Sintetizador de frecuencia

Un sintetizador de frecuencia es un circuito electrónico que genera un rango de frecuencias a partir de una única frecuencia de referencia. Los sintetizadores de frecuencia se utilizan en dispositivos como receptores de radio , televisores , teléfonos móviles , radioteléfonos , walkie-talkies , radios CB , decodificadores de televisión por cable , receptores de satélite y sistemas GPS . Un sintetizador de frecuencia puede utilizar técnicas como la multiplicación de frecuencia , la división de frecuencia , la síntesis digital directa , la mezcla de frecuencia y los bucles de enganche de fase para generar sus frecuencias. La estabilidad y precisión de la salida del sintetizador de frecuencia están relacionadas con la estabilidad y precisión de su frecuencia de referencia de entrada. Por consiguiente, los sintetizadores utilizan frecuencias de referencia estables y precisas, como las proporcionadas por un oscilador de cristal .

Se pueden distinguir tres tipos de sintetizadores. El primer y segundo tipo se encuentran habitualmente como arquitectura independiente: síntesis analógica directa (también llamada arquitectura de mezcla-filtro-división ^{[ 1 ]} como se encontró en la década de 1960, por ejemplo, HP 5100A ^{[ 2 ]} y el sintetizador digital directo (DDS) más moderno ( consultar tabla ). El tercer tipo se utiliza habitualmente como bloques de construcción de circuitos integrados de sistemas de comunicación : sintetizadores digitales indirectos ( PLL ), incluidos entero-N y fraccionario-N. ^{[ 3 ]} El TAF-DPS de reciente aparición también es un enfoque directo. Construye directamente la forma de onda de cada pulso en el tren de pulsos de reloj.

Antes de la popularización de los sintetizadores, para captar emisoras en diferentes frecuencias, los receptores superheterodinos de radio y televisión dependían de la sintonización manual de un oscilador local , que utilizaba un circuito resonante para generar la frecuencia. El receptor se ajustaba a diferentes frecuencias mediante un condensador variable o un interruptor que seleccionaba el circuito sintonizado adecuado para el canal deseado, como en el caso del sintonizador de torreta comúnmente utilizado en los receptores de televisión antes de la década de 1980. Sin embargo, la frecuencia resonante de un circuito sintonizado no es muy estable; las variaciones de temperatura y el envejecimiento de los componentes provocaban una deriva de frecuencia , y el receptor se desviaba de la frecuencia de la emisora. El control automático de frecuencia (CAF) soluciona en parte este problema, pero a menudo era necesario un reajuste manual. Dado que las frecuencias del transmisor están estabilizadas, es deseable contar con una fuente precisa de frecuencias fijas y estables en el receptor.

Los resonadores de cristal de cuarzo son mucho más estables que los circuitos LC y, al usarse para controlar la frecuencia del oscilador local , ofrecen la estabilidad suficiente para mantener un receptor sintonizado. Sin embargo, la frecuencia de resonancia de un cristal está determinada por sus dimensiones y no se puede variar para sintonizar el receptor a diferentes frecuencias. Una solución consiste en emplear varios cristales, uno para cada frecuencia deseada, e incorporar el correcto al circuito. Esta técnica es práctica cuando solo se requieren unas pocas frecuencias, pero rápidamente se vuelve costosa e impracticable en muchas aplicaciones. Por ejemplo, la banda de radio FM en muchos países admite 100 frecuencias de canal individuales, desde aproximadamente 88 hasta 108 MHz ; la capacidad de sintonizar cada canal requeriría 100 cristales. La televisión por cable puede admitir aún más canales en una banda mucho más amplia. Un gran número de cristales aumenta el costo y requiere espacio adicional. 

La solución a este problema fue el desarrollo de circuitos capaces de generar múltiples frecuencias a partir de una frecuencia de referencia producida por un oscilador de cristal. Esto se conoce como sintetizador de frecuencia. Las nuevas frecuencias sintetizadas poseen la misma estabilidad que el oscilador de cristal maestro, ya que se derivan de él.

