Sintetizar quiere decir formar una entidad combinando partes o elementos. Un sintetizador de
frecuencias se usa para generar muchas frecuencias de salida agregando, restando, multiplicando y dividiendo una cantidad menor de frecuencias fijas. Dicho en modo sencillo, un sintetizador de frecuencias es un generador de frecuencia variable controlado por cristal. El objetivo de un sintetizador de frecuencias es doble.
Debe producir tantas frecuencias como sea posible con una cantidad mínima de fuentes, y cada frecuencia producida debe ser tan exacta y estable como las demás. El sintetizador ideal de frecuencias puede generar cientos y hasta miles de frecuencias distintas a partir de un oscilador de un cristal. Un sintetizador de frecuencias puede ser capaz de generar en forma simultánea más de una frecuencia de salida, y cada frecuencia estando sincronizada con un solo oscilador de frecuencia de referencia o maestra.
Hay en esencia dos métodos para sintetizar frecuencias: el directo y el indirecto. En la síntesis directa de frecuencias se generan varias frecuencias de salida mezclando las salidas de dos o más fuentes de frecuencia controladas por cristal, o dividiendo o multiplicando la frecuencia de salida de un solo oscilador de cristal. En la síntesis indirecta de frecuencias se usa un divisor/multiplicador controlado por retroalimentación (como por ejemplo, un PLL), para generar varias frecuencias de salida.
Sintetizadores directos de frecuencias
Sintetizador de frecuencias de cristal múltiple.
La fig. 2-38 muestra un diagrama de bloques de un sintetizador de frecuencias de cristal múltiple que usa mezclado no lineal (heterodinaje) y filtrado, para producir 128 frecuencias distintas con 20 cristales y dos módulos de oscilador. Para los valores indicados de los cristales se sintetiza un intervalo de frecuencias de 510 kHz a 1790 kHz, en incrementos de 10 kHz. Un sintetizador como éste se puede usar para generar las frecuencias de portadora para las 106 estaciones de emisión de AM (de 540 kHz a 1600 kHz). Para las posiciones del conmutador que se indican, están seleccionados los osciladores de 160 kHz y 700 kHz, y las salidas del mezclador balanceado son sus frecuencias de suma y de diferencia (700 kHz 160 kHz 540 kHz y 860 kHz). El filtro de salida se sintoniza a 540kHz, que es la frecuencia de la portadora para el canal 1. Para generar la frecuencia de portadora para el canal 106 se selecciona el cristal de 100 kHz con el cristal de 1700 kHz (diferencia) o el de 1500 kHz (suma). La separación mínima entre frecuencias de salida en un sintetizador se llama resolución. La resolución del sintetizador de la figura 2-38 es 10 kHz.
Sintetizador de frecuencia de un solo cristal.
La fig. 2-39 muestra un diagrama de bloques de un sintetizador de frecuencia de un cristal que de nuevo usa la suma, resta, multiplicación y división de frecuencias para generar frecuencias de 1 Hz a 999,999 Hz, en incrementos de 1 Hz. Un cristal de 100 kHz es la fuente del oscilador maestro, del que se derivan todas las frecuencias.
La frecuencia del oscilador maestro es una frecuencia base que se divide repetidamente entre 10, para generar cinco frecuencias subbase (10 kHz, 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz y 1 Hz). Cada frecuencia subbase se alimenta a un generador separado de armónicas (multiplicador de frecuencias), que consiste en un amplificador no lineal con un filtro sintonizable. El filtro se puede sintonizar con cada una de las primeras nueve armónicas de su frecuencia base. En consecuencia, las frecuencias de salida posibles del generador de armónicas 1 son 0 a 900 kHz en incrementos de 100 kHz; para el generador de armónicas 2, de 10 a 90 kHz en incrementos de 10 kHz, etcétera. La resolución del sintetizador se determina por las veces que se divide la frecuencia del oscilador maestro de cristal. Para el sintetizador de la fig. 2-39, la resolución es de 1 Hz. Los mezcladores que se usan son moduladores balanceados, con filtros de salida que se sintonizan a la suma de las dos frecuencias de entrada. Por ejemplo, las armónicas seleccionadas en la tabla 2-1 producen una frecuencia de salida de 246,313 Hz.
Sintetizadores indirectos de frecuencias
Sintetizadores de frecuencias con lazo de fase cerrada.
En años recientes, los sintetizadores de frecuencias con PLL se han vuelto rápidamente el método más popularizado para síntesis de frecuencias. La fig. 2-40 muestra un diagrama de bloques para un sintetizador PLL de frecuencias de lazo sencillo. La referencia estable de frecuencia es un oscilador controlado por cristal. El intervalo de frecuencias generadas, y la resolución, dependen de la red divisora y de la ganancia de lazo abierto. El divisor de frecuencias es un circuito de dividir entre n, donde n es cualquier número entero. La forma más simple de circuito divisor es un contador digital de subida y bajada con frecuencia de salida fc fo /n, donde fo es la frecuencia de salida del VCO.
Con este arreglo, una vez alcanzado el enganche, fc fref, y la frecuencia de salida del VCO y
el sintetizador es fo nfref. Así, el sintetizador es esencialmente un multiplicador de frecuencia
por n. El divisor de frecuencia reduce la ganancia de lazo abierto en un factor n. En consecuencia, los demás circuitos en torno al lazo deben tener ganancias relativamente altas. La ganancia de lazo abierto del sintonizador de frecuencias de la fig. 2-40 es
Se puede ver en esta ecuación que cuando cambia n, la ganancia de lazo abierto cambia
en proporción inversa. Una forma de remediar este problema es programar la ganancia del amplificador, así como la relación del divisor. Entonces, la ganancia de lazo abierto es
El intervalo de frecuencias con la frecuencia de referencia y el circuito divisor que se ven
en la fig. 2-40, es
Sintonizador de frecuencias preescalado.
La fig. 2-41 muestra el diagrama de bloques de un sintetizador de frecuencias que usa un lazo de fase cerrada y un preescalador, para obtener división fraccionaria. También es necesario el preescalado para generar frecuencias mayores que 100 MHz, porque no se dispone de contadores programables que funcionen con eficiencia a esas altas frecuencias. El sintetizador de la fig. 2-41 usa un preescalador módulo dos. Tiene dos modos de operación. Un modo proporciona una frecuencia de salida por cada pulso P de entrada, y el otro modo proporciona una salida por cada pulso P 1 de entrada. Cuando el registro m contiene un número distinto de cero, el preescalador cuenta en el modo P 1. En consecuencia, una vez que los registros m y n se cargan inicialmente, el preescalador contará (P 1)m veces hacia abajo, hasta que el contador m llegue a cero, el preescalador opera en el modo P y el contador n cuenta (nm) veces hacia abajo. En este momento los contadores m y n se restablecen en sus valores originales, que se guardaron en los registros m y n, respectivamente, y se repite el proceso. La ecuación de la frecuencia de salida del sintetizador, f o, es
