多模分頻鎖相頻率綜合技術(shù)

1、多模分頻鎖相頻率合成技術(shù)1、鎖相頻率合成技術(shù)的基木原理及性能指標(biāo)2、擴(kuò)展頻率上限的基本方法及存在的問題3、多模分頻鎖相頻率合成技術(shù)的基本原理4、應(yīng)用舉例1引言鎖相環(huán)為無線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法，主要由vco （壓控振 蕩器）和pll 1c （鎖相環(huán)集成電路），壓控振蕩器給出一個(gè)信號(hào)，一部分作為輸 出，男一部分通過分頻與pll 1c所產(chǎn)生的本振信號(hào)作相位比較，為了保持頻率 不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則pllic的電壓輸出 端的電壓發(fā)生變化，去控制vco,直到相位差恢復(fù)，達(dá)到鎖頻的0的。能使受控 振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。為了適應(yīng)現(xiàn)

2、在無線通信頻率提高的趨勢，耍求鎖相環(huán)輸出的頻率更高、相位 噪聲更小的本振頻率，為了實(shí)現(xiàn)這樣的要求，就要對輸出信號(hào)的反饋信號(hào)進(jìn)行預(yù) 分頻后再與參考信號(hào)進(jìn)行比較，常用的方法有小數(shù)分頻、整數(shù)分頻、和多模分頻 等，本文主要介紹多模分頻。1鎖相頻率合成技術(shù)基本原理在當(dāng)今的通信發(fā)送技術(shù)中，為了適應(yīng)對發(fā)射機(jī)輸出頻率穩(wěn)定度和頻率淮確度 的嚴(yán)格要求，以及方便更換發(fā)射機(jī)頻率的需要，在固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機(jī)中普遍使用了 鎖相技術(shù)和頻率合成技術(shù)。鎖相環(huán)頻率合成器成為固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機(jī)重要的組成部 分。鎖相環(huán)頻率合成器的優(yōu)點(diǎn)在于其能提供頻率穩(wěn)定度很高的輸出信號(hào)，能很 好地抑制寄生分量，避免大量使用濾波器，因而有利于集成化和小型化。

3、而頻率 合成器中的程序分頻器的分頻比可以使用微機(jī)進(jìn)行控制，易于實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)頻率的 更換及其頻率顯示的程控和遙控，促進(jìn)全固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機(jī)的數(shù)字化、集成化和微 機(jī)控制化。將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率（如晶振參考源），經(jīng)過加、減、乘、除運(yùn)算，變成具有同 一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的多個(gè)所需頻率的技術(shù)，稱為頻率合成技術(shù)?？刂普袷幤鳎蛊漭敵鲂盘?hào)和一個(gè)參考信號(hào)之間保持確定關(guān)系的技術(shù)，稱為鎖相技術(shù)。把由棊準(zhǔn) 頻率獲得不同頻率信號(hào)的組件或儀器，稱為“頻率合成器”。頻率合成的方法很多，但大致可分成兩大類：直接合成法和間接合成法。固 態(tài)調(diào)頻發(fā)射機(jī)中的頻率合成器采用間接合成法。間接合成法一般可用一個(gè)受控源 （例如壓控振蕩器）、參考源和控制回

4、路組成一個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。即用一個(gè)頻率源， 通過分頻產(chǎn)生參考頻率，然后用鎖相環(huán)（控制回路），把壓控振蕩器的頻率鎖定 在某一頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生出所需要的頻率輸出。1.1鎖相環(huán)基本工作原理一個(gè)基木的鎖相環(huán)路由以下3個(gè)部件組成.壓控振蕩器（vco）、鑒相器（pd） 和環(huán)路濾波器（lf）,如圖1所示。圖丨鎖相環(huán)原理框圖當(dāng)鎖相環(huán)開始工作時(shí)，輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率f；與壓控振蕩器的固有振蕩頻 率fo總是不相同的，即fi矣f0,這一固有頻率差afzfi-fo必然引起它們之間的相位 差不斷變化，并不斷跨越211角。由于鑒相器特性是以相位差2 n為周期的，因 此鑒相器輸出的誤差電壓總是在某一范圍內(nèi)擺動(dòng)。這個(gè)誤

