Sintetizadores de Frecuencia

SINTETIZADORES DE FRECUENCIA Manuel Cabrera Fajardo e-mail: [email protected]

RESUMEN: Dentro de los equipos modernos de comunicaciones y concretamente los transceptores que son utilizados por los radioaficionados, son cuales se encargan de cubrir grandes márgenes de frecuencias. En el pasado quedaron aquellos equipos de la banda de 144 MHz que necesitaban un cristal de cuarzo para cada frecuencia que se quería utilizar. En los transceptores de alta frecuencia es normal tener cobertura de frecuencia de forma continua entre 30 KHz y 30 MHz, y en los equipos de V.H.F. la banda cubierta va sin interrupción desde 144 MHz a 146 MHz. Este revolucionario adelanto es gracias a la utilización de "sintetizadores". Estos circuitos son capaces de generar frecuencias dentro de un ancho margen, con una estabilidad y precisión comparables a las de un oscilador controlado por un cristal de cuarzo.

PALABRAS CLAVE: Transceptores, banda V.H.F. cristales de cuarzo. 1. INTRODUCCIÓN Se ha observado en el pasar de los años el incremento que le dan al uso del espectro electromagnético, y las comunicaciones son las que más congestionan este medio. .El uso de nuevas bandas y de optimizar las que ya se usan para estos fines, han promovido una gran cantidad de investigaciones que han arrojado resultados satisfactorios. Grandes esfuerzos han puesto a las comunicaciones ya a trabajar en microondas y frecuencias ópticas, la tarea siguiente es mejorar las técnicas de la comunicación como la modulación, la multiplexación y la reducción de anchos de banda para diversas aplicaciones. La perfección de los generadores de frecuencia ha llevado al desarrollo de los componentes tal es el caso de los osciladores y los sintetizadores de frecuencia, la idea básica de la síntesis de frecuencia es llevar de una frecuencia fo a una de salida fx. La velocidad de un sintetizador de frecuencia puede determinar la rapidez de una canal de comunicaciones, y como este

puede ser pasado de una frecuencia a otra y que tan rápido el sistema se puede encender o apagar. 2. SINTETIZADORES DE FRECUENCIA 2.1 CONCEPTO: Un sintetizador de frecuencia es un instrumento que a partir de una frecuencia de referencia permite obtener un conjunto directo de frecuencias, tratando de mantener en todos los casos las características de estabilidad de la frecuencia de referencia. Éstos se emplean en la mayor parte del equipamiento electrónico presente en muchos aspectos de nuestra vida diaria, desde teléfonos móviles hasta ordenadores personales, siendo componentes críticos tanto en términos de realización como de coste de los transmisores inalámbricos. 2.2 INICIALIZACION: Inicialmente los sintetizadores surgieron a fin de aprovechar las ventajas de los osciladores LC y los osciladores de cristal, como la posibilidad de variabilidad de la frecuencia de salida en el primer caso y la estabilidad en frecuencia en el segundo. Posteriormente comenzaron a desarrollarse métodos de diseño de sintetizadores de frecuencia para tecnologías de circuitos integrados con el objetivo de hacer los productos que los contienen más asequibles, teniendo un menor coste y siendo lo más compactos posible. 2.3 CALIDAD La calidad que presenta un sintetizador de frecuencia se mide por diversos factores entre los que se encuentran la Precisión De La Frecuencia de salida, el tiempo de conmutación entre frecuencias diferentes, la sensibilidad a la variación de las condiciones

(como por ejemplo la estabilidad frente a la temperatura), el ruido de fase presente a la salida y la presencia de señales espurias. El primero de éstos depende fundamentalmente de la señal de referencia empleada en el sintetizador; mientras que los dos últimos dependen de la estructura que posea el sintetizador.

funcionamiento coincide con el explicado en el párrafo anterior pero además posee las ventajas de facilitar una alta velocidad de cambio de frecuencia y una excelente pureza del espectro. Sin embargo, tiene un coste elevado y un alto consumo de potencia, lo cual hace que no sean adecuados para equipamientos portátiles, ni para un número elevado de frecuencias de salida requeridas.

2.4 APLICACIONES: Donde surgen estas aplicaciones o donde son utilizadas dentro de los sintetizadores de frecuencia son los sistemas de telecomunicaciones, donde se emplean para poder seleccionar un canal de transmisión como por ejemplo en teléfonos móviles o WLANs, entre otros. Otra de las aplicaciones es generar relojes para circuitos digitales, que producen los cambios correspondientes del estado del circuito.