Las técnicas coherentes generan frecuencias derivadas de un único oscilador maestro estable. En la mayoría de las aplicaciones, se suele utilizar un oscilador de cristal , pero también se pueden emplear otros resonadores y fuentes de frecuencia. Las técnicas incoherentes derivan frecuencias de un conjunto de varios osciladores estables. ^{[ 9 ]} La gran mayoría de los sintetizadores en aplicaciones comerciales utilizan técnicas coherentes debido a su simplicidad y bajo costo.

Existen diversas técnicas para la síntesis coherente de frecuencias, como el divisor de frecuencia , el bucle de enganche de fase (PLL) y la síntesis digital directa (DDS). La elección del método depende de varios factores, como el costo, la complejidad, el tamaño del paso de frecuencia, la velocidad de conmutación, el ruido de fase y la presencia de señales espurias. Muchos sintetizadores de frecuencia están disponibles como circuitos integrados , lo que reduce el costo y el tamaño.

Entre los primeros libros influyentes sobre técnicas de síntesis de frecuencia se incluyen los de Floyd M. Gardner (su obra de 1966 , Phaselock Techniques ) ^{[ 10 ]} y los de Venceslav F. Kroupa (su obra de 1973, Frequency Synthesis ). ^{[ 11 ]}

Un procedimiento de diseño bien pensado se considera el primer paso significativo para un proyecto de sintetizador exitoso. ^{[ 12 ]} En el diseño de sistemas de un sintetizador de frecuencia, afirma Manassewitsch, hay tantos procedimientos de diseño óptimos como diseñadores de sintetizadores experimentados. ^{[ 12 ]} El análisis de sistemas de un sintetizador de frecuencia incluye el rango de frecuencia de salida, los incrementos de ajuste de frecuencia, la estabilidad de frecuencia, el rendimiento del ruido de fase, el tiempo de conmutación , el tamaño, el consumo de energía y el costo. ^{[ 13 ]} Crawford dice que estos son requisitos mutuamente contradictorios. ^{[ 14 ]}

Se pueden emplear técnicas matemáticas análogas a las relaciones de engranajes mecánicos en la síntesis de frecuencia cuando el factor de síntesis de frecuencia es una relación de números enteros. ^{[ 11 ]} Este método permite una planificación eficaz de la distribución y la supresión de picos espectrales. Los sintetizadores de frecuencia variable, incluidos los DDS, se diseñan habitualmente utilizando aritmética modular para representar la fase.

^{Un bucle de enganche de fase ( PLL )} es un sistema de control por retroalimentación. Compara las fases de dos señales de entrada y genera una ^señal de error proporcional a la diferencia entre ellas. Esta señal de error se filtra mediante un filtro de paso bajo y se utiliza para controlar un oscilador controlado por voltaje (VCO), que genera una frecuencia de salida. Dicha frecuencia se realimenta a la entrada del sistema mediante un divisor de frecuencia , creando así un bucle de retroalimentación negativa . Si la frecuencia de salida varía, la señal de error de fase aumenta, lo que provoca que la frecuencia se ajuste en la dirección opuesta para reducir el error. De esta forma, la salida se sincroniza con la frecuencia de la otra entrada. Esta otra entrada se denomina referencia y suele provenir de un oscilador de cristal estable.

La clave para que un sintetizador de frecuencia genere múltiples frecuencias reside en el divisor ubicado entre la salida y la entrada de retroalimentación. Este divisor suele ser un contador digital , cuya señal de salida actúa como señal de reloj . El contador se preajusta a un valor inicial y decrementa con cada ciclo de la señal de reloj. Al llegar a cero, la salida del contador cambia de estado y el valor se reinicia. Este circuito es sencillo de implementar mediante biestables y, al ser digital, resulta muy fácil de conectar a otros componentes digitales o a un microprocesador . Esto permite controlar y utilizar fácilmente la frecuencia de salida del sintetizador mediante un sistema digital.