5、差電壓通過環(huán)路濾波器 變成控制電壓加到壓控振蕩器上，使壓控振蕩器的頻率fo趨向于參考信號(hào)的頻率 fi,直到壓控振蕩器的頻率變化到與輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率相等，并滿足一定條件, 環(huán)路就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來。兩個(gè)頻率之間的相位差不隨時(shí)間變化而是一個(gè)恒 定的常數(shù)，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。當(dāng)環(huán)路已處于鎖定狀態(tài)時(shí)，如果輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率和相位發(fā)生變化，通過 環(huán)路的控制作用，壓控振蕩器的頻率和相位能不斷跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率的變化 而變化，使環(huán)路重新進(jìn)入鎖定狀態(tài)，這種動(dòng)態(tài)過程稱為環(huán)路的“跟蹤”過程。而 環(huán)路不處于鎖定和跟蹤狀態(tài)，這個(gè)動(dòng)態(tài)過程稱為“失鎖”過程。1.2鎖相環(huán)頻率合成器工作原理鎖相環(huán)路總是有可編程

6、分頻器加在壓控振蕩器vco和鑒相器pd之間。在 鎖相環(huán)路屮加入可編程分頻器可以起到兩個(gè)很關(guān)鍵的作用：首先是不改變輸入?yún)?考頻率就可以改變壓控振蕩器vco的輸出頻率，為實(shí)際應(yīng)用提供了方便；蘇次 是提高輸出頻率的分辨率和降低鑒相器的參考頻率，進(jìn)一步提高輸出頻率的精確 度和穩(wěn)定度。但是，在目前的技術(shù)條件下，可編程分頻器的最高工作頻率約30mhz。而k _ 又 max一 f .j r?min調(diào)頻廣播頻段為87108mhz,顯然，工作頻率太高而不能直接使用可編程分頻 器。在這種情況下，通常在可編程分頻器前端加入一個(gè)前置閻定分頻模數(shù)為m 的ecl分頻器，如圖2所示。ecl固定分頻器的工作頻率可高達(dá)幾ghz

7、。當(dāng)環(huán) 路鎖定時(shí)，這種頻率合成器的輸出頻率為fo=n (mfi)式屮，m是固定的，n是 可變的(可編程的)，fi是輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率，頻率的間隔為mfj。1.3鎖相環(huán)的性能指標(biāo)1.3.1頻率范圍主要取決于壓控振蕩器的頻率范圍，頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率 fomin和最高頻率之間的變化范圍，也可用頻率覆蓋系數(shù)表示，即 1.3.2頻率輸出間隔與頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率合成器的輸出頻率是不連續(xù)的，以點(diǎn)頻方式出現(xiàn)，兩相鄰點(diǎn)頻之間的間 隔稱為頻率間隔，又稱為頻率分辨率。在鎖相頻率合成中，整數(shù)分頻的頻率間隔 由參考頻率fr決定，而小數(shù)分頻的頻率間隔由分頻系數(shù)n.f屮小數(shù).f決定。由 頻率范圍與頻率間隔可以

8、確定頻率合成器的工作頻率點(diǎn)數(shù)(波道數(shù))。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器輸出頻率從一個(gè)工作頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)工作 頻點(diǎn)并穩(wěn)定工作所需要的時(shí)間。對于鎖相頻率合成，轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于環(huán)路的 捕獲時(shí)間，由頻率捕獲時(shí)間與相位捕獲時(shí)間所構(gòu)成。環(huán)路采用鑒頻鑒相器(fpd)， 頻率捕獲時(shí)間極短，可不考慮，而相位捕獲時(shí)間大約為參考頻率信號(hào)周期(1/fr) 的25倍左右。減小頻率間隔，可以提高輸出頻率的精度.在理論上就必須減小輸入頻率，環(huán) 路濾波器的帶寬也相應(yīng)減小，以便濾除鑒相器輸出電壓中無用的頻率分量.這樣， 當(dāng)一個(gè)輸出頻率轉(zhuǎn)換為另一個(gè)輸出頻率時(shí)，由于環(huán)路的捕捉時(shí)間加長，導(dǎo)致頻率轉(zhuǎn) 換時(shí)間加人.可見，采用鎖相式頻率合

9、成器，減小輸出頻率間隔和減小頻率轉(zhuǎn)換時(shí) 間之間是矛盾的。1.3.3頻率穩(wěn)定度在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器輸出頻率偏離規(guī)定值的量。頻率穩(wěn)定度是 指一定時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器輸出頻率的相對變化，通常分為長期、短期與瞬 時(shí)頻率穩(wěn)定度。長期頻率穩(wěn)定度是指年或月吋間范圍內(nèi)頻率的相對變化，主要由晶體參考振 蕩器中晶體的老化特性引起。1.3.4鎖相環(huán)的鎖定范圍頻率合成器輸出的相鄰兩個(gè)頻率之間的最小間隔。又稱頻率分辨率。頻率合 成器輸出頻率轉(zhuǎn)換后，達(dá)到穩(wěn)定工作所需的時(shí)間。它和采用的的方法有關(guān)。輸入信號(hào)頻率的最大可能的變化范圍被稱為鎖相環(huán)的鎖定范圍。如果開始的 時(shí)候鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)，輸入信號(hào)的頻率變得比允許

