё получилось с использованием мелкой сетки с шагом 31.25 кГц — поиск каналов и перестройка между каналами происходили легко и быстро. Просто внимательно читайте мануал и делайте как там написано.
В исходных текстах моего firmware также упоминаются ещё некоторые детали: например о том, что максимальное время перестроения частоты требует 150 мс по ТТД, но реально перестройка может потребовать гораздо меньшего времени — всё зависит от разницы между текущей и требуемой частотой. Т.е. перестройка на 1-5 шагов — например около одной мс. Я использовал значение 150 (на всякий случай увеличив его до 200) как критерий выхода за пределы диапазона перестройки — т.е. если тюнер за это время не дает готовности (FL = In-lock flag (FL=1 at loop is phase-locked) = 0) — значит нужно либо сменить диапазон либо сказать пользователю, что дальше перестраиваться некуда.
Поиск (обзор) каналов — отдельная песня. В общем, это просто перебор всех доступных частот в цикле, причем после каждой перестройки нужно узнавать мнение видеопроцессора — является ли найденный сигнал похожим на видео или это просто помехи. Видеопроцессор тоже сразу не ответит — он требует около 10 мкс (см. мануал и/или firmware). Вопрос о шаге перестройки я решил в пользу константы 20. Исходя из того, что опознание станции видеопроцессором происходит в диапазоне около +-20 шагов. Т.е. даже на слабом сигнале станция будет наверняка обнаружена. При этом полный обзор всего диапазона занимает около 5 минут. Правда, часты ложные срабатывания — от них избавится не удалось, хотя попытки предпринимались (например, сделать несколько опросов видеопроцессора на фиксированной частоте через небольшие интервалы времени, если ему померещилась станция. Тут ещё непаханое поле. ).
Точную настроку на найденную станцию можно выполнить либо хитрым, но быстрым методом ассимптотического приближения, либо просто линейно двигаться к точке, указываемой видеопроцессором — он сам сообщает — далеко станция или близко и ниже она по частоте или выше. «Близко» — значит точка достигнута (около 1-3 шагов, на качестве картинки это уже не сказывается). «Далеко» — около 30-10 шагов. Я выбрал линейное управление, точка может быть достигнута за время, меньшее секунды, так что выделываться с ассимптотами смысла не имеет. Единственная проблема — иногда, при достижении станции в быстром поиске, видеопроцессор рапортует сразу о достижении «близкой» точки, и firware считает что станция найдена точно. Однако через некоторое время (видимо, сотни мс — не меньше) видеопроцессор спохватывается и уже начинает работать правильнее. В мануале ничего на эту тему найдено не было, попытки сделать повторную автоподстройку через небольшую паузу пользы не принесли. В итоге, просто была сделана кнопка на пульте, которая позволяет повторить АПЧ. Примерно на 1 из 10 станций эта кнопка помогает уточнить настройку (остальные 9 сразу находятся правильно). Тут, опять же, есть о чём подумать.
Фактически, тюнер состоит из трех отдельных каналов, каждый из которых работает в своём диапазоне частот. Отражается этот факт только на управляющем тюнером коде. Однако, так как каждый из каналов имеет небольшую полосу, в которой также работает другой канал (полосы перекрываются), управляющий код построен так, что на перекрывающихся участках можно использовать любой из каналов. Это достигается очень просто: при перестройке частоты текущий канал используется до тех пор, пока тюнер дает готовность. Например (цифры зависят от экземпляра тюнера), если к частоте 150 МГц перестраиваться сверху вниз, от частоты 250 МГц, будет использоваться канал второго диапазона, он сорвётся где-то на частоте 120 МГц. Если же к 150 МГц идти снизу, от 50 МГц — будет использован первый канал, его граничная частота — 160 МГц.
Философская о ЦАПах 1: Что такое Jitter? Откуда берется? Что такое ФАПЧ (PLL)? Зачем нужен режим "slave"? И почему "звучат" цифровые кабеля?
