現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)講座學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第一頁(yè)，共48頁(yè)。 頻率的瞬時(shí)起伏短期頻率穩(wěn)定 (短穩(wěn))。結(jié)論：相位噪聲是噪聲對(duì)主譜的隨機(jī)調(diào)角（調(diào)頻、調(diào)相）二、相位噪聲的度量1、相位噪聲的功率譜密度簡(jiǎn)單分析：?jiǎn)我活l率產(chǎn)生的 噪聲調(diào)相： ttfVtVtv0002coscos t dtd dtdfdtdf 21210 mfS tftmrms 2sin2 第1頁(yè)/共47頁(yè)第二頁(yè)，共48頁(yè)。2RF(zoshng)功率譜密度L(fm)沒(méi)有相噪的理想頻譜實(shí)際的輸出，相噪常用測(cè)量方法定義單位單位：rms BffSmrmsm2 Hzrad2 mfS t 02mmdffS mfHzdBcSmSSBmPffPfL)()(0 第2頁(yè)/共47頁(yè)第三頁(yè)，共4

2、8頁(yè)。rad1max dBmdBmfLdBfS 3 2f 202121,fMMf 11tktkkdttff 1121Mkkkff 02224sin2mmmfdfffSfc mfS 2f 2f mfS resF mmbammmbamresdffLfdffSfF 222 第3頁(yè)/共47頁(yè)第四頁(yè)，共48頁(yè)。PsikTFS dBdBdBPsiFdBmS 174 f1 mmcmfPsiFkTffPsiFkTfS 1PsiFkTmf f1第4頁(yè)/共47頁(yè)第五頁(yè)，共48頁(yè)。 LmmQfjfjfH2110 mLmmfQffSfS210 mmfSfS LmQff20 mfS mLfSQ 第5頁(yè)/共47頁(yè)第六頁(yè)，

3、共48頁(yè)。 mfS mfS 02112031mmmmmfhfhfhfhfS31 mfh20 mfh11 mfh02mfhLcQff20 LcQff20 第6頁(yè)/共47頁(yè)第七頁(yè)，共48頁(yè)。第7頁(yè)/共47頁(yè)第八頁(yè)，共48頁(yè)。第8頁(yè)/共47頁(yè)第九頁(yè)，共48頁(yè)。第9頁(yè)/共47頁(yè)第十頁(yè)，共48頁(yè)。第10頁(yè)/共47頁(yè)第十一頁(yè)，共48頁(yè)。 20221sinsin81BmmmmdfTfffSI 第11頁(yè)/共47頁(yè)第十二頁(yè)，共48頁(yè)。第12頁(yè)/共47頁(yè)第十三頁(yè)，共48頁(yè)。SmSSBmPffPfL)()(0 第13頁(yè)/共47頁(yè)第十四頁(yè)，共48頁(yè)。第14頁(yè)/共47頁(yè)第十五頁(yè)，共48頁(yè)。（2）產(chǎn)生雜散的原因：）產(chǎn)生雜

4、散的原因： * PLL頻綜：鑒相雜散，分?jǐn)?shù)雜散；頻綜：鑒相雜散，分?jǐn)?shù)雜散； * DDS頻綜：原因、成分復(fù)雜頻綜：原因、成分復(fù)雜(fz)； *混頻的組合干擾；混頻的組合干擾； *時(shí)鐘寄生調(diào)頻；時(shí)鐘寄生調(diào)頻； *電源電源50Hz寄生調(diào)頻。寄生調(diào)頻。 （3）雜散抑制指標(biāo)的意義及測(cè)量）雜散抑制指標(biāo)的意義及測(cè)量 * 雜散可直接或經(jīng)過(guò)非線性電路進(jìn)入信道雜散可直接或經(jīng)過(guò)非線性電路進(jìn)入信道(xn do)帶寬帶寬內(nèi)；內(nèi)； * 頻譜儀測(cè)雜散應(yīng)該取平均；頻譜儀測(cè)雜散應(yīng)該取平均；第15頁(yè)/共47頁(yè)第十六頁(yè)，共48頁(yè)。第16頁(yè)/共47頁(yè)第十七頁(yè)，共48頁(yè)。第17頁(yè)/共47頁(yè)第十八頁(yè)，共48頁(yè)。放大器的相噪基底放大器的相

