（電磁場與微波技術(shù)專業(yè)論文）c波段頻率合成器的研究.pdf

摘要 摘要 頻率合成器是現(xiàn)代通訊系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵電路，是電子系統(tǒng)的主要信號 源。頻率合成器在數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、航空航天、遙控遙測以及 高速儀器儀表等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。世界各國都非常重視頻率合成器的研 究。寬工作頻帶、高頻率穩(wěn)定度、低相位噪聲、低雜散、小步進(jìn)和高速變頻是當(dāng) 代頻率合成器發(fā)展的主要趨勢。研究c 波段頻率合成器在衛(wèi)星通信，數(shù)字電視， 醫(yī)療器械等方面有極其重要的意義，正是在此基礎(chǔ)上，本課題將進(jìn)行c 波段低相 噪。低雜散，高穩(wěn)定度的頻率合成器的研究，為某收發(fā)前端提供本振源。 本文首先簡單介紹了頻率合成器的發(fā)展歷史、國內(nèi)外概況，接著對鎖相環(huán)頻 率合成技術(shù)的基本原理，相位噪聲以及傳統(tǒng)鎖相環(huán)組合方案進(jìn)行了分析，比較其 優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用雙鎖相環(huán)環(huán)外混頻的方案來實(shí)現(xiàn)此c 波段頻率合成器，最后詳 細(xì)介紹了本課題的分析方法，工作原理，調(diào)試過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。 本課題來源于某工程項(xiàng)目，要求為其收發(fā)模塊提供兩級本振信號，分別是頻 率點(diǎn)為1 1 1 2 5 m h z 的第一本振和頻率范圍為4 7 5 5 g h z 的第二本振。根據(jù)系統(tǒng)指 標(biāo)要求，第一本振采用鎖相環(huán)合成技術(shù)直接輸出所需頻率，第二本振則采用雙鎖 相環(huán)環(huán)外混頻的方案，通過合理選擇兩環(huán)的頻率，使得在保證低雜散指標(biāo)的同時(shí) 改善了相位噪聲水平。本文重點(diǎn)介紹了兩級本振的具體分析過程，包括各級電路 指標(biāo)核算、器件選擇、電磁兼容性分析以及在后期電路實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題和 解決辦法。最后通過實(shí)驗(yàn)測試得到兩級本振的相位噪聲、雜散等曲線。由測試結(jié) 果可知，所研究的兩級本振源均滿足系統(tǒng)指標(biāo)。第二級本振在4 7 5 5 g h z 的 8 0 0 m h z 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0 5 m h z 的步進(jìn)，雜散抑制優(yōu)于6 5 d b e ，在偏離中心載波 10 k h z 處相位噪聲優(yōu)于8 6 d b c h z 。 關(guān)鍵詞：c 波段，p l l ，相位噪聲，頻率合成器，混頻， a b s t r a c t a b s t r a c t f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri st h ek e y c i r c u i to fm o d e mc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，i st h e m a i ns o u r c eo fe l e c t r o n i cs y s t e m s f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sa r ew i d e l yu s e di nd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，r a d a r , n a v i g a t i o n ，a n do t h e rf i e l d s c o u n t r i e s a r o u n dt h ew o r l da t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et os t u d yt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , w i d e f r e q u e n c yb a n d ，h i g hf r e q u e n c ys t a b i l i t y , l o wp h a s en o i s e ，l o ws p u r i o u s ，s m a l ls t e pa n d f a s t f r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r i st h em a i nt r e n d so f c o n t e m p o r a r yd e v e l o p m e n t s t u d y i n g c - b a n d f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r h a s g r e a t s i g n i f i c a n c ei n t h ea r e ao fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，d i g i t a lt e l e v i s i o n s ，m e d i c a l e q u i p m e n t sa n ds oo n b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i ss u b j e c ti s t od e s i g nac - b a n d f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw h i c hh a sl o wp h a s en o i s e ，l o ws p u r i o u sa n dh i g h 。