Сразу оговорю: я — далеко не специалист в данной области, уровень понимания — "на грани": что-то понимаю, что-то, возможно, вообще мимо прошло. Т.е. "верхов нахватался", но некое общее понимание картины имеется.
Всё сугубо не научно, скорее научно-популярно, или "на пальцах".
Итак, что такое Джиттер? Он-же Jitter.
Jitter — искажения, связанные с таймингами ЦАП.
Как они появляются? ЦАП выставляет у себя на выходе сигнал и какое-то время его удерживает. Соответственно, если время удержания больше, чем надо — вес сигнала будет больше, меньше — меньше.
Почему вдруг одно время должно быть больше, другое — меньше? — спросите вы.
На этот вопрос ответить довольно просто: большинство систем посылают сигнал и совершенно не заботятся о его дальнейшей судьбе. Соответственно, частота следования сигнала задается его источником.
Источник цифрового сигнала называется "транспорт". Это может быть компьютер, CD-DVD-BR-Player — … . Всё, что выдает цифровой сигнал. Почему "транспорт"? Ну, потому что исторически это был привод CD-Player-а. Т.е. та часть устройства, которая крутит CD-диск.
В свою очередь, под термином "источник" я буду подразумевать источник аналогового сигнала. В данном случае, ЦАП (Цифро-Аналоговый Преобразователь) или DAC (Digital to Analog Converter).
Теперь представим, что частота опорных генераторов транспорта и источника отличается на 0,001% — одна тысячная процента — плёвая величина, или просто одна стотысячная. Т.о. примерно раз в 2,5 секунды будет добавляться или пропадать отсчёт, что выразится в щелчках.
Есть два варианта решения данной проблемы:
— тактирование и транспорта и источника от одного клока.
— автоматическая синхронизация (с помощью подстройки частоты источника, т.к. отправляет сигнал и задает частоту транспорт).
даже три:
— умный реклок.
Поговорим о них поочереди (это наречие. Введите наконец правило чтобы все наречия писать слитно):
— автоматическая синхронизация осуществляется с помощью устройств ФАПЧ (Фазовая Авто Подстройка Частоты) или PLL (Phase Locked Loop). Смысл работы данного у-ва в следующем: он управляет генератором ровно так же, как это происходит в ФМ-приемниках: изменяя напряжение на варисторе. А изменяет он его (напряжение), в зависимости от того, фронт какой волны приходит раньше: если той, с которой синхронизируемся — надо чуть-чуть ускориться, если если своей — чуть-чуть замедлиться.
Т.е. видно, что при таком способе частота генератора источника будет то выше, то ниже исходной, т.е. будет "крутиться" вокруг искодной.
Также синхронизация происходит по фронтам, что весьма хорошо и точно для цифровой техники. В аналоговой технике вмешиваются помехи. И это не только ЭМИ, но и помехи, наводимые на так называемые "земляные петли", … . И эти помехи чуть-чуть сбивают уровень сигнала. Это, естественно, не приводит к ошибкам в передаче сигнала — это было бы слишком, но приводит к изменению синхронизации.
"Как так?" — спросите вы — "Ведь синхронизация-то по фронтам!". Ну да, по фронтам. Только стОит помнить, что цифровые сигналы — тоже аналоговые и не имеют бесконечной скорости нарастания. Т.о. сбой уровня, несущественный для надежности передачи цифрового сигнала, приводит к незначительному смещению фронта, что, в свою очередь, приводит к "реакции" ФАПЧ/ПЛЛ.
Т.о. становится понятна "пляска" вокруг цифровых кабелей: если даже самый дешевый цифровой кабель обеспечивает 100% надёжную и точную передачу цифровых данных, то совершенно не всякий кабель обеспечит правильное затухание высокочастотных помех, помех, наводимых через земляные петли, и, соответственно, правильную передачу фронтов.
С передачей фронтов тоже не всё однозначно, т.к. надо передавать фронты так, чтобы ФАПЧ/ПЛЛ правильно (благозвучно) на это реагировала. Т.е. при смене приёмника, возможно, всё изменится и придётся заново "плясать" с подбором кабельной продукции.