5、噪基底(j d)（圖七的分析結(jié)論）：（圖七的分析結(jié)論）：siPFkTS 對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)(du sh)表示：表示：dBmdBdBdBmsiPF174S分析分析(fnx)：F計(jì)及閃爍噪聲后放大器的相位噪聲 siP放大器加性噪聲模型 SF 放大器噪聲系數(shù)；Psi 放大器輸入功率T2、閃爍噪聲、閃爍噪聲 （1/ fc噪聲）使放大器近端相噪抬高噪聲）使放大器近端相噪抬高考慮fc時(shí)的近似公式： mcsiffPFkTS1 第18頁(yè)/共47頁(yè)第十九頁(yè)，共48頁(yè)。LSI SL和不相關(guān)時(shí)，二者功率(gngl)譜密度相加 mmmfSfSfSLSI 幾點(diǎn)分析：幾點(diǎn)分析： * 混頻器輸出相噪由相噪差的一路決定；混頻器輸出相噪

6、由相噪差的一路決定； * 兩輸入信號(hào)兩輸入信號(hào)(xnho)相噪相同時(shí)，輸出相噪惡化相噪相同時(shí)，輸出相噪惡化3dB； * 混頻是提高頻綜輸出頻率而不惡化相噪的重要手段?；祛l是提高頻綜輸出頻率而不惡化相噪的重要手段。兩個(gè)相參信號(hào)混頻后的相噪與相關(guān)系數(shù)有關(guān)，輸出相噪要優(yōu)于不相關(guān)信號(hào)混頻時(shí)的值* *第19頁(yè)/共47頁(yè)第二十頁(yè)，共48頁(yè)。三、倍頻器輸出三、倍頻器輸出(shch)的的相位噪聲相位噪聲分析圖12，理想(lxing)倍頻時(shí)：NfLfLmimlg200倍頻器件：倍頻器件： * 集成集成(j chn)倍頻器（有源、無(wú)源）倍頻器（有源、無(wú)源） * 分立元件：二、三極管、變?nèi)莨?、分立元件：二、三極管、

7、變?nèi)莨?、SRD；第20頁(yè)/共47頁(yè)第二十一頁(yè)，共48頁(yè)。四、分頻器輸出四、分頻器輸出(shch)的的相位噪聲相位噪聲 圖13示例： A整體倍頻(bi pn) B倍頻(bi pn)鏈中插入窄帶濾波(高Q) CPLL倍頻(bi pn)由圖14，理想理想分頻時(shí)： NfLfLmimlg200分頻器存在底噪（觸發(fā)相位噪聲），導(dǎo)致相噪的降低可能達(dá)不到上述值第21頁(yè)/共47頁(yè)第二十二頁(yè)，共48頁(yè)。圖十五 某集成(j chn)分頻器的底噪五、直接五、直接(zhji)頻率合成器頻率合成器舉例舉例功能：功能：5MHz參考源，輸出：參考源，輸出：4080MHz，1Hz步長(zhǎng)步長(zhǎng)缺點(diǎn)：設(shè)備缺點(diǎn)：設(shè)備(shbi)量極大量

8、極大如改用新技術(shù)如改用新技術(shù)DDS（1片）片）+單片機(jī)，設(shè)備單片機(jī)，設(shè)備(shbi)大大簡(jiǎn)化大大簡(jiǎn)化第22頁(yè)/共47頁(yè)第二十三頁(yè)，共48頁(yè)。 * *由由50MHz50MHz參考源產(chǎn)生參考源產(chǎn)生100kHz100kHz、300kHz300kHz、2MHz2MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz參考信號(hào)；參考信號(hào)； * *倍頻器組產(chǎn)生頻率倍頻器組產(chǎn)生頻率1.32.2MHz1.32.2MHz、步長(zhǎng)為、步長(zhǎng)為100kHz100kHz的的1010個(gè)頻點(diǎn)；個(gè)頻點(diǎn)； * *這些頻點(diǎn)經(jīng)開(kāi)關(guān)矩陣后在混頻鏈中經(jīng)過(guò)了這些頻點(diǎn)經(jīng)開(kāi)關(guān)矩陣后在混頻鏈中經(jīng)過(guò)了5 5個(gè)個(gè)1010分器后，變成為帶寬分器后，變成為帶寬1