s t a b i l i t y a n d t h i ss y n t h e s i z e ri st op r o v i d el o c a lo s c i l l a t o r sf o raf r o n t - e n dt r a n s c e i v e r a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , r e c e n t d e v e l o p m e n ta r o u n dt h ew o r l d ，a n dt h e na n a l y z e st h ep r i n c i p l e so fp h a s e - l o c k e dl o o p ， p h a s en o i s ea n dc o m b i n a t i o n so f t r a d i t i o n a lp l l a f t e rc o m p a r e dt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，d e c i d e dt ou s ed o u b l ep h a s el o c k e dl o o pm i x i n gt e c h n o l o g yt oa c h i e v e t h i sc - b a n ds y n t h e s i z e r f i n a l l y , d e s c r i b e st h ed e s i g nm e t h o d s ，w o r k i n gp r i n c i p l e s ， d e b u g g i n gp r o c e s s e sa n d t e s tr e s u l t so ft h i ss u b j e c t t h i st o p i cc o m e sf r o ma ne n g i n e e r i n gp r o j e c t i tr e q u i r e st w ol o c a lo s c i l l a t o r sf o r i t st r a n s c e i v e r t h ef i r s to n es h o u l dp r o v i d eaf r e q u e n c yp o i n to f1 1 12 5 m h z ，t h es e c o n d s h o u l dp r o v i d ef r e q u e n c y r a n g eo f4 7 5 5 g h z a c c o r d i n gt os y s t e m st a r g e t ，t h ef i r s t l o c a lo s c i l l a t o ru s e ss i n g l ep l lt oo u t p u tt h ef r e q u e n c y1112 5 m h zd i r e c t l y t h es e c o n d o n eu s e sd o u b l el o o p m i x i n gt e c h n o l o g y , t h r o u g hf r e q u e n c i e sc h o o s i n g ，m a k i n gs u r e t h a tt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rn o to n l yc a ne n s u r el o ws p u r i o u sb u ta l s oi m p r o v et h e p h a s en o i s el e v e l t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g np r o c e s so ft w ol o c a lo s c i l l a t o r s ， i n c l u d i n gd e v i c es e l e c t i o n , d e s i g no fe m ca n dp r o b l e m sa n ds o l u t i o n so fd e b u g g i n g p r o c e s s t h ef i n a lt e s ts h o w s t h ep h a s en o i s ep e r f o r m a n c e ，c u r v e so fs p u r i o u s f r o mt h e t e s tr e s u l t sw ec a ns e e ，t h et w ol o c a lo s c i l l a t o r sm e e tt h es y s t e mt a r g e t s t h es e c o n dl o w i t h4 7 5 5 g h zf r e q u e n c yo u t p u th a s0 5 m h zs t e ps p a c i n g ，s p u r i o u ss u p p r e s s i o n i i a b s t r a c t b e t t e rt h a n6 5 d b c ，a t10 k h zp h a s en o i s ei sb e t t e rt h a n - 8 6 d b c h z k e y w o r d s ：c b a n d ，p l l ，p h a s en o i s e ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，m i x e r i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 論文使用授權(quán) 馴d 年石矽日 本學(xué)位論文作者完全了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可以將學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：籃宦紐 導(dǎo)師簽名：盔瓠逝 日期：7 , i d 年6 月多日 第一章引言 1 1 頻率合成技術(shù)概述 第一章引言 頻率合成器也被稱作頻率綜合器，簡稱頻綜。它是將一個(gè)具有低相噪、高精 度和高穩(wěn)定度的參考頻率源經(jīng)過倍頻、混頻以及分頻等處理后得到大量具有與參 考源同樣精度和穩(wěn)定度信號的頻率源。頻率合成技術(shù)開始于二十世紀(jì)三十年代， 至今已有將近八十年的歷史。頻率合成器是現(xiàn)代通訊設(shè)備必不可少的關(guān)鍵電路， 是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。