DESIGN SOL現(xiàn)代通信中的頻率合成新技術(shù)

1、DESIGN SOL現(xiàn)代通信中的頻率合成新技術(shù)摘 要：本文對通信中應(yīng)用廣泛的變模鎖相頻率合成、直接數(shù)字頻率合成、混合式頻率合成等三種頻率合成的新技術(shù)進行了分析，并對每種技術(shù)的特點、應(yīng)用動態(tài)和前景進行了描述。關(guān)鍵詞：頻率合成；變模鎖相頻率合成；直接數(shù)字合成；混合式頻率合成引言頻率合成器作為一種相位鎖定裝置，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。它被廣泛地應(yīng)用在通信、雷達、儀器儀表、高速計算機及導(dǎo)航系統(tǒng)中。近幾年，在快速發(fā)展的無線通信技術(shù)的帶動下，頻率合成技術(shù)在通信中的作用日益顯著。由于大部分收、發(fā)信機的載波源都是用頻率合成方法實現(xiàn)的，而載波源的性能又是影響發(fā)射機輸出頻譜純度和接收機靈敏

2、度的關(guān)鍵因素之一，因而設(shè)計一個低成本、高性能、小體積的頻率合成器常常是許多RF 工程師所追求的目標(biāo)。頻率合成器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了四種主要技術(shù)，即：直接頻率合成技術(shù)、鎖相頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和混合式頻率合成技術(shù)。本文，僅結(jié)合通信應(yīng)用的實際情況對頻率合成的最新進展進行討論。變模鎖相頻率合成技術(shù)滿足移動通信需求的低功耗、低成本、大容量高頻頻率合成芯片，大多采用變模技術(shù)的鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，以實現(xiàn)在輸出較高頻率的同時又能獲得較小的輸出頻率間隔。該種技術(shù)的工作原理如圖1 所示。圖中虛框所示即為分頻器，它包括一個變模分頻器和兩個可編程分頻器。隨模式控制高、低電平的不同，變模分頻器采用兩

3、個不同的分頻模數(shù)P+1和P。變模分頻器的輸出同時驅(qū)動兩個可編程分頻器，它們分別預(yù)置在A和B(A<B)，并進行減計數(shù)。在除A 和除B 分頻器未計數(shù)到零時，模式控制為高電平，雙模分頻器輸出頻率為f0/(P+1)。在輸入A (P+1)個周期之后，除A 分頻器計數(shù)到零，將模式控制變?yōu)榈碗娖剑瑫r通過A 分頻器前面的與門使其停止計數(shù)。此時，除B 分頻器還有B-A個數(shù)，雙模分頻器的模數(shù)變?yōu)镻，輸出頻率為f0/P。再經(jīng)過P(B-A)個周期，除B 分頻器計數(shù)到零，輸出低電平，再將兩計數(shù)器重新置為A 和B，同時將模式控制恢復(fù)為高電平。通過這一完整的周期可看出這種合成器的分頻比為：N=(P+1)A+P(B-

4、A)=PB+A。而頻率分辨力為fr。該頻率合成器的工作原理為：壓控振蕩器輸出的信號經(jīng)N次分頻后送入鑒相器中作為一路鑒相信號，參考晶振輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)參考分頻器R 次分頻后送到鑒相器中作為另一路鑒相信號。圖1 采用變模技術(shù)的鎖相式頻率合成器ESIGN SOLUTIONS設(shè)計方案鑒相器輸出的反映兩路鑒相信號相位誤差特性的電流序列脈沖經(jīng)電荷泵的作用輸入到低通濾波器中，低通濾波器將電流轉(zhuǎn)換成VCO 的控制電壓，同時對噪聲及鑒相輸出的紋波等干擾進行抑制，VCO 輸出與其輸入端控制電壓相應(yīng)的工作頻率。目前生產(chǎn)這類頻率合成器的著名廠商有Zarlink 公司、Analog Devices公司、National

5、 Semiconductor公司、Qualcomm公司、Intersil公司、富士通公司、Philips公司、Infineon公司等。這些芯片大都包含了圖1所示的除低通濾波器和VCO 外的所有功能單元，能工作在從很低頻率到2.5GHz 的寬頻率范圍內(nèi)，具有非常低的噪聲特性，并能通過芯片的數(shù)字接口對A、B、R、P等寄存器進行預(yù)置或改變，從而很方便地獲得不同的輸出頻率。這其中ADI公司的ADF4000 系列、NS 公司的鎖相頻率合成系列，都含有二十個左右的品種可供選擇，不僅覆蓋了0 到3GHz的寬頻率范圍，而且ADF4106 芯片最高工作頻率可達6GHz。另外，這些公司的許多芯片都集成了中頻和射頻

6、兩個頻率合成模塊。采用一片這樣的芯片，外加兩個低相位噪聲的VCO和幾個用來構(gòu)成低通濾波器的電阻、電容，就可以同時輸出射頻和中頻兩路載波，大大減小了線路板的面積和成本。目前這類頻率合成器已被廣泛地應(yīng)用在GSM 與CDMA 移動通信的基站和手持設(shè)備、無線擴頻中繼設(shè)備及無線局域網(wǎng)絡(luò)中。鎖相式頻率合成器能達到很高的輸出頻率；具有低相位噪聲、低雜散、易于集成、體積小、生產(chǎn)相對較簡單、成本低等特點。但其難以實現(xiàn)很小的輸出頻率間隔，頻率轉(zhuǎn)換時間較長，目前最快達微秒級。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)是隨著集成電路技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展而誕生的一種頻率合成方法。典型的直接數(shù)字頻