3. TIPOS DE SINTETIZADORES DE FRECUENCIA

SINTESIS DIRECTA SINTESIS DE FRECUENCI A SINTESIS INDIRECT A

Sintetizadores analógicos directos (DAS) Sintetizadores digitales directos (DDS) N-entero Basados Nen PLL fracciona l Basados en DLL

Síntesis directa: al comenzó se realizó un análisis síntesis directa que consistía en efectuar, con una o más señales de frecuencia estable, operaciones de mezclado, multiplicación y división a fin de obtener en la salida una señal cuya frecuencia fuera la deseada. Este método tiene la ventaja de que si el oscilador base es muy estable también lo son las frecuencias de salida. Además permite obtener una resolución muy fina. Dentro de la síntesis directa se encuentran los sintetizadores analógicos (DAS). Su

También dentro de la síntesis directa se encuentran los sintetizadores digitales directos (DDS). Éstos usan circuitos digitales para crear, manipular y modular una señal digitalmente y un convertidor digital-analógico (DAC) para transformar una señal digital en analógica. Se caracterizan por un comportamiento muy bueno en cuanto a ruido de fase, pero tienen el inconveniente de generar una gran cantidad de espurios. Debido a la gran revolución de la tecnología digital, los DDS has llegado a ser una técnica de síntesis de frecuencia de importante crecimiento en aplicaciones como radares, satélites, comunicaciones inalámbricas, etc. Síntesis indirecta: Los problemas ocasionados por los sintetizadores directos llevaron a desarrollar otros tipos de sintetizadores denominados indirectos, como los basados en PLL o basados en DLL. La topología basada en PLL ha visto generalizado su uso en los últimos años debido a su simplicidad y su bajo coste. Este circuito permite, mediante una señal de referencia, controlar un bucle y obtener en la salida una señal cuya estabilidad en frecuencia depende de la estabilidad de la propia señal de referencia. Además de la estabilidad en frecuencia permite obtener una variación discreta de la frecuencia de salida. Como sabemos dentro de los sintetizadores indirectos, basados en PLL están divididos en N-entero y N-factorial, daremos una pequeña descripción: La diferencia principal entre ambos es que, en el sintetizador con N-entero, la frecuencia de salida es un múltiplo entero de la frecuencia de referencia y por lo tanto la resolución mínima se corresponde con esa frecuencia de referencia. Mientras que en el caso de un

sintetizador con N-fraccional, al ser la salida un múltiplo fraccional de la frecuencia de referencia, la resolución mínima puede ser mucho menor que la frecuencia de referencia.

Ilustración 4. Diagrama de bloques de PLL Ilustración 1. Sintetizador con N-enteros

Ilustración 2. Sintetizador con N-factorial

Un VCO (Voltage Controlled Oscillator), oscilador controlado por voltaje, genera una señal en la frecuencia de salida. Esta señal se dirige hacia un divisor programable, cuya salida se compara con la frecuencia de referencia en un circuito comparador de fase que producirá una tensión continua que finalmente controlara la frecuencia del VCO. Existen algunos tipos de sintetizadores de los cuales podemos hablar: Sintetizadores con división de frecuencia:

Otro tipo de sintetizador es el basado en DLL, popular debido a su simplicidad. Un DLL es similar a un PLL pero reemplazando el VCO por una línea de retardos controlada por tensión (VCDL). La principal desventaja de este sistema es que su frecuencia de salida no es programable; además el factor de multiplicación es limitado y tiene un alto consumo de potencia. Ilustración 5. División de frecuencia

Ilustración 3. Diagrama de bloques de un sintetizador basado en DLL

Para poder hablar de los sintetizadores de frecuencia es indispensable que primeramente sepamos cómo opera un circuito conocido como PLL (Phase Locket Loop), donde su traducción seria Lazo de Fase Cerrada

En este circuito, el detector de fase aún compara dos frecuencias y produce un voltaje de control que da como resultado que las dos lleguen a sincronizarse. Sin embargo, en tanto que una de éstas aún es una frecuencia de referencia externa que podría ser generada por un oscilador de cristal, la otra ya no es en sí la frecuencia del VCO. Esta frecuencia se divide entre algún número entero N y luego, se compara con la frecuencia de referencia. El empleo de un divisor programable permite variar el valor de N.

Sintetizador de frecuencia con división programable:

Ilustración 6. División de frecuencia programable

Hay un problema con el sintetizador básico cuando se requieren frecuencias de salida en el intervalo de VHF y mayores. Los divisores programables simplemente no están disponibles a frecuencias mucho mayores que 100 MHz. Con la tecnología actual, no es posible construir un sintetizador UHF con la simple topología de la del sintetizador con divisor de frecuencia. La manera más simple de obtener un sintetizador que funcione a frecuencias mayores a aquellas a las que operan los divisores programables es añadir un divisor de módulo fijo en seguida del programable. 4. CONCLUIONES 

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Se podría decir que con los sintetizadores de frecuencia pueden generar cualquier frecuencia a partir de una única fuente de alimentación fija u osciladora. Parten de una frecuencia de entrada que genera una gran cantidad de frecuencias de salida por medio de operaciones como restar, multiplicar y dividir, una cantidad menor de frecuencias fijas. Las mismas serán realmente estables y son actualmente utilizadas para receptores de radio, receptores de satélites, sistemas GPS entre otros.

5. BIBLIOGRAFIA [1] Teoría y Estado del Arte de los Sintetizadores de Frecuencia (Septiembre 2008) [2] Apunte teórico de sintetizadores de frecuencia. UTN-FRBA. Medidas electrónicas II [3] Electrónica de comunicaciones. Curso 2009/2010 [4] Proyecto fin de carrera. Analisis y evaluación de un sintetizador de frecuencia fraccional de tipo sigma-delta. 2010/2011. Susana Patón Álvarez [5] sintetizadores de frecuencia. Buenas tareas.com/6959809