世界各國都十分重視頻率合成器的研究，當(dāng)今 的頻率合成器正朝著低相位噪聲、低雜散、高穩(wěn)定度、高捷變速度、小步進(jìn)和高 輸出頻率的方向發(fā)展【l 】。 1 2 頻率合成技術(shù)的分類及特點(diǎn) 頻率合成技術(shù)發(fā)展至今經(jīng)歷了直接頻率合成，鎖相環(huán)頻率合成，直接數(shù)字頻 率合成，混合頻率合成等幾個(gè)階段【2 】【3 】= ( 1 ) 直接頻率合成( d s ) 本方法是最早的頻率合成方法，它是用一個(gè)或者多個(gè)晶體參考源來組合成某 個(gè)特定的頻率，常常需要通過大量的倍頻器、混頻器、分頻器、濾波器以及諧波 發(fā)生器等來實(shí)現(xiàn)。它主要的優(yōu)點(diǎn)有：1 ) 頻率轉(zhuǎn)換速度快；2 ) 頻率分辨率高；3 ) 相位噪聲低；4 ) 穩(wěn)定度高；5 ) 工作頻率高，與此同時(shí)它也具有以下不可避免的 缺點(diǎn)：1 ) 寄生參量多；2 ) 體積龐大；3 ) 成本高；4 ) 功耗高；5 ) 調(diào)試難度大 等，而正是因?yàn)檫@些缺點(diǎn)，目前直接頻率合成技術(shù)已經(jīng)很少單獨(dú)使用了。 ( 2 ) 鎖相環(huán)頻率合成( p l l ) 2 0 世紀(jì)6 0 年代末7 0 年代初出現(xiàn)了鎖相環(huán)式( p l l - - p h a s e 1 0 c k e dl o o p ) 頻率 合成技術(shù)，它被稱作第二代頻率合成技術(shù)。主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振 蕩器和分頻器等部分組成，運(yùn)用相位反饋理論和鎖相技術(shù)，使得壓控振蕩器的輸 出與參考頻率在某種比例關(guān)系上保持高度一致，從而得到與參考頻率有同樣穩(wěn)定 度的頻率輸出。本方法主要的優(yōu)點(diǎn)有：1 ) 良好的雜散抑制性能；2 ) 電路結(jié)構(gòu)簡 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 單；3 ) 頻率穩(wěn)定度好；4 ) 輸出頻率易于控制；5 ) 成本較低，同樣它的主要缺 點(diǎn)是：1 ) 頻率切換時(shí)間較長不易實(shí)現(xiàn)快速變頻；2 ) 細(xì)的步進(jìn)和低的相位噪聲是 一對矛盾，即是在同樣的輸出頻率下，若需要小步進(jìn)的輸出，則需要小的鑒相頻 率，這樣勢必會(huì)增大鎖相壞預(yù)分頻器的分頻比數(shù)目，結(jié)果使輸出頻率的相位噪聲 較為嚴(yán)重的惡化。所以鎖相環(huán)難于實(shí)現(xiàn)高分辨率的頻率輸出。異于直接頻率合成 技術(shù)的是，鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)是以分析鎖相環(huán)路的信號跟蹤、捕獲性能、環(huán)路 穩(wěn)定性以及相位噪聲指標(biāo)為重點(diǎn)，而不是放在雜散抑制上。 ( 3 ) 直接數(shù)字頻率合成( d d s ) 現(xiàn)代通信領(lǐng)域，特別是在跳擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，往往要求頻綜輸出帶寬大，頻 率捷變快( n s 級) ，頻率分辨率高( g h z 級) ，這使得鎖相環(huán)頻率合成無法滿足實(shí)際 需要。正是在這種情況下，出現(xiàn)了一種革命性的頻率合成技術(shù)，2 0 世紀(jì)7 0 年代， 美國學(xué)者j t i e m e y 等人提出了利用數(shù)字電路技術(shù)得到信號的離散數(shù)字序列，接著 經(jīng)過數(shù)模變換器轉(zhuǎn)換成模擬信號的方法。這便是直接數(shù)字頻率合成( d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ) 技術(shù)。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：1 ) 頻率分辨率極高( 1 t h z 級) ；2 ) 頻率切換速度極t 夾( n s 級) ；3 ) 輸出相位連續(xù)；4 ) 相位噪聲低；5 ) 期間 體積小和功耗低等。但是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的不足之處同樣鮮明：1 ) 因受 到d d s 的工作時(shí)鐘頻率限制，使得輸出帶寬窄；2 ) 輸出雜散較多；3 ) 直接輸 出頻率低。隨著i c 電路技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在d d s 的輸出頻率愈來愈高，但是如何 抑制其雜散仍是需要解決的問題。 ( 4 ) 混合頻率合成 顧名思義即是混合使用上述三種方法，充分利用上述各個(gè)方法各自本身固有 的優(yōu)點(diǎn)，避開其缺點(diǎn)以達(dá)到實(shí)際工作中對頻率源各項(xiàng)指標(biāo)的要求。 以上簡單介紹了各種頻率合成技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出單獨(dú)使用某一種頻率 合成技術(shù)的方法已經(jīng)無法滿足日益增長的現(xiàn)代通信系統(tǒng)對頻率源的需要，當(dāng)今國 內(nèi)外更多的是靈活的混合使用上述幾種方法來滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。 1 3 國內(nèi)外c 波段頻率合成器發(fā)展動(dòng)向 在c 波段頻率合成器的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者都做了大量的工作。 a ) 國內(nèi)動(dòng)態(tài)： 國內(nèi)在c 波段的頻率合成技術(shù)已基本成熟，能設(shè)計(jì)出比較優(yōu)良的c 波段頻率 2 第一章引言 合成器。 2 0 0 7 年，中電集團(tuán)第3 6 研究所的郭奇設(shè)計(jì)了一種c 波段頻率合成器。其原理 圖如圖1 1 所示【6 1 。 出 圖1 - 1c 波段頻率合成器原理框圖 該文在分析常規(guī)數(shù)字鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，利用了數(shù)字鎖相混頻環(huán)電路實(shí)現(xiàn)了c 波段快速低相噪寬帶頻率合成器的設(shè)計(jì)。