Аналогично при смене передатчика.
Зы … а в земляных петлях участвуют еще и кабеля питания и межблочники … . И всё это замешано в единую кашу и всё это взаимовлияет … . Каково вам? Хочется "расхлёбывать" эту "кашу"? Мне — нет.
Перейдем к методам обхода данной проблемы.
Метод, в сущности, один: тактирование ЦАП от своего, жёстко заданного источника клока.
Эти источники тоже не идеальны, имеют свои отклонения, …, но эти отклонения на несколько порядков (десятичных) меньше оных у ФАПЧ/ПЛЛ. Т.о. во столько же раз (если не в квадрате), снижается джиттер.
А вот способов два. Начнем с самого простого:
— работа транспорта с синхронизацией от внешнего источника частоты (в режиме slave).
Этот метод пришёл из профессионального аудио и был связан далеко не с качеством звука, а с проблемами синхронизации записи с разных источников. Т.е. если у нас есть несколько АЦП, то они должны работать синхронно, а также основная станция должна принимать от них данные тоже синхронно, иначе это приводит к аду при сведении записей. А не синхронная работа осн. станции — вообще к ошибкам.
Т.о. в проф. звуковых картах появился режим ведомого или "slave" — дословно "слуга" — работа от внешнего тактирующего устройства.
Но в случае записи это одно, а в случае воспроизведения — чуть-чуть другое. И связано это "другое" с тем, что существует энное количество частот и битрэйтов. В случае записи: поступил сигнал — принимай, поступил — принимай, … . В случае воспроизведения надо:
а) как-то объяснить принимающему устройству, какая частота дискретизации, чтобы оно (принимающее устройство) включило у себя эту частоту.
б) синхронизироваться от принимающего устройства и, по команде источника, выдавать ему новую порцию данных.
Т.е. сначала "объяснить", а потом под него подстраиваться. Задаче не особо тривиальная при отсутствии развитого языка общения.
Видно, что данный способ требует некой обратной связи. В случае с SPDIf/TosLink для этого требуется второй цифровой кабель, который будет передавать данные (клок) от источника к транспорту. Для этого источник должен уметь работать "мастером", а транспорт — "слэйвом".
Т.е. в случае произвольного источника и транспорта это не проканает. Даже если и там и там 2 интерфейса: SPDIf и TosLink, заставить работать один из них в противоположную сторону, просто так не получится.
Не просто так — это проще и дешевле купить те, которые это умеют сами.
В случае USB, это называется "Синхронный" или "Асинхронный" режим USB-Audio. В одном случае, транспорт шлёт сигналы, не задумываясь о том, справляется ли приёмник (источник) — в этом случае источник должен синхронизироваться с транспортом, т.е. в конечном итоге, использовать всё тот же ФАПЧ, в другом случае данные передаются "по требованию", т.е. не привязываясь ни к какому клоку, или асинхронно. ИМХО, логичнее было бы назвать наоборот: транспорт синхронизируется с источником.
Второй способ: интеллектуальный реклок. Устройство ставится между транспортом и источником. Он не требует от транспорта уметь работать слэйвом. Может требовать от источника работы "мастером", может просто восстанавливать правильный клок, если у транспорта с этим "не очень".
Т.е. два режима работы:
1. Просто улучшение сигнала от транспорта, т.о. снижаются требования (и цена) транспорта.
2. Работа в режиме слэйв с источником, работающим "мастером". "Как так?" — … . Просто и прямолинейно: основная часть у-ва интеллектуального реклока — FIFO буфер. В нём у-во накапливает энное кол-во сэмплов воспроизводимого трэка в качестве запаса, затем расходует или дополняет его. На сколько хватает буфера — не знаю, но его наличие позволяет избегать щелчков при выпадении/недостаче отсчетов т.к. этого не происходит.
Интеллектуальность же заключается в том, что данное устройство отслеживает паузы (некоторое кол-во нулевых отсчётов подряд), чтобы компенсировать отставание или опережение.