En la práctica, un sintetizador de frecuencia basado en PLL no puede operar en un rango de frecuencias muy amplio, ya que el comparador tendrá un ancho de banda limitado y podría sufrir problemas de aliasing . Esto provocaría situaciones de sincronización falsas o la imposibilidad de sincronizarse por completo. Además, es difícil diseñar un VCO de alta frecuencia que opere en un rango muy amplio.

Muchas aplicaciones de radio requieren frecuencias más altas de las que se pueden introducir directamente en el contador digital. Se puede utilizar una etapa de división inicial rápida, denominada preescalador, para reducir la frecuencia a un nivel manejable. Dado que el preescalador forma parte de la relación de división general, un preescalador fijo puede causar problemas al diseñar un sistema que admita los estrechos espaciamientos de canal típicos de las aplicaciones de radio. Esto se puede solucionar utilizando un preescalador de doble módulo . ^{[ 15 ]}

Otros aspectos prácticos incluyen el tiempo necesario para cambiar entre frecuencias, el tiempo de sincronización al encenderse por primera vez y el nivel de ruido en la salida. Todos estos factores dependen del filtro de bucle del sistema, que es un filtro paso bajo ubicado entre la salida del comparador de frecuencia y la entrada del VCO. Generalmente, la salida de un comparador de frecuencia se presenta en forma de pulsos de error cortos, pero la entrada del VCO debe ser una tensión continua suave y sin ruido. Un filtrado intenso ralentizará la respuesta del VCO a los cambios, provocando deriva y un tiempo de respuesta lento, mientras que un filtrado ligero puede generar ruido e inestabilidad. Por lo tanto, el diseño del filtro es fundamental para el rendimiento del sistema y constituye el principal aspecto a considerar al diseñar un sistema sintetizador. ^{[ 15 ]}

Muchos sintetizadores de frecuencia PLL también pueden producir modulación de frecuencia (FM). La señal moduladora se agrega a la salida del filtro de bucle, variando directamente la frecuencia del VCO y la salida del sintetizador. La modulación también aparecerá en la salida del comparador de fase, con una amplitud reducida por cualquier división de frecuencia. Cualquier componente espectral en la señal moduladora demasiado bajo para ser bloqueado por el filtro de bucle termina de vuelta a la entrada del VCO con polaridad opuesta a la señal moduladora, cancelándolos así. (El bucle ve efectivamente estos componentes como ruido del VCO que debe eliminarse). Los componentes de modulación por encima de la frecuencia de corte del filtro de bucle no pueden regresar a la entrada del VCO, por lo que permanecen en la salida del VCO. ^{[ 16 ]} Por lo tanto, este esquema simple no puede manejar directamente señales moduladoras de baja frecuencia o CC, pero esto no es un problema en los muchos transmisores FM de audio y video acoplados en CA que utilizan este método. Los sintetizadores de frecuencia PLL pueden modularse a baja frecuencia y CC utilizando modulación de dos puntos para superar la limitación anterior. ^{[ 17 ]} La modulación se aplica al VCO como antes, pero ahora también se aplica digitalmente al sintetizador en sintonía con la señal FM analógica mediante un ADC delta sigma rápido.

• Oscilador controlado digitalmente
• Circuito de Wadley

• Ulrich L. Rohde, "Sintetizadores de frecuencia PLL digitales: teoría y diseño", Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, enero de 1983.
• Ulrich L. Rohde, «Sintetizadores de microondas e inalámbricos: teoría y diseño», John Wiley & Sons, agosto de 1997, ISBN 0-471-52019-5
• Sintetizador de frecuencia, patente estadounidense 3,555,446, Braymer, NB, (12 de enero de 1971)
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• Van Duzer, Victor E. (mayo de 1964). "Notas sobre la aplicación de sintetizadores de frecuencia" (PDF) . Hewlett-Packard Journal . 15 (9): 7– 8. Archivado del original (PDF) el 9 de diciembre de 2022. Recuperado el 14 de mayo de 2017 .
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• Hewlett-Packard (agosto de 1965). Controlador de sintetizador modelo 5110A (PDF) . Manual de funcionamiento y servicio.
• Explicación de la arquitectura de síntesis de frecuencia TAF-DPS (Flying-Adder)