最終該電路在6 6 6 g h z 的頻率范圍內(nèi)， 實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)3 m h z ，換頻時(shí)間小于1 0 0us ，相位噪聲達(dá)到了8 0 d b e h z 1 0 k h z ， 雜波抑制大于6 0 d b c 。 2 0 0 8 年雷梁，鄭萍，徐濤等在d d s + p l l 技術(shù)在c 波段頻率合成器中的 應(yīng)用一文中：提出了一種具體的c 波段小步進(jìn)頻率合成器的設(shè)計(jì)方案。該方案 是基于鎖相環(huán)頻率合成( p l l ) 和直接數(shù)字頻率合成( d d s ) 相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。其原理 圖如圖1 2 所示【7 】。 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 圖1 2d d s + p l lc 波段頻率合成器原理框圖 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 在5 0 2 - 一5 3 8g h z 的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了頻率步進(jìn)為1k h z ，中心頻率在 5 2g h z 時(shí)，相位噪聲分別為：- 7 1 2 9d b c h z 1 0h z ；一8 5 8 1d b c h z 2 0h z ；- 9 2 3 4d b c h z 1k h z 。 b ) 國外動(dòng)態(tài) 國外c 波段頻率合成技術(shù)已相當(dāng)成熟，能設(shè)計(jì)出性能非常優(yōu)良的c 波段頻率 合成器，并逐步向頻綜小型化的方向發(fā)展。 1 9 9 2 年a k i h i r ok a j i w a r a 和m a s a on a k a g a w a 提出了一種新型的鎖相環(huán)結(jié) 構(gòu)，其原理框圖如圖1 3 所示 8 1 。 圖1 - 3 鎖相環(huán)原理框圖 該鎖相環(huán)在頻率切換時(shí)間方面有了很大的提高，相比于普通的鎖相環(huán)切換時(shí) 間提高了1 0 0 1 0 0 0 倍，并且有不錯(cuò)的輸出雜散，優(yōu)于6 0 d b e 。 19 9 7 年i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr & dc e n t e r 的k e n i c h it a j i m a ，y o s h i h i k o i m a i ，y o u s u k ek a n a g a w a 和k e n ：i ii t o h 等人研制了一個(gè)5 10 g h z 的低雜散 頻率合成器。其原理圖圖1 4 所示【9 1 。 圖l 一45 1 0 g h z 低雜散頻率合成器原理圖 4 第一章引言 該合成器采用了d d s 激勵(lì)p l l 的方式，其主要特色是采用調(diào)整p l l 的分頻 比n ，d d s 的頻率控制字k 和d d s 輸出分頻比r 的方法選擇雜散較小的點(diǎn)落入 環(huán)路帶寬內(nèi)，從而在5 1 0 g h z 的帶寬內(nèi)獲得了6 2 5 k h z 的跳頻步進(jìn)，4 6 d b c 的雜 散抑制度，一1 0 5 d b c h z 1 m h z 的相位噪聲。 2 0 0 3 年g e u m y o u n gt a k ，s e o k b o n gh y u n ，t a ey o u n gk a n g ，b y o u n gg u nc h o i ， 和s e o n gs up a r k 等人設(shè)計(jì)了6 3 3 8 9 7 6 g h z 基于鎖相的頻率合成器。其原理框 圖如圖1 5 所示【l o 】。 a 2 a ia 0 5 2 8 m l - l z r e f e r e n e e c l o c k 10 u t q o u t 圖1 56 3 3 8 9 7 6 g h z 基于鎖相的頻率合成器原理圖 為了獲得較短的跳頻時(shí)間，采用了高達(dá)5 2 8 m h z 的鑒相頻率和較寬的環(huán)路帶寬 的有源濾波。設(shè)計(jì)采用0 1 8l am 的c o m s 技術(shù)在0 7 1 1 m m 2 芯片面積上，實(shí)現(xiàn)了 6 3 3 6 8 9 7 6 g h z 內(nèi)，5 2 8 m h z 跳頻步進(jìn)，跳頻時(shí)間15 0 n s 的頻率合成器。相位噪聲 達(dá)到9 7 d b c h z 1 0 k h z ，1 0 9 6 d b c h z 1 m h z ，雜散 5 2 d b c 。 2 0 0 4 年g e r r yc t l e u n ga n dh o w a r dc l u o n g 設(shè)計(jì)了一種5 2 g h z 的c m o s 頻率合成器，其原理圖如圖1 - 6 所示【l 。 5 電子科技人學(xué)頸十拳何論文 一 蚓1 652 g h z 的c m o s 頻宰合成器原理剛 該合成器設(shè)計(jì)基于01 8um c m o s i 藝外部供電僅為1 v ，相位噪聲達(dá)到了 一1 3 6 d b e h z 2 0 m h z - 雜散達(dá)到了8 0 d b c l l m h z - 值得注意的是該合成器僅僅 只有10 3 m m * l0 3 m m 的大小。 14 本論文所做工作 本課題源于某工程項(xiàng)目，需要為收發(fā)前端提供兩級穩(wěn)定的本振源。頻率分別 為1 1 1 25 m h z 的單頻點(diǎn)和具有8 0 0 m h z 帶寬，05 m h z 步避的4 5 g h z 輸出頻帶。 第一級本振采用單鎖相環(huán)路完成，第二本振采用雙鎖相環(huán)環(huán)外混頻方案，高環(huán)輸 出單頻點(diǎn)，低環(huán)輸出8 0 0 m h z 頻帶，步進(jìn)為05 m h z 的頻譜，將兩環(huán)的輸出進(jìn)行下 變頻，經(jīng)過濾波，放犬后輸出滿足指標(biāo)要求的頻譜。 