Introduzione
La continua evoluzione del settore delle telecomunicazioni ha accelerato ulteriormente lo sviluppo di sistemi ad alto livello d’integrazione (System-on-a-Chip) e con consumi di potenza ridotti. In questo ottica si pongono anche i Direct Digital Synthesizer (DDS) i quali sono attualmente la risposta più concreta ad un ampio numero di applicazioni, dove sia necessario avere un riferimento di frequenza stabile e variabile in modo digitale, unito a bassi consumi di potenza, ingombro, e soprattutto elevate velocità di commutazione da una frequenza sintetizzata all’altra. In particolare questa ultima caratteristica sta divenendo sempre più importante negli attuali sistemi di comunicazione, dove il dispositivo ricetrasmissivo deve essere in grado di variare la frequenza di trasmissione o ricezione in tempi notevolmente ridotti. Per comprendere meglio l’importanza di un circuito DDS, si intende riportare due applicazioni ritenute di notevole rilevanza nell’attuale sviluppo dei sistemi di telecomunicazioni. Una prima applicazione dei sistemi DDS riguarda le tecniche di modulazione a spettro espanso, dette FHSS (Frequency Hopping Spreaming Spectrum), nelle quali la frequenza della portante in trasmissione è variata continuamente in modo da generare uno spettro espanso; in ricezione solo l’utente che conosce la sequenza con la quale varia la frequenza portante in trasmissione riesce a ricostruire lo spettro trasmesso. In questo modo se sulla stessa banda di trasmissione abbiamo più utenti che trasmettono un segnale modulato FHSS, il singolo utente in ricezione vedrà un solo spettro ricostruito che è quello relativo alla comunicazione di interesse, e un numero prestabilito di spettri espansi che saranno relativi ad altre comunicazioni e saranno visti dal nostro utente come rumore. Tecniche di questo tipo permettono di far condividere uno stesso canale di trasmissione a più utenti in
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modo molto più flessibile, infatti la qualità del servizio peggiora al crescere del numero di utenti.
Una ulteriore applicazione di un sistema DDS potrebbe riguardare la telefonia cellulare. Consideriamo per semplicità lo standard GSM, in questo il territorio nazionale è suddiviso dalla singola compagnia che fornisce il servizio in cluster, ciascuno di questi prevede un certo intervallo di frequenze1 all’interno della banda messa a disposizione dallo standard. Quando l’utente instaura una trasmissione, a questa è associata una particolare frequenza relativa al cluster all’interno del quale esso si trova. Si può dimostrare che ad un aumento del numero di cluster e quindi a una diminuzione delle loro dimensioni, corrisponde un aumento del numero di utenti serviti. Il problema che tuttavia si presenterebbe è relativo al fatto che quando l’utente si sposta da un cluster al successivo la sua frequenza di trasmissione deve variare, questo si traduce in una degradazione della comunicazione; ovviamente tale degradazione è tanto più sentita quante più volte deve variare la frequenza, e quanto più grande è il tempo di variazione di questa. Con i sistemi di sintesi di frequenza attuali le dimensioni dei cluster non possono essere ridotte in quanto la degradazione sarebbe troppo elevata. Un sistema DDS permetterebbe di risolvere tale problema grazie a dei tempi di variazione della frequenza molto minori rispetto a normali sintetizzatori a PLL.
Ulteriori applicazioni dei DDS riguardano i Distributed Phase Array Radar (DPAR), i quali sono sistemi che consentono di determinare con accuratezza elevata il posizionamento di un determinato oggetto, sistemi numerici di trasmissione a modulazione di frequenza FSK, e dispositivi per TV digitale (DTV) nella quale e’ necessario sincronizzare il segnale audio con quello video. Unico problema dei DDS attuali risiede nella massima frequenza sintetizzabile che ne limita l’uso in applicazioni a frequenze dell’ordine delle centinaia di MHz, tuttavia come visibile in Tabella 1, la crescente frequenza di clock dei circuiti integrati consentita dalla riduzione delle dimensioni dei dispositivi permetterà il
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Cluster adiacenti presentano frequenze differenti per evitare possibili interferenze. Infatti se due utenti in cluster adiacenti comunicassero sulla stessa frequenza potrei avere una interferenza fra le due comunicazioni.
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loro uso anche in applicazioni a frequenze dell’ordine del GHz, bande alle quali appartengono gli standard della telefonia cellulare e gli attuali standard wireless.
Questa tesi tratta lo studio e la realizzazione di un sistema DDS con risoluzione temporale di 2ps, e frequenza massima sintetizzabile pari a 30 MHz. Una tale risoluzione è ottenibile grazie all’uso di un sistema di interpolazione a due livelli, il quale sfrutta linee di ritardo seriali e parallele.
Tabella 1 Evoluzione delle principali caratteristiche dei circuiti integrati tra il 1995 e il 2012.
Year of shipment Technology Generation (nm) Chip clock (MHz) Transistor Density per cm² 1995 350 300 2.5 M 1997 200 750 3.7 M 1999 140 1250 6.2 M 2001 120 1500 10 M 2003 100 2100 18 M 2006 70 3500 39 M 2009 50 6000 84 M 2012 35 10000 180 M
Lo scopo di questo lavoro è dimostrare il funzionamento del sistema di interpolazione a due livelli, la cui architettura è del tutto innovativa rispetto a quelle presenti in letteratura. Nella realizzazione del circuito integrato non ci siamo concentrati sull’ottenimento di elevate frequenze sintetizzabili o su bassi tempi di commutazione da una frequenza all’altra, bensì sull’ottimizzazione del circuito di interpolazione, in modo da dimostrarne la validità. La tecnologia utilizzata per la realizzazione del prototipo è la CMOS 0.35 um della AMS (Austria Micro System). Per la progettazione sono stati utilizzati i software Synopsys, per quanto concerne la descrizione e la sintesi degli elementi circuitali descritti in linguaggio VHDL, e Cadence per la realizzazione full-custom del circuito di interpolazione. In particolare, quest’ultimo ambiente di progettazione per circuiti integrati ci ha consentito di progettare direttamente il layout della parte full-custom e di effettuare simulazioni sulla netlist estratta dal layout stesso.
