sexta-feira, 15 de novembro de 2019

PLL - Sintetização Digital na Faixa do Cidadão


As frequências da Faixa do Cidadão eram divididas em 23 canais que se estendiam de 26,965 a 27,255 MHz. O espaçamento entre canais eram de 10 kHz, exceto por algumas frequências intermediárias, reservadas para aplicações de radiocontrole.

Nos Estados Unidos, em resposta ao grande aumento no número de usuários, e o consequente "congestionamento" da faixa, o FCC, órgão competente nestes casos, autorizou o estabelecimento de mais 17 canais, a partir de 1º de janeiro de 1977, o que alargou a faixa até 27,405 MHz.

Os primeiros tranceptores da Faixa do Cidadão usavam um par de cristais para cada canal, sendo um deles para gerar a frequência de transmissão e o outro, para o oscilador local do receptor. Quanto maior fosse o número de canais abrangido pelo aparelho, tanto maior seria a quantidade de cristais necessários e consequentemente, mais caro seria o aparelho. Mais recentemente, havia surgido uma técnica chamada "cristalplexação" (crystalplexing), que necessitava apenas 14 cristais para os 23 canais. Alguns desses cristais operavam em torno dos 35 MHz, outros perto de 8 MHz, para controlar três osciladores; as frequências apropriadas eram conseguidas pela mistura e combinação de várias frequências dos osciladores.

Quando o FCC começou a considerar uma expansão desta faixa, pensava-se que o número de canais seria acrescido em 80 ou mais canais. A perspectiva de desenvolver a técnica da cristalplexação, de maneira a cobrir tal quantidade de canais, não seria atraente para os fabricantes, devido ao custo, complexidade e dimensões. Além disso, a disponibilidade dos cristais foi severamente afetada pela demanda crescente dos relógios digitais.

Introduzindo os sintetizadores digitais


As circunstâncias discutidas nos parágrafos anteriores levaram os fabricantes de rádios para a faixa do cidadão a considerar os sintetizadores digitais, em "phase locked loops" (PLL), para produzir as frequências requeridas. Os sintetizadores digitais têm sido usados há algum tempo, em uma grande variedade de aplicações, desde comunicações militares, até controle de velocidade de motores. A figura 1 representa um diagrama simplificado de um sintetizador empregado na Faixa do Cidadão: um oscilador controlado por tensão (VCO) atua como a entrada de "clock" de um divisor digital programável, que possui um módulo (razão de divisão) N determinado, em parte, pelas entradas de seleção de canal. A saída deste divisor é comparada com uma frequência de referência de 5 kHz, fornecida por um divisor fixo, a partir de um oscilador controlado a cristal.

Figura 1 - Elementos básicos de um sintetizador de frequência para um tranceptor da Faixa do Cidadão.

Se a saída do divisor programável diferir, em fase ou frequência, da referência de 5 kHz, o detector de fase vai gerar uma série de pulsos de erro. Estes pulsos têm uma amplitude fixa, mas sua frequência, duração e polaridade dependem, respectivamente, da menor das duas frequências de entrada, da diferença de tempo entre suas "bordas" ativas e do fato da frequência variável estar, ou não, em fase com a frequência de referência.

Os pulsos de erro são filtrados e amplificados pelo integrador, que vai causar uma variação na frequência do oscilador controlado por tensão, de maneira a fazer a frequência de saída do divisor programável coincidir com a referência de 5 kHz. Quando esta for alcançada, diz-se que a malha está fechada (locked loop). No instante em que o operador mudar de canal, a frequência de saída do divisor programável vai mudar de valor; os sinais de erro serão aplicados ao integrador e a frequência do VCO é transferida para o novo valor, e é "fechada".

A principal vantagem de um sintetizador digital reside no uso de apenas um cristal, desde que todas as frequências geradas pelo VCO sejam múltiplos inteiros da referência de 5 kHz. É possível a utilização de uma frequência de referência de 10 kHz, pois é igual ao espaçamento entre canais da Faixa do Cidadão. Contudo, para as aplicações em SSB (single side band - banda lateral única), a referência de 5 kHz é obrigatória.