該方案的創(chuàng)新點(diǎn)主要在于采用環(huán)外混頻技術(shù)，提高相位噪聲指標(biāo)，通過合理選 擇混頻頻率使得后級的濾波電路相對容易，兩鎖相環(huán)薦自獨(dú)立。整體電路分腔 設(shè)計(jì)，極大程度上降低了調(diào)試難度。同時(shí)也能保證系統(tǒng)的指標(biāo)要求。 設(shè)計(jì)工作主要包括以下幾點(diǎn)： i ) 晶振外圍電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試 2 ) 第一本振鎖相坪電路設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試 第一章引言 3 ) 第一本振后級放大電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試 4 ) 第二本振高環(huán)電路設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試 5 ) s i r 帶通濾波器的設(shè)計(jì) 6 ) 第二本振低環(huán)電路設(shè)計(jì)、搭建和調(diào)試 7 ) 第二本振后級混頻電路、放大鏈路的設(shè)計(jì)和調(diào)試 最后是第二本振的聯(lián)調(diào)，給出測試曲線，并對第一本振和第二本振的相位噪 聲、雜散結(jié)果等進(jìn)行分析，總結(jié)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，反思存在的問題，為以后的工作提出 了需要解決的問題。 7 電子科技火學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 2 0 世紀(jì)6 0 年代末7 0 年代初出現(xiàn)的鎖相環(huán)式( p l l - - p h a s e 1 0 c k e dl o o p ) 頻率 合成技術(shù)是將晶體振蕩器產(chǎn)生的高穩(wěn)定度，高精確度的基準(zhǔn)頻率，利用鎖相環(huán)路 的同步機(jī)理，綜合出大量的離散頻率的一種頻率合成技術(shù)，是一種頻率穩(wěn)定度較 高的離散間隔型頻率信號發(fā)生器。本章主要介紹了鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)的基本理 論。 2 1 鎖相環(huán)原理 鎖相環(huán)是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)。這個(gè)相位自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下三個(gè)基 本部件組成：鑒相器( p d ) 、環(huán)路濾波器( l f ) 和壓控振蕩器( v c o ) 。它的基 本工作原理是：將v c o ( 壓控振蕩器) 的輸出頻率與參考時(shí)鐘信號同時(shí)輸入p d ( 鑒 相器) ，p d ( 鑒相器) 通過比較上述兩個(gè)信號的相位差，然后輸出一個(gè)對應(yīng)于這 個(gè)相位差的直流電壓信號到凹( 環(huán)路濾波器) ，腰( 環(huán)路濾波器) 濾除直流電壓的 高頻分量后輸出一個(gè)較純凈的控制電壓，進(jìn)而控制v c o ( 壓控振蕩器) 的輸出頻 率，最終使得v c o 輸出頻率與參考時(shí)鐘信號頻率相等，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時(shí)， 兩信號頻差為零，相位差不再變化，為一個(gè)固定值。鑒相器輸出的直流電壓恒定， 因此保證了較高的頻率穩(wěn)定度0 2 】。 圖2 - 1 鎖相環(huán)路基本構(gòu)成 第二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 2 1 1 鑒相器( p d ) 鑒相器又被稱做比相器，是一個(gè)相位比較裝置，它是鎖相環(huán)路的關(guān)鍵部件。 它能通過比較輸入信號的相位包( f ) 與壓控振蕩器輸出信號的相位眈( ) 之間的相位 差包( f ) 來產(chǎn)生一個(gè)誤差信號( f ) ，而這個(gè)誤差信號( f ) 是相位差包( f ) 的函數(shù)，可 以表示成： ( f ) = 以見( ) 】 ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中廠 見( ) 】表示某種鑒相器特性，可以是正弦波、三角形或者鋸齒形 等，如采用正弦波鑒相器，它可以用模擬乘法器和低通濾波器的串接來表示，如 圖2 2 所示。 。1 yt r、”p v _ i 。l 一 7 i 幺( f ) 圖2 _ 2 正弦波鑒相器模型 設(shè)輸入信號為： 哆( f ) = us i n c o o t + 8 l ( t ) 壓控振蕩器輸出信號為： “。( f ) = c o s c o o t + 8 2 ( t ) 輸入信號與壓控振蕩器輸出信號相乘后為 k m u f ( f ) 掰。( f ) = k u l s i n c o o t + 8 l ( t ) c o s c o o t + 8 2 ( 0 】 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ：要e u s i n 2 c o o t + o l ( f ) + 包( f ) 】 ( 2 4 ) 1 + - 毒k , u , u 2s i n 0 1 ( t ) o a t ) 式中：疋為相乘器的相乘系數(shù)，量綱為l l v 經(jīng)乘法器相乘后，其輸出通過低通濾波器，高頻分量2 被濾除，則鑒相器輸 出的誤差電壓為： 1 u d ( f ) = 去k u s i n 8 。( t ) 一o a t ) 】 ( 2 5 ) 9 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 令 ( f ) = 三1k 。u 為鑒相器輸出電壓的最大值，則 u a ( f ) = ( f ) s i n b ( f ) 一幺( 明= ( t ) s i n 0 ( t ) 】 ( 2 6 ) 由式( 2 6 ) 我們不難看出鑒相器將兩信號的相位差包( f ) = 8 ，( t ) - 0 2 ( t ) 轉(zhuǎn)化為一 個(gè)誤差函數(shù)u d ( r ) 輸出，這時(shí)，鑒相器的特性呈現(xiàn)出j 下弦波特性，式( 2 6 ) 中( f ) 隨見( f ) 呈正弦周期性變化，所以這種鑒相器被稱為正弦波鑒相裂1 3 1 。 