Философская о ЦАПах 1: Что такое Jitter? Откуда берется? Что такое ФАПЧ (PLL)? Зачем нужен режим "slave"? И почему "звучат" цифровые кабеля?
Философская о ЦАПах 2: Бла-Бла-Бла о интерфейсах.
Философская о ЦАПах 3: Выбор топологии: USB .vs. I2S-Streamer
Философская о ЦАПах 4: Бюджет и уровни.
FM-демодулятор PLL: FM-детектор с фазовой автоподстройкой частоты
Цепи фазовой автоподстройки частоты, ФАПЧ идеально подходят для демодуляции частотной модуляции, ЧМ легко встроить в ИС и обеспечить линейный выход.
Цепь с фазовой синхронизацией, FM-детекторы PLL могут быть легко изготовлены из множества доступных интегральных схем с фазовой синхронизацией, и, как результат, демодуляторы PLL FM можно найти во многих типах радиооборудования, начиная от радиовещательных приемников и заканчивая высокопроизводительным оборудованием связи.
Технология PLL начала использоваться, когда интегральные схемы взяли на себя многие функции радиосвязи. ФАПЧ может быть легко интегрирована в ИС радио, просто добавив немного дополнительной схемы в ИС. Это добавляло очень небольшую стоимость и требовало только нескольких внешних компонентов — обычно только резисторы и конденсаторы, которые дешевы.
Технология PLL исключает использование дорогостоящих РЧ-трансформаторов, необходимых для таких цепей, как коэффициент FM-детектора и схема Фостера-Сили. Как правило, FM-демодулятор с фазовой автоподстройкой частоты не требует использования индуктора, не говоря уже о трансформаторе, который еще более дорог в изготовлении.
Основы демодуляции PLL FM
Демодулятор PLL FM демодулятора PLL FM работает относительно просто. Он не требует никаких изменений в самом базовом контуре с фазовой синхронизацией, используя базовую операцию контура для обеспечения требуемого выхода.
Примечание на фазовой автоподстройке частоты, ФАПЧ:
Петля фазовой синхронизации, PLL, является очень полезным строительным блоком RF. ФАПЧ использует концепцию минимизации разницы в фазе между двумя сигналами: опорный сигналом и гетеродином реплицироваться частотой опорного сигнала. Используя эту концепцию, можно использовать ФАПЧ для многих применений от синтезаторов частот до ЧМ-демодуляторов и восстановления сигналов.
ФАПЧ демодулятор Loop FM
Чтобы посмотреть на работу демодулятора PLL FM, возьмите условие, когда модуляция не применяется, и несущая находится в центральном положении полосы пропускания, напряжение на линии настройки для VCO установлено в среднее положение.
Однако, если несущая отклоняется по частоте, петля попытается удержать петлю в замке. Чтобы это произошло, частота VCO должна следовать за входящим сигналом, и, в свою очередь, чтобы это произошло, напряжение линии настройки должно изменяться.
Контроль линии настройки показывает, что изменения напряжения соответствуют модуляции, применяемой к сигналу. Усиливая изменения напряжения на линии настройки, можно генерировать демодулированный сигнал.
Хотя для того, чтобы он мог демодулировать ЧМ, не требуется никаких базовых изменений в фазовой автоподстройке частоты, буферный усилитель обычно предоставляется от линии настройки, чтобы предотвратить загрузку линии настройки другими частями приемника. Это обеспечивает более низкий выходной импеданс и, как следствие, предотвращает любое нарушение нагрузки от аудиоусилителя.
ФАПЧ с фазовой синхронизацией Loop FM демодулятор с буферизованным выходом
Существует много различных интегральных схем, которые позволяют демодулировать FM. Одним из самых популярных был 565, который был вокруг в течение многих лет во множестве форм. Несмотря на то, что схема довольно старая, она работает хорошо, и часто мало что получится, перейдя на другие чипы.