9、71718MHz18MHz、步、步 長(zhǎng)長(zhǎng)1Hz1Hz的頻率，跳頻由開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)的頻率，跳頻由開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)(shxin)(shxin)； * *上述頻段再經(jīng)上述頻段再經(jīng)2MHz2MHz上混成為上混成為1920MHz1920MHz； * *用用1010個(gè)步長(zhǎng)為個(gè)步長(zhǎng)為1MHz1MHz的頻點(diǎn)與上述頻率混頻產(chǎn)生的頻點(diǎn)與上述頻率混頻產(chǎn)生160170MHz160170MHz的頻率的頻率( (帶寬帶寬10MHz10MHz，步長(zhǎng)，步長(zhǎng)1Hz)1Hz)； * *再用步長(zhǎng)為再用步長(zhǎng)為10MHz10MHz的的4 4個(gè)頻點(diǎn)與上述頻率下混成個(gè)頻點(diǎn)與上述頻率下混成4080MHz4080MHz，1Hz1Hz步長(zhǎng)的輸步長(zhǎng)的輸

10、出頻率。出頻率。第23頁(yè)/共47頁(yè)第二十四頁(yè)，共48頁(yè)。圖十七(sh q) 最基本的PLL頻率合成器方框圖 可編程分頻器工作頻率不夠高，使用前置分頻可提高輸出頻率可編程分頻器工作頻率不夠高，使用前置分頻可提高輸出頻率缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： * 單模前置分頻提高了輸出頻率，但使分辨率降低(分辨率為VfPD)； * 采用電壓輸出PFD，存在死區(qū)、且對(duì)LF要求高。PDRVVfNRfVNf 一、一、PLL頻率合成器基本原理頻率合成器基本原理 單模前置分頻單模前置分頻第24頁(yè)/共47頁(yè)第二十五頁(yè)，共48頁(yè)。圖十八 雙模分頻(fn pn)PLL頻率合成器框圖 PDPDVNffAPBf *分辨率: 仍為fPD， *常

11、用(chn yn)p/p+1：4/5，8/9，16/17，32/33，64/65 *單片F(xiàn)S IC已高達(dá)8GHz以上。 BA第25頁(yè)/共47頁(yè)第二十六頁(yè)，共48頁(yè)。圖十九(sh ji) 電荷泵輸出PFD示意圖第26頁(yè)/共47頁(yè)第二十七頁(yè)，共48頁(yè)。圖二十 電荷泵PLL頻綜相位(xingwi)模型典型(dinxng)環(huán)路濾波器：其中：21211CCCCRTc 222CRT 333CRT RRKfA 1圖二十一 三環(huán)路濾波器第27頁(yè)/共47頁(yè)第二十八頁(yè)，共48頁(yè)。 sIsVsZdc 環(huán)路(hun l)傳輸： 213112200111TTSTSTCNSSTkkkNsHsTAd 結(jié)論結(jié)論(jiln)：

12、采用電荷泵：采用電荷泵PD，無(wú)源，無(wú)源LF也使也使PLL成為成為4階二型階二型PLL。關(guān)于設(shè)計(jì)方法：關(guān)于設(shè)計(jì)方法：軟件： * ADI Sim PLL * NSC Easy PLL（在線設(shè)計(jì)） * PLL設(shè)計(jì)大師（賽英公司自主研發(fā)的軟件）設(shè)計(jì)大師（賽英公司自主研發(fā)的軟件）資料： * NSC AN 1001（極值相位余量設(shè)計(jì)法） * Dean Banerjee: NSC PLL performance, Simulation and Design 關(guān)于單片關(guān)于單片PLL FS的跳頻送數(shù)方式的跳頻送數(shù)方式 一般為三線（一般為三線（CLOCK，DATA，LE）串口送數(shù)）串口送數(shù)第28頁(yè)/共47頁(yè)第二十

