สัญญาณรบกวนเฟสเป็นปัจจัยที่สำคัญมากในการออกแบบเครื่องสังเคราะห์เสียง PLL เนื่องจากสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบที่ใช้เครื่องสังเคราะห์เสียง

สัญญาณรบกวนเฟสในเครื่องสังเคราะห์ความถี่ PLL อาจส่งผลต่อปัจจัยด้านประสิทธิภาพ เช่น การผสมสัญญาณแบบกลับกัน อัตราความผิดพลาดของบิต และความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมโดยรวม สัญญาณรบกวนจากสัญญาณในช่องสัญญาณหนึ่งอาจล้นไปยังช่องสัญญาณที่อยู่ติดกัน ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนต่อผู้ใช้รายอื่น

เนื่องจากแรงกดดันต่อสเปกตรัมเพิ่มมากขึ้น จึงจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพการทำงานของสัญญาณรบกวนเฟสตรงตามข้อกำหนดของระบบ และโดยปกติแล้ว ถือเป็นพารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญสำหรับเครื่องสังเคราะห์ความถี่ PLL ใดๆ

การทำความเข้าใจว่าสัญญาณรบกวนเฟสเกิดขึ้นได้อย่างไรและส่งผลต่อระบบอย่างไร จะทำให้สามารถสร้างสมดุลอย่างรอบคอบระหว่างปัญหาต่างๆ ได้เมื่อออกแบบ RF ของเครื่องสังเคราะห์เสียง

เฟสนอยส์คืออะไร?

สัญญาณรบกวนเฟสมีอยู่ในทุกสัญญาณในระดับหนึ่ง และเกิดจากการรบกวนเฟส (และความถี่) เล็กน้อย หรือความสั่นไหวของสัญญาณ สัญญาณรบกวนนี้แสดงออกมาในรูปของสัญญาณรบกวนที่แพร่กระจายออกไปทั้งสองด้านจากพาหะหลัก

สำหรับออสซิลเลเตอร์แบบฟรีรันนิ่งส่วนใหญ่ สัญญาณรบกวนเฟสจะสูงขึ้นโดยทั่วไปเมื่ออยู่ใกล้กับคลื่นพาหะ จากนั้นจะลดลงเมื่อความถี่ที่ชดเชยจากคลื่นพาหะเพิ่มขึ้น

หมายเหตุเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนเฟส:

สัญญาณรบกวนเฟสประกอบด้วยการรบกวนแบบสุ่มขนาดเล็กในเฟสของสัญญาณ หรือที่เรียกว่า เฟสจิตเตอร์ การรบกวนเหล่านี้มีผลในการมอดูเลตเฟส และส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบไซด์แบนด์ ซึ่งกระจายออกไปทั้งสองด้านของสัญญาณหลัก และสามารถพล็อตลงบนเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมเป็นสัญญาณรบกวนเฟสแบบไซด์แบนด์เดียวได้

แหล่งกำเนิดสัญญาณบางแหล่งดีกว่าแหล่งอื่น ออสซิลเลเตอร์คริสตัลมีคุณภาพดีและมีระดับสัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก ออสซิลเลเตอร์ความถี่แปรผันแบบฟรีรันนิ่งมักจะทำงานได้ดี น่าเสียดายที่ซินธิไซเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งซินธิไซเซอร์ที่ใช้ลูปล็อกเฟส มักจะทำงานได้ไม่ดีนัก เว้นแต่จะได้รับการออกแบบมาอย่างดี

หากมีระดับสัญญาณรบกวนเฟสที่สำคัญบนเครื่องสังเคราะห์เสียงที่ใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่ในเครื่องรับ อาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานของวิทยุในแง่ของการผสมแบบสลับกัน

สัญญาณรบกวนเฟสในเครื่องสังเคราะห์เสียง

แต่ละส่วนประกอบในเครื่องสังเคราะห์ความถี่จะสร้างสัญญาณรบกวนซึ่งจะส่งผลต่อสัญญาณรบกวนโดยรวมที่ปรากฏที่เอาต์พุต วิธีการที่สัญญาณรบกวนจากองค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่งในลูปส่งผลต่อเอาต์พุตจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่เกิดสัญญาณรบกวนนั้น ตัวอย่างเช่น สัญญาณรบกวนที่เกิดจาก VCO จะส่งผลต่อเอาต์พุตในลักษณะที่แตกต่างจากสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นในเครื่องตรวจจับเฟส

การพิจารณาประสิทธิภาพของสัญญาณรบกวนเฟสในระหว่างการออกแบบ RF ของเครื่องสังเคราะห์เสียงถือเป็นเรื่องสำคัญมาก เนื่องจากอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของหน่วยสุดท้าย ไม่ว่าจะเป็นหน่วยใดก็ตาม

ในการดูว่าสัญญาณรบกวนจากองค์ประกอบต่างๆ ภายในลูปล็อกเฟสเป็นอย่างไร จำเป็นต้องพิจารณาแต่ละองค์ประกอบทีละองค์ประกอบเพื่อดูว่าสัญญาณรบกวนได้รับผลกระทบจากลูปอย่างไร

ออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า:  ก่อนอื่น ลองพิจารณาสัญญาณรบกวนที่เกิดจากออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า สัญญาณรบกวนนี้จะผ่านวงจรแบ่งและปรากฏที่เอาต์พุตของตัวตรวจจับเฟส จากนั้นสัญญาณรบกวนจะต้องผ่านวงจรกรองแบบลูป

ตัวกรองแบบลูปจะอนุญาตเฉพาะส่วนประกอบของสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่าความถี่ตัดของลูปเท่านั้น ซึ่งจะปรากฏบนแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดและมีผลในการหักล้างสัญญาณรบกวนบนออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากผลกระทบนี้จะเกิดขึ้นภายในแบนด์วิดท์ของลูปเท่านั้น จึงจะลดระดับสัญญาณรบกวนภายในแบนด์วิดท์ของลูป และไม่มีผลต่อสัญญาณรบกวนภายนอกแบนด์วิดท์ของลูป กล่าวอีกนัยหนึ่ง สัญญาณรบกวนจาก VCO จะลดลงภายในแบนด์วิดท์ของลูป แต่จะไม่ลดลงภายนอก

เครื่องตรวจจับเฟส สัญญาณ  รบกวนที่เกิดจากเครื่องตรวจจับเฟสจะได้รับผลกระทบในลักษณะที่แตกต่างกัน อีกครั้ง มีเพียงส่วนประกอบของสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่าแบนด์วิดท์ลูปเท่านั้นที่จะผ่านตัวกรองความถี่ต่ำผ่านได้

ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีส่วนประกอบใดที่อยู่นอกแบนด์วิดท์ลูปปรากฏบนแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วควบคุมของออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า และจะไม่มีผลกระทบต่อออสซิลเลเตอร์ ส่วนประกอบเหล่านั้นภายในแบนด์วิดท์ลูปจะปรากฏที่ขั้วควบคุมของออสซิลเลเตอร์ ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อออสซิลเลเตอร์และปรากฏเป็นสัญญาณรบกวนเฟสบนเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า

ปัญหายิ่งแย่ลงไปอีกเมื่ออัตราส่วนการแบ่งมีผลทำให้ระดับสัญญาณรบกวนเพิ่มขึ้น สาเหตุนี้เกิดขึ้นเนื่องจากเครื่องสังเคราะห์เสียงมีผลทำให้ความถี่ของสัญญาณอ้างอิงเพิ่มขึ้น ดังนั้น ระดับสัญญาณรบกวนจึงถูกคูณด้วยตัวคูณ 20 log N โดยที่ N คืออัตราส่วนการแบ่ง

กล่าวอีกนัยหนึ่ง สัญญาณรบกวนที่เกิดจากตัวตรวจจับเฟสจะปรากฏบนสัญญาณเอาต์พุตสำหรับค่าออฟเซ็ตภายในแบนด์วิดท์ลูป นอกจากนี้ยังคูณด้วยตัวคูณ 20logN โดยที่ N คืออัตราส่วนการแบ่งของตัวแบ่งซินธิไซเซอร์

สัญญาณรบกวนความถี่อ้างอิง  ที่สร้างขึ้นโดยสัญญาณอ้างอิงจะได้รับการประมวลผลแบบเดียวกันกับสัญญาณรบกวนที่สร้างโดยตัวตรวจจับเฟส สัญญาณรบกวนนี้จะปรากฏภายในแบนด์วิดท์ของลูป และจะถูกคูณด้วยอัตราส่วนการแบ่งของลูปในลักษณะเดียวกับสัญญาณรบกวนจากตัวตรวจจับเฟส

ซึ่งหมายความว่า แม้ว่าออสซิลเลเตอร์อ้างอิงอาจมีประสิทธิภาพในการรับเสียงรบกวนเฟสที่ดีมาก แต่ประสิทธิภาพดังกล่าวอาจลดลงอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากอัตราส่วนการแบ่งสูง

ตัวแบ่งความถี่ดิจิทัล:  โดยปกติแล้วตัวแบ่งความถี่จะไม่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนอย่างมีนัยสำคัญ สัญญาณรบกวนใดๆ ที่เกิดขึ้นอาจรวมเข้ากับสัญญาณรบกวนจากตัวตรวจจับเฟสได้

สัญญาณรบกวนของลูปโดยรวม  สัญญาณรบกวนรวมของลูปที่เอาต์พุตโดยทั่วไปจะมีลักษณะเหมือนที่แสดงด้านบน

จะเห็นได้ว่าสัญญาณรบกวนภายในแบนด์วิดท์ลูปเกิดจากตัวตรวจจับเฟสและตัวอ้างอิง นอกแบนด์วิดท์ลูป สัญญาณรบกวนส่วนใหญ่เกิดจากออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า