2 1 2 環(huán)路濾波器( l f ) 環(huán)路濾波器( l f ) 是一個(gè)低通濾波器( l p f ) ，它的作用是濾除鑒相器輸出的 誤差信號u a ( t ) 中的高頻分量，從而得到一個(gè)可以控制壓控振蕩器輸出頻率的控制 電壓u ，( f ) 。環(huán)路濾波器對環(huán)路參數(shù)的調(diào)整起著決定性的作用。它是一個(gè)線性電路， 一般由線性元件電阻、電感和電容組成，有時(shí)也包括運(yùn)算放大器在內(nèi)。常用的環(huán) 路濾波器有三種形式，分別是：r c 積分濾波器、無源比例濾波器和有源比例積分 濾波器。一般用傳輸算子或傳遞函數(shù)來進(jìn)行分析，其模型如圖2 3 所示【l 4 1 。 d l ，f ， 、 lf ( s ) l， ( s ) - - - - 圖2 - 3 環(huán)路濾波器數(shù)學(xué)模型 若環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)是，( s ) ，那么其輸出u c ( s ) 可以表示成： z f 。( s ) = ，( s ) u d ( s ) ( 2 7 ) 下面分別簡要分析三種常用的環(huán)路濾波器的形式【1 5 1 。 1 ) r c 積分濾波器 電路構(gòu)成如圖2 4 ( a ) 所示，這是最簡單的低通濾波器，它的傳遞函數(shù)為： 耶，= 志 ( 2 8 ) 式中= r c 是時(shí)間常數(shù)，也是這種濾波器唯一可調(diào)的參數(shù)。當(dāng)頻率很高時(shí)，幅度 1 0 第二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 趨近于零，相位滯后趨近于萬2 ，不利于擴(kuò)大環(huán)路的捕捉范圍。 2 ) 無源比例積分濾波器 電路構(gòu)成如圖2 4 ( b ) 所示，這種濾波器比r c 積分濾波器多出了一個(gè)與電容 串聯(lián)的電阻，可調(diào)參數(shù)也就相應(yīng)的增加了一個(gè)。它的傳遞函數(shù)可以表示為： ，( s ) ：- 1 + s r 2 ( 2 9 ) 式中1 = ( r z + 恐) c ；吃= r 2 c ，這兩個(gè)參數(shù)獨(dú)立可調(diào)。令s = j c z ，則頻率響應(yīng)為 f ( j y 2 ) = 1 + j q r 2 1 + q ，當(dāng)頻率很高時(shí)，f ( q ) q _ 。= 足r , + 塢等于電阻的分 壓比，而且由于相位因子1 + ，q 矗的存在，從相頻特性上看，這種濾波器有相位超 前校正的作用，這對改善環(huán)路的穩(wěn)定性是有利的。 3 ) 有源比例積分濾波器 電路構(gòu)成如圖2 4 ( c ) 所示，這種濾波器包含了運(yùn)算放大器，其傳遞函數(shù)可 以表示為： ，( s ) ：一彳警 ( 2 1 0 ) l + s t 上式中氣= ( 置+ 彳墨+ r ) c ；吃= r 2 c ，a 表示運(yùn)算放大器無反饋電壓增益，當(dāng)a 很大時(shí)，式( 2 1 0 ) 近似為，( s ) = 弋1 + s ) ，其中一= 墨c ；吃= 足c ，此時(shí)傳 遞函數(shù)分母中只有一個(gè)s 是積分因子，因此被稱作理想積分濾波器。它同時(shí)具有低 通、比例和相位滯后超前校正的特性。 ( a ) 2 1 3 壓控振蕩器( v c o ) “j ( b )( c ) 圖2 _ 4 環(huán)路濾波器電路結(jié)構(gòu) v c o 是頻率產(chǎn)生源的關(guān)鍵部件。在許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，v c o 是可調(diào)信號源， 電子科技人學(xué)碩士學(xué)位論文 用以實(shí)現(xiàn)鎖相壞( p l l ) 和其它頻率合成源電路的快速頻率調(diào)諧。壓控振蕩器在鎖 相環(huán)路中作為被控振蕩器，是一個(gè)電壓一頻率轉(zhuǎn)換裝置。在環(huán)路濾波器輸出的控 制電壓“( f ) 的作用下，壓控振蕩器的振蕩電路中變?nèi)荻O管的結(jié)電容發(fā)生變化， 從而改變壓控振蕩器的輸出頻率。其在鎖相壞路中起著電壓一相位變化的作用。 在一定的范圍內(nèi)，壓控振蕩器的振蕩頻率與控制電壓虬( f ) 之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，即 彩( f ) = + k 。u 。( f ) ( 2 - 1 1 ) 其中，緲( f ) 是壓控振蕩器的瞬時(shí)角頻率；為壓控振蕩器的中心頻率；疋是控制 靈敏度也稱增益系數(shù)，其單位為r a d s v 。 j。缸 f 。 ， 0 心 圖2 - 5 壓控振蕩器的控制特性 如圖2 5 所示，圖中的實(shí)線表示實(shí)際壓控振蕩器的控制特性，虛線為線性控制特性， 圖中在振蕩器中心頻率附近區(qū)域內(nèi)，實(shí)線和虛線是完全吻合的，而超出這個(gè)范 圍后，由于控制靈敏度的下降，兩者不再吻合。 在鎖相環(huán)路中，壓控振蕩器的輸出反饋到鑒相器上時(shí)，對誤差電壓u ( t ) 起作 用的是相位變化，由式( 2 1 1 ) 可以求出瞬時(shí)相位 即 改寫成算子形式為 f 緲p 矽f = f + kf o 矽f ( 2 - 1 2 ) 由此可以建立壓控振蕩器的數(shù)學(xué)模型，如圖2 - 6 所示 1 2 ( 2 _ 1 3 ) ( 2 1 4 ) 第二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 彩c ( ) 嘭竺 圖2 6 壓控振蕩器數(shù)學(xué)模型 由圖2 - 6 可知，相位和角頻率之間的積分形成了壓控振蕩器的積分因子1 p 。由此 可見，壓控振蕩器在環(huán)路中起理想積分作用，因此通常稱壓控振蕩器是鎖相環(huán)路 的固有積分環(huán)節(jié)。這個(gè)積分作用在鎖相環(huán)路中的作用非常重要。 壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出誤差電壓“，( f ) 的控制，使振蕩頻率向輸入信號 的頻率，( r ) 靠攏，一直到這兩個(gè)頻率相同，這時(shí)壓控振蕩器的輸出信號頻率f o ( f ) 的 相位和輸入信號頻率f ( f ) 的相位保持某種特定關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)相位鎖定的功能。 