Lazos de enganche en frecuencia para la reduccion de ruido de fase en generadores de instrumentacion de radiofrecuencia

Abstract

Las comunicaciones inalámbricas son hoy día un instrumento fundamental para el desarrollo de gran parte de las actividades económicas, sociales y recreativas en el mundo. En la actualidad, la telefonía móvil, los radioenlaces, las redes WiFi o WiMax y las comunicaciones por satélite son el medio sobre el que se realizan la transmisión de datos bancarios, las reuniones de empresa online, la publicación instantánea de noticias o las llamadas internacionales. El incremento exponencial del uso de estos sistemas de comunicación hace necesario la utilización de técnicas de modulaciones cada vez más eficientes, tales como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). La utilización de múltiples canales ortogonales de banda estrecha para formar símbolos muy largos dota a OFDM de una gran tolerancia a las interferencias multicamino, al ruido impulsivo y al desvanecimiento selectivo en frecuencia. En contraposición, existen desventajas debidas a la sensibilidad de OFDM al ruido de fase que principalmente generan los osciladores locales tanto en transmisores como en receptores. Por tanto, es importante que estos osciladores sean lo más ideales posible ya que está demostrado que el ruido de fase en osciladores implica un empeoramiento de la tasa de error de bit (bit error rate, BER) en técnicas como OFDM, Además, el ruido de fase en los osciladores locales puede enmascarar señales adyacentes con un bajo nivel de potencia, reduciendo la sensibilidad del receptor frente a ese tipo de señales. Si ya es deseable la reducción de ruido de fase en los osciladores de los transceptores de comunicaciones inalámbricas, la importancia de esta reducción se maximiza para los osciladores locales de la instrumentación de medida que se utiliza para caracterizarlos sistemas anteriormente mencionados. Los equipos de medida deben superar ampliamente en prestaciones a los sistemas objeto de la medida si se desea que los resultados de las medidas sean fiables.

Habitualmente, para los sintetizadores de microondas se usan bucles enganchados en fase (phase locked loop, PLL) que permiten controlar de forma precisa la frecuencia generada referenciándola a la señal de un oscilador de mucha menor frecuencia (típicamente algunos MHz) y gran estabilidad. Uno de los bloques funcionales más importantes del PLL es el oscilador controlado por tensión (voltage controlled oscillator, VCO), el cual es capaz de generar señales sinusoidales cuya frecuencia es controlable electrónicamente mediante una señal de control. Los PLLs permiten una sintonía relativamente rápida de la frecuencia deseada y una importante reducción del ruido de fase del oscilador hasta desviaciones de frecuencia respecto de la portadora de algunas centenas de kilohercios. Aunque el estudio de PLLs demuestra que con un ancho de banda del bucle óptimo se puede reducir el ruido del VCO hasta mayores desviaciones de frecuencia y se reduce el tiempo de enganche, también se ha demostrado que el nivel de los espurios es proporcional a dicho ancho de banda, y por tanto, anchos de banda grandes implican niveles de espurios más altos. Debido al compromiso que se debe llegar en el diseño de PLLs entre ancho de banda, tiempo de enganche, ruido de fase y nivel de espurios, resulta muy complicado para los sintetizadores de frecuencia de microondas obtener una reducción de ruido de fase importante hasta desviaciones de frecuencias de megahercios manteniendo, al mismo tiempo, muy bajos los niveles de espurios que el propio PLL genera. Una nueva solución, aun no muy estudiada, es la introducción del VCO dentro de un bucle enganchado en frecuencia (frequency locked loop, FLL). La frecuencia de salida del VCO es detectada por el discriminador de frecuencia. La salida del discriminador de frecuencia genera una tensión que es proporcional a la desviación de frecuencia, respecto a la portadora de microondas. Esta tensión contrarresta la tensión de control que sintoniza el VCO, con lo que se consigue un tono de RF más puro a la salida del VCO. De esta manera se obtiene un VCO enganchado en frecuencia (frequency locked VCO, FLVCO) con mejores prestaciones en cuanto a ruido de fase que el VCO original. Esta reducción de ruido permitirá mejorar las características del sintetizador de frecuencia basado en PLL.

En esta tesis se propone estudiar las posibilidades de los bucles de enganche en frecuencia para la reducción de ruido de los VCOs y más concretamente, se propone desarrollar un FLVCO de banda ancha que permita sintetizar frecuencias entre 5 - 10 GHz al mismo tiempo que se reduce el ruido de fase de VCO hasta desviaciones de frecuencia respecto a la portadora de hasta 1 MHz. El elemento fundamental en el desarrollo del FLVCO es el discriminador de frecuencia. Aunque hay muchas alternativas a la hora de construir un discriminador de frecuencia, el gran ancho de banda necesario hace de los basados en líneas de retardo la mejor opción. Un discriminador basado en línea de retardo tiene como elemento crítico el comparador de fase. Este componente debe trabajar óptimamente en toda la banda de trabajo lo que, para este caso concreto, supondría un ancho de banda relativo de 1:2. Para conseguir un comparador de fase de estas características en tecnología planar fácilmente integrable se aplicará una técnica de diseño de acopladores híbridos de banda ancha, que ya ha sido ensayada con gran éxito, para conseguir un diseño de un detector de fase integrado de altas prestaciones que funcione en toda la banda de 5 a 10 GHz. Como objetivo adicional del proyecto, se propone investigar en las posibilidades de la técnica de seis puertos, para la medida del ruido de fase. Las técnicas actuales para la medida de ruido de fase necesitan de un oscilador de referencia cuyo ruido de fase esté al menos 10dB por debajo del que se desea medir, este requisito es complicado de cumplir cuando se están desarrollando osciladores de altas prestaciones. En ese proyecto se evaluará la posibilidad de utilizar la técnica de medida de seis puertos. También se pretende evaluar la utilización del seis puertos en una técnica de medida interferométrica que permita caracterizar el ruido de fase sin la necesidad de una fuente de referencia.