Esta versatilidade é mais facilmente atingida pelo uso de uma frequência de 5 kHz como referência, juntamente com um divisor programável, com um módulo que possa ser elevado de um passo por vez, por meio de uma entrada separada. Certas soluções encontradas empregam uma frequência de referência de 1,25 kHz, devido às limitações de frequência dos circuitos digitais escolhidos.

Reunindo todo o conjunto


Uma outra vantagem do sintetizador digital é que todas as funções digitais podem ser reunidas em uma só "pastilha" LSI (large scale integration - integração em larga escala). Os primeiros sintetizadores foram desenvolvidos com circuitos lógicos SSI e MSI (small e medium scale integration - integração em pequena e média escala), e as diferenças entre os sistemas planejados por vários fabricantes de semicondutores foram causados por dois fatores. Um deles, envolvendo o projeto do divisor programável, de modo a acomodá-lo às diversas chaves de seleção de canal e aos diversos sistemas de comutação de faixa do VCO, adotados pelos vários fabricantes de tranceptores da Faixa do Cidadão. O outro fator, foi a tendência de conservar alguns dos sistemas de mistura e multiplexação, usados nos antigos rádios de cristalplexação.

Não havia limitações específicas de frequência nesses sistemas empregando técnicas de SSI / MSI, pois os projetistas digitais tinham a liberdade de usar lógica de alta velocidade onde necessário, e lógica de baixo consumo, em outras áreas.

Algumas das diferenças citadas começaram a desaparecer, quando os projetistas aprenderam mais detalhes sobre determinados pontos mais sutis dos circuitos analógicos e quando os projetistas de tranceptores se conscientizaram da versatilidade das técnicas de sintetizador digital.

Quando os sitemas SSI / MSI foram refinados e incorporados em "pastilhas" LSI, entretanto, a escolha de diferentes tecnologias conduziu a diferenças significativas. Por exemplo, algumas "pastilhas" LSI são feitas em tecnologia MOS ou CMOS, e o divisor programável não pode operar à frequência do VCO; tais sistemas requerem, então, um "prescaler" externo ou circuitos analógicos adicionais, para mistura e multiplicação. Outras diferenças, não especificamente associadas com a tecnologia LSI, relacionam-se com as preferências dos vários produtores de tranceptores de rádios da Faixa do Cidadão.

O receptor de dupla conversão


Antes de passar à análise dos vários métodos de sintetização, é de grande ajuda considerar as frequências que os sintetizadores precisam gerar, e como essas frequências são utilizadas no tranceptor. A figura 2 é um diagrama de blocos simplificado de um receptor de dupla conversão. O amplificador de RF usa sintonia passa-banda, ao invés de sintonia variável, pois a largura de faixa é somente 17% da frequência central. A seletividade adicional é conseguida nos amplificadores de FI. O primeiro deles opera a 10,695 MHz, o que significa que as frequências imagem estão localizadas a uma distância razoável da faixa coberta pelo amplificador de RF. A segunda frequência de FI é obtida ao se misturar a referência de 10,240 MHz com a primeira frequência intermediária.

Figura 2 - Receptor da Faixa do Cidadão de Dupla Conversão

O VCO deve gerar uma frequência igual a 10,695 MHz, acima ou abaixo da frequência do canal desejado (os dados para sintonia do canal 1 estão ilustrados na figura 2). Os dois sistemas, isto é, de alta e baixa injeção, foram propostos, mas a operação à menor frequência é favorecida, devido à restrição do FCC, que limita a potência irradiada, no estado "recepção", a 2nW, em frequências acima de 25 MHz.

Gerando a frequência de transmissão


Vários processos foram tentados para a geração da frequência de transmissão. A figura 3 ilustra dois métodos: no primeiro deles, representado com linhas tracejadas, a frequência do canal é obtida ao se misturar a saída do VCO com a referência de 10,240 MHz. No outro sistema (com linhas contínuas), o VCO opera na frequência do canal e, portanto, não precisa da mistura.

Figura 3 - Método direto versus método indireto de gerar a frequência de transmissão.

O segundo método foi o preferido por alguns fabricantes, mas a experiência provou que ele traz duas desvantagens visíveis: uma delas é a dificuldade de se evitar a realimentação da RF modulada, de volta ao VCO, que é um circuito sensível. Esta realimentação modulada, por sua vez, ocasiona uma  modulação espúria do VCO, que é difícil de controlar, mesmo com blindagem e desacoplamento severos.