壓控振蕩器應(yīng)是一個(gè)具有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器，對其的要求則是：控 制靈敏度e 要高；線性區(qū)域要寬；頻率穩(wěn)定度要好( 包括長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定 度) ；控制特性的線性度要好等等【l6 1 。 2 1 4 鎖相環(huán)路相位噪聲分析 組成鎖相環(huán)路的各部分會(huì)對環(huán)路噪聲性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)格準(zhǔn)確的分析它們對 輸出噪聲的共同影響十分困難。通常為了簡化分析，在鎖定狀態(tài)和小信號情況下， 可將鎖相環(huán)路視為線性系統(tǒng)，運(yùn)用疊加原理研究每個(gè)噪聲源對鎖相環(huán)路的影響。鎖 相環(huán)路的噪聲模型如圖2 7 所示1 7 1 。 a o ，( s ) 叫 1 t ，幾p 尸、= 廠 一， 、 、一7 耐( s ) 圖2 - 7 鎖相環(huán)噪聲模型 電子科技人學(xué)碩+ 學(xué)位論文 注：，( s ) 為參考信號輸入增加的相位噪聲；圪戶d ( s ) 為鑒相器引入的噪聲電 壓；k ，( s ) 為v c o 引入的噪聲電壓；。0 ) 為等效于v c o 增加的相位噪聲；d ( s ) 為壞路輸出增加的相位噪聲。 1 ) 壓控振蕩器( v c o ) 的相位噪聲 根據(jù)環(huán)路，分析可得出： a c o ( s ) ：j 一( 2 - 1 5 ) ，。0 )1 + g 0 0 ) 式中，o ) 為環(huán)路的丌環(huán)增益。 g d p ( s ) = 局巧k ( s ) 三萬1 = 笪n ( 2 - 1 6 ) = 巧巧吒( s ) ( 2 - 1 7 ) 顯然，v c o 的相位噪聲可以通過提高環(huán)路增益來抑制，使環(huán)路帶寬和開環(huán)增益 最大刪。 2 ) 鑒相器( p d ) 和除n 分頻器的噪聲 由于，( s ) 和耐( j ) 都是p d 的輸入相位噪聲，所以它們與輸出中d ( s ) 2 _ l v , 具有相同的傳遞函數(shù)，即 6 0 0 ( s ) ：塵l 一 ( 2 18 ) o ，( 5 ) i + 1 g o p ( s ) 】 h e r o ( s ) ： 盟 腳0 )1 + 1 3 d p 0 ) 】 ( 2 1 9 ) 由此可見，要求環(huán)路帶寬最大，只有在p d 的噪聲或除n 分頻器的噪聲不超過v c o 噪聲的前提下才有意義。另外，信號的寄生信號和環(huán)路的穩(wěn)定性也與環(huán)路帶寬的 選擇密切相關(guān)n 鍆。 3 ) 鑒相器( p d ) 的噪聲電壓 由于鑒相器增益巧的作用，跟在其后的噪聲電壓( s ) 會(huì)降低到1 殤( 等于 把噪聲電壓折合到鑒相器的輸入端) ，所以有如下傳遞函數(shù)： 型：一1 型 ( 2 2 0 ) k 肋( 5 ) 巧1 + 1 g 0 ( s ) 】 1 4 第二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 費(fèi)便它們在輸出端的影響最小，還應(yīng)盡量便k d 最大。當(dāng)然這種要求與1 g o p ( s ) 要 大是矛盾的掣。 4 ) 壓控振蕩器( v c o ) 的噪聲電壓 噪聲電壓圪，( s ) 在v c o 的輸入端，巧為v c o 的壓控靈敏度。如果給定帶寬，在 v c o 的輸出端，顯然圪，( s ) 正比于巧，其傳遞函數(shù)為乜： a o o ( s ) ：k v l ( 2 2 1 ) 在分析了各主要噪聲的影響之后，環(huán)路的總輸出噪聲可根據(jù)線形疊加原理得到， 即按功率譜密度線性疊加。最后方程為式( 2 2 2 ) ： 峨( ) = n 而， 、z f ，( ) + 2 ( ) 】+ 再1 - 鬲 ( ) ( 2 2 2 ) 【1 + 1 g d p ( _ ，) 】j 一” + 1 麗j 黼刪一叫 綜上可知，鎖相環(huán)路輸出噪聲特性在環(huán)路帶寬以內(nèi)的為低通型相位噪聲，主要 是由參考信號、分頻器和鑒相器等引入的相位噪聲( p l l 環(huán)路對鑒相器的泄漏呈 “低通”特性) ；在環(huán)路帶寬以外的高通型的相位噪聲主要是由v c o 決定的( p l l 環(huán)路對v c o 的相位噪聲而言是一個(gè)“高通”濾波器) ，從過濾v c o 的相位噪聲來講， 環(huán)路帶寬應(yīng)該選擇越寬越好，而從減小參考信號、分頻器和鑒相器的噪聲影響來 講，環(huán)路帶寬越窄越好。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要兩方面折中考慮，以選擇出最 佳的環(huán)路帶寬。 1 5 電子科技人學(xué)碩十學(xué)位論文 2 1 5 鎖相環(huán)路的相位噪聲估算 通常相位噪聲指的是頻率的短期穩(wěn)定度。由于它的存在，會(huì)引起載波頻譜的 擴(kuò)展。而其偏離載波頻譜中心點(diǎn)的范圍直接影響著頻率合成器性能的好壞，因此 在方案選擇之前，需要對所選頻率合成方案進(jìn)行相位噪聲的估算，以此來確定方 案的初步可行性。 在鎖相環(huán)路中，環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲主要由參考信號、分頻器和鑒相器共 同決定，而在環(huán)路帶寬之外的相位噪聲則是主要由壓控振蕩器的相位噪聲決定。 若對參考信號進(jìn)行r 分頻，理論上相位噪聲將會(huì)有2 0 1 9 l r 的改善，但是由于實(shí)際 上參考信號如晶體振蕩器的相位噪聲一般都很好，它引入的相位噪聲往往被其他 器件所覆蓋，因此2 0 1 9 l r 的改善可以忽略不計(jì)。環(huán)路中的除n 分頻對參考信號 來說，它實(shí)際上變成了倍頻，所以噪聲惡化了將近2 0 1 9 n 。而跟鑒相器的相位噪聲 密切相關(guān)的則是輸出頻率、鑒相頻率和鑒相器的噪聲基底。