10、的最小頻率還要小的時(shí) 候，或者變得比最大允許的頻率還耍大的時(shí)候，鎖相環(huán)將不再能夠保持振蕩器的 輸出頻率與輸入頻率一致，這時(shí)就稱為失鎖。當(dāng)鎖相環(huán)失鎖的時(shí)候，壓控振蕩器 的輸出頻率ft)被稱為屮心頻率，或者壓控振蕩器的白由振蕩頻率。如果輸入信 號(hào)的頻率fi接近自由頻率fo的吋候，鎖定狀態(tài)可以重新建立起來，頻率范圍 (£1 = £0-化到£1 = £0+&)被稱作鎖相環(huán)的捕捉范圍，也就是對一個(gè)沒有鎖定的 鎖相環(huán)可以進(jìn)入鎖定的頻率范圍。2擴(kuò)展頻率上限的基本方法2.1采用前置分頻器2.2存在的問題3多模分頻鎖相頻率合成技術(shù)3.1多模分頻器基本原理分頻器是頻

11、率綜合器的重要組成部分，基于吞脈沖計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)是fi前廣泛 使用的分頻器結(jié)構(gòu)。分頻器的實(shí)現(xiàn)方式主要有真單相鐘控電路和源耦合結(jié)構(gòu)兩 種。真單相鐘控電路技術(shù)采用動(dòng)態(tài)cmos技術(shù)，具有管子少、電路結(jié)構(gòu)簡單和 功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但在電源電壓下這種結(jié)構(gòu)無法操作在較高頻率。源耦合技術(shù)具有 低擺幅，高速度，低噪聲，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。多模分頻器(mmd)是鎖相環(huán)頻率合成器中重要的組成模塊，通過將壓控振 蕩器(vco)的輸出信號(hào)進(jìn)行n倍分頻，然后輸入到pfd,從而使vco的輸出頻 率等于n*frel<n可以為整數(shù)，也可以是小數(shù))，獲得固定的輸出頻率。在頻率合 成器屮，壓控振蕩器和分頻器工作在最高頻率，它們通

12、常整個(gè)頻率合成器功耗 的80%以上。傳統(tǒng)的多模分頻器第一級(jí)由多個(gè)全功能的d觸發(fā)器構(gòu)成，它們都 工作在整個(gè)分頻器的最高頻率下，因此傳統(tǒng)的多模分頻器消耗的功耗較大，并且 需要w個(gè)計(jì)數(shù)器完成吞脈沖功能實(shí)現(xiàn)模數(shù)變化，大大制約了整個(gè)分頻器的下作速 度。所以在頻率合成器的設(shè)計(jì)中，低功耗的多模分頻器是至關(guān)重要的。目前多模分頻器主要有兩種，一種是基于雙模分頻器的吞脈沖分頻器，第二 種是雙模分頻器級(jí)聯(lián)組成的多模分頻器。b前，國內(nèi)關(guān)于前者的研究較多，而對 于后者的研宄報(bào)道并不多見。這兩種多模分頻器的核心電路都是雙模分頻器。源 耦合邏輯(scl)分頻器由于其輸入輸出擺幅小、動(dòng)態(tài)功耗低、轉(zhuǎn)換速度快，成為 高速分頻器的

13、首選。傳統(tǒng)的多模分頻器多采用幾個(gè)雙模同步分頻器級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成i 5, 61，整 個(gè)多模分頻器的分頻模數(shù)通過選擇每個(gè)雙模同步分頻器的分頻模數(shù)來完成。雙 模同步分頻器中包含多個(gè)全功能的d觸發(fā)器，級(jí)聯(lián)中的第一個(gè)雙模同步分頻器 的所有d觸發(fā)器都直接工作在射頻頻率下，因此消耗功耗較大，這是傳統(tǒng)方案 的主要問題.而采用相位切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)的雙模異步分頻器包含兩個(gè)級(jí)聯(lián)的2分 頻觸發(fā)器。僅第一個(gè)觸發(fā)器工作在最高輸入頻率下，第二個(gè)主從觸發(fā)器工作在 1/2輸入頻率。并產(chǎn)生4個(gè)在相位上相互間隔90°的正交信號(hào).在時(shí)間上，這 4個(gè)信號(hào)每一個(gè)都落后于另一個(gè)信號(hào)一個(gè)射頻信號(hào)(fin)周期。在任意時(shí)刻，4 個(gè)信號(hào)中僅