จากนี้จะเห็นได้ว่าการปรับโปรไฟล์สัญญาณรบกวนให้เหมาะสมภายในการออกแบบ RF ของเครื่องสังเคราะห์เสียงนั้นขึ้นอยู่กับการเลือกแบนด์วิดท์ของลูปเป็นอย่างมาก นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องรักษาอัตราส่วนการแบ่งในลูปใดๆ ให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น เครื่องสังเคราะห์เสียงความถี่ 150 MHz ที่มีขนาดขั้น 12.5 kHz จะต้องมีอัตราส่วนการแบ่งที่ 12,000 ซึ่งจะทำให้ค่าตัวตรวจจับเฟสและค่าสัญญาณรบกวนเฟสอ้างอิงลดลง 81 เดซิเบลภายในแบนด์วิดท์ของลูป ซึ่งถือเป็นการลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับมาตรฐานทั่วไป! หากอัตราส่วนการแบ่งไม่สูงเกินไป แบนด์วิดท์ของลูปที่กว้างก็สามารถช่วยควบคุมระดับสัญญาณรบกวนของออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้ต่ำลงได้เช่นกัน

จะเห็นได้ว่าการออกแบบ RF ของเครื่องสังเคราะห์ความถี่ต้องมีความสมดุลอย่างระมัดระวังระหว่างแบนด์วิดท์ของลูป อัตราส่วนการแบ่ง ประสิทธิภาพของการอ้างอิงความถี่ และอื่นๆ

ผลกระทบของสัญญาณรบกวนเฟส PLL

สัญญาณรบกวนเฟส PLL สามารถส่งผลกระทบต่อระบบต่างๆ ได้ในรูปแบบที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือสำหรับทุกการใช้งาน สัญญาณรบกวนเฟสบนสัญญาณจะต้องทราบและอยู่ในขอบเขตที่กำหนด อย่างไรก็ตาม สัญญาณรบกวนเฟสอาจก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ มากมาย:

• สัญญาณรบกวนที่ส่งผ่านแบบแบนด์กว้าง:  เมื่อใช้เครื่องสังเคราะห์ความถี่ PLL ภายในเครื่องส่งสัญญาณ แหล่งกำเนิดออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่ซึ่งมีสัญญาณรบกวนเฟสจำนวนมากสามารถแผ่ออกไปนอกย่านความถี่ที่ต้องการได้ สัญญาณรบกวนนี้จะถูกส่งเป็นสัญญาณรบกวนแบบแบนด์กว้าง และอาจก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนต่อผู้ใช้รายอื่นที่อยู่ใกล้เคียง

เนื่องจากมีข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการปล่อยคลื่นรบกวนจากเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ จึงจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าการออกแบบ RF ช่วยให้ประสิทธิภาพเป็นไปตามพารามิเตอร์ที่ต้องการ

• การเพิ่มอัตราความผิดพลาดบิต:  สำหรับการส่งข้อมูลโดยใช้การมอดูเลตเฟส เฟสจิตเตอร์หรือสัญญาณรบกวนเฟสอาจทำให้เกิดความผิดพลาดในการรับข้อมูล สัญญาณรบกวนเฟส PLL ทั้งในตัวส่งและตัวรับสามารถเพิ่มโอกาสการเกิดความผิดพลาดบิตได้ ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องควบคุมสัญญาณรบกวนเฟส PLL ให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ ทั้งในตัวส่งและตัวรับ

• การผสมแบบกลับกัน:  ปัญหานี้จะเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณรบกวนเฟสจากสัญญาณออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นซ้อนทับกับสัญญาณนอกช่องสัญญาณที่แรง สัญญาณรบกวนเฟสนี้จะกลบสัญญาณที่อ่อนกว่าในระดับที่ต่ำกว่ามาก

ข้อกำหนดของเครื่องรับนี้มักเรียกว่าข้อกำหนดแบบไดนามิก เนื่องจากปัญหาการผสมสัญญาณแบบกลับกันจะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีสัญญาณนอกช่องสัญญาณที่มีกำลังแรงเท่านั้น หากไม่มีสัญญาณอื่นใดอยู่ ปัญหาดังกล่าวจะไม่เกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม ในโลกแห่งความเป็นจริง มักมีสัญญาณที่มีกำลังแรง ดังนั้น การตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพการผสมสัญญาณแบบกลับกันอยู่ในระดับที่ต้องการจึงเป็นสิ่งสำคัญ

สัญญาณรบกวนเฟสที่เกิดจากเครื่องสังเคราะห์ความถี่แบบ PLL มีความสำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้น ประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนเฟสของเครื่องสังเคราะห์จึงต้องเป็นข้อพิจารณาหลักตั้งแต่เริ่มต้นการออกแบบ เนื่องจากประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนเฟสขึ้นอยู่กับโครงสร้างโดยรวมของวงจรเป็นสำคัญ หากใช้วิธีการที่ไม่ถูกต้อง อาจไม่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้ในระดับที่ต้องการ