鑒相器的鑒相噪聲p n 與鑒相頻率f p f d ，以及鑒相器典型的相噪基底p n t o t 的關(guān)系式如下口2 1 p n = p n t o t + 1 0 1 9 ( 2 - 2 3 ) 根據(jù)鎖相環(huán)的相位噪聲理論，具體的噪聲可以由下式進(jìn)行估算： 相位噪聲= ( 1 h z 歸一化基底相位噪聲) + 鑒相頻率引入+ 分頻器引入，即 p n = p n t o t + 1 0 1 9f p f d + 2 0 1 9 n ( 2 - 2 4 ) 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，提供鑒相器芯片的廠商一般都會(huì)給出鑒相器的本底相 位噪聲，因此，計(jì)算具體噪聲的公式可以按照下式的形式： 相位噪聲= 本底相位噪聲+ 2 0 1 9 n ( 2 2 5 ) 2 2 數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器 2 2 1 數(shù)字鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)及工作原理 隨著數(shù)字電路技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是微處理機(jī)和大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng) 用，使得一些復(fù)雜，靈敏的信號處理能在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)。在這種情況下發(fā)展起 來的數(shù)字鎖相環(huán)在兼顧可靠性高、體積小、價(jià)格低等數(shù)字電路優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還解 1 6 第二二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 決了一些模擬鎖相環(huán)所遇的難題，比如直流零點(diǎn)漂移、部件飽和、必須進(jìn)行初值 校準(zhǔn)等。因而數(shù)字鎖相環(huán)的發(fā)展是非常必要和重要的。 數(shù)字鎖相壞的基本原理結(jié)構(gòu)如圖2 8 所示口馴。 薯霉-信號： f r e f n 分頻 圖2 8 數(shù)字鎖相環(huán)原理圖 與傳統(tǒng)的模擬鎖相環(huán)相比，它增加了兩個(gè)數(shù)字分頻器，即參考分頻器( r c o u n t e r ) 和環(huán)路分頻器mc o u n t e r ) ，并且數(shù)字鑒相器中加入了電荷泵，使得鑒相器 的最終輸出為誤差電流而不是誤差電壓。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，數(shù)字鎖相環(huán)的輸入和輸 出信號之間的關(guān)系可用式( 2 2 6 ) 表示。 ，= (226)out 1 一n “1 阿 、一 a 式中，l 是輸出信號頻率，是參考信號頻率，r 是參考分頻比， n 是環(huán) 路分頻比?？梢姡敵鲱l率由參考信號頻率、參考分頻比和環(huán)路分頻比共同決定。 一般情況下，我們不會(huì)去改變參考信號頻率和參考分頻比r ，若改變環(huán)路分頻比n ， 則環(huán)路進(jìn)入失鎖狀態(tài)，這時(shí)環(huán)路重新開始對頻率和相位的捕獲，經(jīng)過一段時(shí)間， 環(huán)路重新進(jìn)入鎖定狀態(tài)，此時(shí)鎖相環(huán)輸出的頻率已經(jīng)發(fā)生了變化，即是進(jìn)行了一 次頻率切換，一個(gè)全新的穩(wěn)定頻率開始輸出。這種形式下，改變環(huán)路分頻比n 即可 改變鎖相環(huán)的輸出頻率。 2 2 2 小數(shù)分頻鎖相頻率合成器 上節(jié)介紹的數(shù)字鎖相環(huán)頻率合成器的基本性能是，每當(dāng)環(huán)路分頻比n 改變1 時(shí)，環(huán)路輸出頻率變化量是參考信號頻率的l r ，即r 。這就存在一個(gè)問題是， 如果信道間隔瓦很小，由于瓦= r ，鎖相環(huán)的帶寬就受限于參考信號頻率。 1 7 電子科技人學(xué)碩士! 學(xué)位論文 而小數(shù)分頻鎖相頻率合成器則可以解決頻率合成器的小頻率間隔的問題。小數(shù)分 頻頻率合成器的輸出頻率可以按照參考信號頻率的小數(shù)倍變化，這樣參考信號頻 率就可以遠(yuǎn)大于信道間隔只。增大參考信號的頻率，那么就能增大鎖相環(huán)路的帶 寬，從而能使環(huán)路快速鎖定并能抑制壓控振蕩器的相位噪聲乜 。 通過采用一個(gè)可控雙模環(huán)路分頻器來實(shí)現(xiàn)分頻比小數(shù)化。在某個(gè)時(shí)間間隔中， 有一半的時(shí)間按照1 0 分頻，而在另一半的時(shí)間間隔中按照1 1 分頻，那么在這 個(gè)時(shí)間間隔中，分頻比就被平均化為1 1 5 。如果我們改變時(shí)間分配的百分比，就 能實(shí)現(xiàn)平均化分頻比的改變。這樣，環(huán)路的輸出頻率就可以實(shí)現(xiàn)參考信號頻率的 小數(shù)倍變化，從而可以大大增加參考信號頻率。圖2 9 就是小數(shù)分頻合成器的基本 思路圖。 圖2 9 小數(shù)分頻合成器思路圖 具體的小數(shù)分頻合成器的原理圖如圖2 1 0 所示。其工作原理可以概述為，在 每個(gè)島肚的周期中，相位寄存器的存數(shù)與寄存器f 的存數(shù)在十進(jìn)制全加器中相 加一次，而當(dāng)全加器加滿則會(huì)溢出一次，溢出的脈沖持續(xù)時(shí)間r 巳作為換模信號 可以使分頻比在p 和p + i 之間切換一次。其中，相位寄存器的c p 是參考信號 易肚洶1 。 圖2 1 0 小數(shù)分頻合成器的原理圖 1 8 第二章鎖相環(huán)( p l l ) 頻率合成技術(shù)基本理論 小數(shù)分頻頻率合成器能解決小頻率間隔問題的同時(shí)，也存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)， 即是在輸出頻率的附近會(huì)出現(xiàn)小數(shù)雜散頻率點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮。 2 3 組合鎖相環(huán)頻率合成技術(shù) 在前面幾個(gè)小節(jié)中，簡單地介紹了鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)的基本理論及數(shù)字鎖 相環(huán)的相關(guān)知識(shí)，不難發(fā)現(xiàn)分析都是建立在單一鎖相環(huán)路上的。