Pelo outro lado, quando a frequência de transmissão é conseguida por mistura, o VCO estará operando a uma frequência bem diferente do sinal de RF de potência e, em conclusão, não será suscetível à realimentação.

A outra desvantagem de se trabalhar com o VCO à frequência de transmissão envolve a mudança de frequência que o VCO deve cumprir quando o operador da Faixa do Cidadão efetuar a comutação de "recepção" para "transmissão" e vice-versa. No estado "recepção", o VCO está trabalhando a uma "distância" de 10,695 MHz da frequência do canal, e este é o valor de frequência que o VCO precisa vencer para gerar diretamente a frequência de transmissão. Por outro lado, quando o estado "transmissão" é obtido por mistura, como mostra a figura 3, a frequência do VCO deve variar de apenas 0,455 MHz, entre os dois estados.

Este grau de variação é facilmente realizado ao se adicionar um segundo diodo varactor ao VCO, e fazendo uma mudança em sua polarização posterior, por ocasião da comutação. A tensão de polarização de duplo valor, neste varactor adicional, é projetada (ou ajustada) de modo que a tensão de controle do VCO (vinda do integrador) não varie no momento de comutação entre estados, reduzindo, assim, o tempo de sincronização (lock-up time). Ao contrário, para se variar a frequência do VCO em 10,695 MHz, é preciso uma comutação indutiva de faixa, maior complexidade, etc.

Adicionando outro oscilador a cristal


A necessidade de se mudar a frequência do VCO na ocasião da mudança de estado pode ser eliminada pela inclusão de um oscilador a cristal de 10,695 MHz, a exemplo da figura 4. Sem a necessidade de comutação de faixa, a gama de sintonia do VCO será de apenas 500 kHz e é possível empregar, então, circuitos sintonizados com maior Q (figura de mérito), que vão originar projetos de VCO mais simples e com maior pureza de espectro. Além disso, pode-se admitir constantes de tempos mais elevadas no integrador da malha, suprimindo assim os componentes das bandas laterais da frequência de referência de 5 kHz, na saída do VCO.

Figura 4 - Sistema de cristal duplo.

Embora este método exija um outro cristal e os componentes associados ao oscilador, existe, realmente, pouca diferença em número de peças, pois o sistema de cristal único requer um varactor adicional, um potenciômetro, um transístor de comutação e componentes auxiliares. As desvantagens da elevada complexidade e pior desempenho de um VCO com comutação de faixa tendem a anular a pequena vantagem econômica dos sistemas de um só cristal.

Alguns exemplos de sintetizadores LSI


Todos os sintetizadores LSI contêm o oscilador de referência, o divisor de referência, o divisor programável e o detector de fase. Eles possuem, ainda, um meio de evitar a operação do conjunto enquanto a malha não estiver fechada. Um outro item muito comum, nestes dispositivos, e que não foi evidenciado nas figuras, é a lógica necessária para transformar os números dos canais em códigos apropriados à seleção da razão programável de divisão N. Os cinco espaços de frequência ao longo dos 23 canais complicam essa lógica de transformação e um problema adicional foi introduzido, ao se reservar as frequências dos novos canais 24 e 25 no espaço entre os canais 22 e 23.

Normalmente, a função de transformação poderia ser efetuada por uma chave rotativa, mas com isto seria preciso destacar uma chave especial para cada tipo de sintetizador LSI, devido às diferenças existentes entre os divisores programáveis. Como isto não é interessante aos fabricantes de rádios da Faixa do Cidadão, todos os sintetizadores LSI aceitam chaves rotativas comuns, ou seus equivalentes eletrônicos.

A figura 5 ilustra um diagrama simplificado de um sintetizador CMOS, fechado pela linha tracejada, juntamente com outras funções essenciais. Há um total de oito entradas de seleção de canais, além de uma entrada de controle, que permite o uso de números de canal tanto em codificação binária ou BCD. Este sintetizador foi idealizado para ser usado somente em sistemas de cristal duplo, pois não possui o controle "transmissão" / "recepção", responsável pela variação de 455 kHz na frequência do VCO. O divisor de referência providencia uma saída de 5,120 MHz, que precisa ser triplicada externamente, e então misturada à frequência do VCO, para se obter uma entrada adequada ao divisor programável. Um dos problemas com este método de redução aparece devido a certos componentes de frequência indesejáveis, causando pulsos espúrios na saída do divisor programável, o que contribui para a distorção de FM no VCO.