14、有一個(gè)信號(hào)通過相位選擇器(phase-selector)連接到信號(hào)f4。如圖1 所示.在圖1屮。通過相位切換控制信號(hào)(con)來控制相位選擇器是否對信號(hào) f4進(jìn)行相位切換。f con圖2逆時(shí)針相位切換的分頻器4應(yīng)用舉例4.1微波集成鎖相環(huán)芯片adf4106鎖相環(huán)芯片adf4106內(nèi)含低噪聲數(shù)字相位、頻率檢波器，精密電荷泵，可 編程參考分頻器，可編程a預(yù)置，b計(jì)數(shù)器和雙模分頻器(p/p+l)，a計(jì)數(shù)器(比 特)、b計(jì)數(shù)器(13比特)和雙模預(yù)分頻器(p/p+1),可完成n分頻(n=bp+a), r計(jì) 數(shù)器(14比特參考計(jì)數(shù)器)將分頻后的ref1n頻率送入鑒頻鑒相器。adf4106芯 片的內(nèi)部電路結(jié)

15、構(gòu)如圖4所示。此芯片外接環(huán)路濾波器和壓控振蕩器(vco)即可 組成一個(gè)完整的鎖相環(huán)路。用其設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)路具有很寬的帶寬，這就意味著在 高頻系統(tǒng)中省去了另外使用倍頻器的不便，消除了由倍頻器所帶來的諧波、雜波 及噪聲信號(hào)干擾，有利于提高系統(tǒng)性能、簡化系統(tǒng)工藝，降低成本。adf4106內(nèi)部原理框圖該芯片主要性能：八0尸4106的帶寬為6 0山，工作電壓為2.73.3 v，期內(nèi)獨(dú)立的電荷泵(vp) 可將系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)電壓切換到3 v，可編程雙模預(yù)分頻為8/9、16/17、32/33、64/65, 電荷泵電流可編程，并可編程反后沖脈沖寬度，同時(shí)可三線并行傳輸，數(shù)模鎖定 顯示，具有硬件和軟件掉電模式。adf4

16、106采用4mmx3.75mmcp-20封裝， 外部共設(shè)有20只管腳，可連接外部vco、環(huán)路濾波器及與spi兼容的連載接口； 由于其在相位頻率檢波器輸入端增加有14-bit參考計(jì)數(shù)器(即r計(jì)數(shù)器)，因此可 選通參考信號(hào)頻率。4.1.1 adf4106 分頻器adf4106中的雙模預(yù)分頻器(p/p+1)與計(jì)數(shù)器a、b共同構(gòu)成大分頻比分頻 器，可實(shí)現(xiàn)(n=bp+a)次分頻。雙模預(yù)分頻器可在cml下運(yùn)行，可將rf輸入進(jìn) 行卜分頻至適合cmos計(jì)數(shù)器a和b的時(shí)鐘信號(hào)頻率。adf4106屮的分頻器是 可編程分頻器，以4/5核心分頻為最小分頻數(shù)，通過軟件可設(shè)置p值以得到8/9、 16/17、32/33、6

17、4/65分頻，預(yù)分頻數(shù)為p2-p。cmos計(jì)數(shù)器a、b與雙模預(yù)分 頻器共同構(gòu)成的鎖相環(huán)反饋計(jì)數(shù)器，可實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)分頻。它具有吞食脈沖 功能，以產(chǎn)生只與參考分頻器r有關(guān)的輸出頻率，其與vco輸出頻率的關(guān)系如 下：fvco=frefin(pb+a)/r式屮：fvco為外部vco的輸出頻率，p為雙模 預(yù)分頻器的分頻數(shù)(8/9，16/17等等)，b為13-bit二進(jìn)制預(yù)制分頻器(3至8191)， a為6-bit二進(jìn)制預(yù)制分頻器(0至63)，frefin為外部晶體振蕩器的參考頻率。 這樣，就可使數(shù)字鎖相環(huán)在不降低頻率間隔的條件下使工作頻率得到提高。計(jì)數(shù) 器的指定工作頻率為預(yù)分頻器輸出頻率(<300 mhz)，因此，當(dāng)rf的輸入頻率 為4.0ghz時(shí)，預(yù)分頻應(yīng)為16/17而不是8/9。r計(jì)數(shù)器的主要作用是將輸入的 參考信號(hào)進(jìn)行分頻，以產(chǎn)生相位、頻率檢波器(pfd)所需的參考吋鐘。分頻比為 116383。4.1.2 pdf及接口電路pdf以r計(jì)數(shù)器和n(n=bp+a)計(jì)數(shù)器的輸出為輸入，