7、率合成器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2 所示的DDS 中，其核心是一個相位累加器(如虛框所示)，它由一個加法器和一個N位的相位寄存器組成。在合成器工作之初，系統(tǒng)將DDS 輸出頻率值對應(yīng)的相位增量值M 存儲在頻率控制寄存器中。每來一個時鐘脈沖，系統(tǒng)從頻率控制寄存器中取出相位增量值M，并與相位寄存器中的相位值相加，相加的結(jié)果一方面存儲在相位寄存器中為下一次累加作準(zhǔn)備，另一方面與相位控制寄存器中的相位值相加后輸入到正弦查詢表的地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應(yīng)正弦波中0° 360° 范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動D

8、AC，經(jīng)低通濾波器濾除雜波分量后輸出所需頻率的正弦波。相位寄存器每經(jīng)過2N/M個外部參考時鐘后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)地正弦查詢表經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置，整個DDS 系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波周期TO=TC2N/M，頻率fO=MfC/2N，TC、fC分別為外部參考時鐘的周期和頻率。輸出頻率受Nyquist抽樣定理的限制，最大只能達到參考時鐘頻率的二分之一即：fOmax=fC/2。直接數(shù)字頻率合成具有一系列的優(yōu)良特性：具有高精度的頻率和相位分辨力，其頻率精度可達到微赫茲級，相位精度可達納赫茲級；DDS 頻率變化幾乎沒有捕獲時間的限制，其頻率切換速度僅受限于器件工作速率，最高可達納秒級；另外DD

9、S還具有相對較寬的輸出頻率范圍，器件體積小，功耗低等特點。但由于通常的DDS 結(jié)構(gòu)中僅把相位累加器的某些高位部分截取出來送到正弦查詢表中，從而產(chǎn)生了截斷誤差，使輸出頻譜的相位噪聲分量增加；又由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器等電路非線性因素的影響，使輸出頻譜的雜散相對較多；另外，目前DDS 的輸出頻率還不是很高。現(xiàn)在流行的DDS 產(chǎn)品以ADI 公司的最多，主要有AD7008，AD9830AD9835，AD9850AD9854 等十幾種芯片，形成了從0 150MHz 的寬輸出頻率范圍系列。此外Qualcomm 公司也有Q2334、Q2368 等產(chǎn)品。DDS 技術(shù)與移頻鍵控方式相結(jié)合，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在短波通信、跳頻通信

10、等無線通信系統(tǒng)中?；旌鲜筋l率合成技術(shù)當(dāng)單獨采用一種合成方法不能滿足頻率合成器的性能要求時，可考慮將兩種或三種方法結(jié)合使用。目前最常用的混合方法是將直接數(shù)字合成(DDS)和圖2 直接數(shù)字頻率合成原理框圖設(shè)計方案鎖相頻率合成相結(jié)合即DDS 與PLL 混合實現(xiàn)頻率合成的技術(shù)，此外還有DDS與DAS(Digital Analog Synthesis，即直接頻率合成)相混合等合成方法。PLL 合成技術(shù)具有高頻率、寬帶、頻譜質(zhì)量好的優(yōu)點，但其頻率切換速率低，輸出頻率間隔較大；而DDS技術(shù)則具有快速的頻率切換能力、高度的頻率和相位分辨能力，但目前尚不能做到高頻應(yīng)用，頻譜純度也不如PLL。若將PLL 與DDS

11、 兩種技術(shù)結(jié)合起來，可以設(shè)計出高性能的頻率合成器。當(dāng)前DDS 與PLL 混合的技術(shù)方案主要有：頻偏由DDS 產(chǎn)生的PLL 合成器和參考源由DDS提供的PLL 合成器兩種。其中電路結(jié)構(gòu)較簡單且應(yīng)用較多的是參考源由DDS 提供的PLL 頻率合成器，其功能框圖如圖3 所示。由于PLL 合成器的參考基準(zhǔn)是由DDS 提供的，它可以做到以毫赫茲或微赫茲變化，因而整個頻率合成器的輸出頻率間隔可以做得較小；但該系統(tǒng)的頻率切換時間主要由PLL所決定，因而暫態(tài)過程相對較長。當(dāng)頻率合成器的工作頻率較高，要求輸出頻率間隔更小、頻率切換時間更短時，可以考慮采用圖4所示的頻率合成方案。圖4 中，DDS 的輸出經(jīng)低通濾波后

12、，與一本振相混頻，這一設(shè)計主要是為了使輸出端的帶通濾波器BPF2容易實現(xiàn)?；祛l器的輸出fDDS再與鎖相環(huán)的輸出fPLL相混頻，經(jīng)過輸出端的帶通濾波器BPF2濾波后，總的輸出頻率為：f0=fPLL+fDDS。從上式可見，輸出頻率為鎖相環(huán)和DDS 各自的輸出頻率之和。鎖相環(huán)的作用主要是將頻率抬高至微波波段。該合成器的輸出頻率精度和頻率切換時間均由DDS 決定。由于DDS 頻率切換時間可達到納秒級，頻率和相位精度很容易達到毫赫茲級，因此系統(tǒng)性能得到顯著改善。DDS 與PLL 相混合的頻率合成技術(shù)現(xiàn)正應(yīng)用到3G 中的基站和終端設(shè)備、寬帶無線接入系統(tǒng)、微波頻率源及儀器儀表中。結(jié)語作為通信電路及儀器儀表的核心部件，頻率合成器的發(fā)展日新月異。從應(yīng)用看，受設(shè)備小型化、系統(tǒng)化、多樣化發(fā)展的要求，對系統(tǒng)集成的頻率合成器的需求增加，相應(yīng)的頻率合成器發(fā)展加快，品種逐漸增多，價格逐漸降低。從技術(shù)進展看，將集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理及計算機技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出小型化、大容量、低成本、高性能、寬頻率范圍