Производительность демодулятора PLL FM
FM-демодулятор PLL обычно считается относительно высокопроизводительной формой FM-демодулятора или детектора. Соответственно они используются во многих приложениях FM-приемников.
Демодулятор PLL FM имеет ряд ключевых преимуществ:
Линейность:
Одним из преимуществ демодулятора PLL FM является его высокая степень линейности. Это определяется характеристикой напряжения и частоты ГУН в пределах фазовой автоподстройки частоты.
Обычно контур фазовой автоподстройки частоты может работать в широкой полосе пропускания — обычно это намного шире, чем полоса пропускания сигнала FM или даже ступени ПЧ приемника FM. Поскольку отклонение частоты входящего ЧМ-сигнала охватывает только небольшую часть ширины полосы ФАПЧ, общее преобразование является очень линейным.
Кривая напряжения и частоты VCO является основным определяющим фактором, и его можно сделать очень линейным для диапазона, необходимого для демодуляции ЧМ. Уровни искажений для FM-демодуляторов PLL, как правило, очень низки и обычно составляют десятые доли процента. Это делает демодулятор PLL FM очень хорошим вариантом для высокоточных тюнеров, а также для многих других приложений, включая радиосвязь и т. Д.
Нечувствителен к амплитудному шуму:
В общем, FM-демодулятор с фазовой синхронизацией очень нечувствителен к амплитудному шуму. Поскольку фазовая автоподстройка частоты отслеживает частоту входящего сигнала, она обеспечивает относительно высокую степень помехоустойчивости AM. Очевидно, это может помочь, если усилитель ПЧ радиостанции настроен на насыщение таким образом, что уровень сигнала ограничен и шум устранен, но даже сам по себе демодулятор PLL FM обеспечивает хорошую помехоустойчивость.
Простота включения в ИС:
Петли фазовой синхронизации очень легко реализовать в интегральной схеме. ФАПЧ уже давно доступны в виде микросхем, и это означает, что эту технологию легко внедрить.
Кроме того, блоки демодулятора PLL FM доступны для разработчиков интегральных схем, и поэтому многие ИС радиоусилителя ПЧ имеют встроенные демодуляторы для AM и FM. Часто демодулятор FM может быть демодулятором с фазовой автоподстройкой частоты.
Затраты на производство:
Поскольку FM-демодулятор с фазовой автоподстройкой частоты пригоден для технологии интегральных схем, для завершения работы демодулятора FM требуется всего несколько внешних компонентов. Одним из конкретных преимуществ является то, что часто для индуктивной цепи не требуется индуктор.
Поскольку индукторы являются относительно дорогими компонентами, это может значительно снизить общие затраты на компоненты и сделать этот подход очень привлекательным для крупномасштабного производства. Эти факты делают демодулятор PLL FM особенно привлекательным для современных применений.
Особенности конструкции демодулятора PLL FM
При разработке системы с фазовой автоподстройкой частоты для использования в качестве FM-демодулятора одним из ключевых факторов является контурный фильтр. Это должно быть выбрано так, чтобы оно было достаточно широким, чтобы оно могло следовать ожидаемым изменениям частотно-модулированного сигнала.
Соответственно, время отклика контура должно быть коротким по сравнению с ожидаемым кратчайшим временным масштабом изменений демодулируемого сигнала.
Еще одним соображением при проектировании является линейность ГУН. Это должно быть разработано так, чтобы кривая напряжения к частоте была как можно более линейной по всему диапазону сигнала, то есть центральной частоте плюс и минус ожидаемое максимальное отклонение.
В целом, линейность ГУН для ФАПЧ не является серьезной проблемой для средних систем, но может потребоваться некоторое внимание, чтобы гарантировать, что линейность достаточно хороша для систем Hi-Fi.
FM-демодуляторы с фазовой автоподстройкой частоты используются во многих радиоприемниках, как бытовых, так и профессиональных, для демодуляции FM-сигналов. Во многих случаях демодулятор PLL FM обеспечивает очень привлекательную опцию, предлагая чрезвычайно низкие уровни искажений и возможность включения в технологию интегральных схем.