Figura 5 - Exemplo de sintetizador CMOS

A figura 6, ilustra um sintetizador LSI bipolar de 23 canais, que utiliza técnicas da lógica de seguidor de emissor (emitter follower logic - EFL) e da lógica de injeção integrada (integrated injection logic - I2L). O circuito destina-se à operação com um único cristal e, portanto, requer um VCO de comutação de faixa.

Figura 6 - Sintetizador bipolar de 23 canais, usando circuitos EFL e I2L


Um oscilador de 30,720 MHz tem sua frequência dividida, a fim de fornecer as frequências de mistura e de referência. As frequências apropriadas ao divisor programável são obtidas ao se misturar a frequência do VCO com um sinal de 15,360 MHz, originando ao se dividir a frequência do oscilador (30,720 MHz) por dois.

O circuito aceita números de canal codificados em binário e possui uma entrada para deslocar a frequência do VCO em 5 kHz, para SSB. Uma entrada de controle Transmissão / Recepção faz com que a frequência do VCO se desloque de 455 kHz. Os misturadores analógicos estão também incluídos na "pastilha".

A figura 7 mostra um sintetizador LSI desenvolvido pela Fairchild. Designado como 11C84, aceita números de canal codificados em BCD, de 0 a 79. Os números de 1 a 40 sintonizam as frequências de canais normais, enquanto os outros são reservas adicionais para o canal nº 9, de emergência, e para testes e calibração de alta e baixa frequência do VCO. O integrado opera tanto em sistemas de cristal único, como de cristal duplo, e possui um controle de "offset" de 5 kHz, para aplicações em SSB. As possibilidades, em velocidade, da tecnologia Schottky de baixa potência, e mais o uso de técnicas de "pulse swallowing", permitem que o divisor programável trabalhe à frequência do VCO. Isto elimina a necessidade de um misturador e evita os problemas associados de pulsos espúrios.

Figura 7 - Sintetizador empregando tecnologia "Schottky" de baixa potência.

Para reduzir ainda mais a distorção de FM no VCO, o detector de fase possui características especiais. Uma falha normal em detectores de fase é a sua incapacidade para detectar pequenas diferenças de ângulo de fase entre as duas frequências em comparação. Consequentemente, a frequência variável desloca-se até o ponto em que o detector possa responder, onde a malha varia a frequência do VCO no sentido oposto, até que um erro de fase neste sentido seja detectado. A malha, então, reage novamente, e dirige a frequência do VCO para outro lado, de novo, e o processo é repetido. Tal característica de "busca", que ocasiona a distorção de FM no VCO, é evitada neste sintetizador, por meio de uma técnica que força o detector a operar fora de sua zona inativa. O sinal que indica "malha não fechada" é também especial, no fato de que ele surge toda vez que o erro de fase no detector exceder uma quantidade determinada. E este sinal permanece em serviço enquanto as entradas do detector não estiverem dentro da tolerância permitida para dois ciclos sucessivos da referência de 5 kHz.

Isto quer dizer que o sinal não pode ser desoperado por uma coincidência aleatória dos sinais de entrada do detector de fase.

Métodos diferente, idealizados por pessoas diferentes


Os exemplos vistos, se bem que não sejam os únicos sintetizadores LSI fabricados, servem para fazer ver que diferentes grupos de projetistas tendem a encontrar soluções distintas para o mesmo problema. Esta divergência foi causada pela escolha de diferentes tecnologias de semicondutores, mas existe um outro fator envolvido. Os projetistas de rádios de Faixa do Cidadão aprenderam, por exemplo, que o sistema de cristal duplo é preferível ao sistema de cristal único.

Os projetistas digitais tornaram-se conscientes dos efeitos dos pulsos espúrios e da banda inativa do detector, sobre a pureza do VCO. À medida que mais experiência é adquirida em sintetizadores empregados em aparelhos de consumo, e à medida que o volume de produção reduzir os custos, mais e mais sintetizadores LSI surgirão, fazendo parte de rádios AM e FM.

Com informações de: "Fairchild Journal of Semiconductor Progress".

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