13、九頁(yè)，共48頁(yè)。圖二十二 PLL頻綜輸出(shch)相噪示意圖PLL FS環(huán)路環(huán)路(hun l)帶寬內(nèi)的相噪：帶寬內(nèi)的相噪： NfHzPNfLPDmlg20lg10)1 ( 例：采用ADF4106， MHzfPD1 MHzfV1000 Hz/dBc)Hz(PN2191 其中其中fPD鑒相頻率N對(duì)fPD的倍頻值PN(1Hz)： 鑒相器的1Hz歸一化基底相噪則： Hz/dBclglgfLm99110002010102196 相噪差的VCO對(duì)環(huán)路帶寬內(nèi)相噪仍存在影響；. 環(huán)路帶寬以外的相噪主要由環(huán)路帶寬以外的相噪主要由VCO的相噪決定；的相噪決定；第29頁(yè)/共47頁(yè)第三十頁(yè)，共48頁(yè)。PDnf （I

14、N-PLL） 32 分分fc （FN-PLL） 六、采用電壓輸出六、采用電壓輸出(shch)型型PD的頻率合成器的頻率合成器無(wú)阻尼振蕩頻率無(wú)阻尼振蕩頻率(pnl) 110 Nkkn 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) 22 n )121( 一般取圖二十三理想二階PLL頻率合成器第30頁(yè)/共47頁(yè)第三十一頁(yè)，共48頁(yè)。公式公式(gngsh)： PDvfMkNf M模數(shù)模數(shù) ； 分子分子(fnz)取值：取值： ； MK0 步長(zhǎng)：步長(zhǎng)： MfPD原理原理：吞脈沖技術(shù)的變通應(yīng)用，變模值為N/N+1圖二十四第31頁(yè)/共47頁(yè)第三十二頁(yè)，共48頁(yè)。MfPD2 圖二十五 某FS-PLL-FS的分?jǐn)?shù)(fnsh)雜散實(shí)例*具有快

15、鎖功能的具有快鎖功能的FN-FS，可實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)(shxin)20s；*有各種減小分?jǐn)?shù)雜散的措施與專(zhuān)利，主要技術(shù)：有各種減小分?jǐn)?shù)雜散的措施與專(zhuān)利，主要技術(shù)：-調(diào)制；調(diào)制；*單片單片F(xiàn)N PLL FS 已可工作在已可工作在8GHz第32頁(yè)/共47頁(yè)第三十三頁(yè)，共48頁(yè)。圖二十六 DDS基本原理框圖(kungt)原理原理(yunl)：信號(hào)周期相位為2，每個(gè)時(shí)鐘相位累加一次；最小相位增量 N22 完成2相位（一周期）經(jīng)過(guò)的時(shí)鐘個(gè)數(shù)kknNN2222 FCW=k 時(shí)，每次累加相位增量Nk22 第33頁(yè)/共47頁(yè)第三十四頁(yè)，共48頁(yè)。cLkfnT10 輸出輸出(shch)頻率頻率 二、二、DDS的特點(diǎn)的

16、特點(diǎn)1、低相位噪聲、低相位噪聲 *DDS實(shí)為特殊小數(shù)分頻器；實(shí)為特殊小數(shù)分頻器； *近端相近端相(dun xin)噪由時(shí)鐘相噪決定，在噪由時(shí)鐘相噪決定，在DDS底噪之上還可因分頻而優(yōu)化；底噪之上還可因分頻而優(yōu)化； *DDS底噪可低達(dá)底噪可低達(dá)-150dBc/Hz，它決定了，它決定了DDS輸出的遠(yuǎn)端相輸出的遠(yuǎn)端相(dun xin)噪。噪。2、輸出頻率不高（、輸出頻率不高（Niquist準(zhǔn)則）工程上，準(zhǔn)則）工程上， ， 已高達(dá)數(shù)已高達(dá)數(shù)GHz；3、雜散復(fù)雜、雜散復(fù)雜 雜散指標(biāo)與輸出帶寬有關(guān)，可用分段濾波抑制雜散。雜散指標(biāo)與輸出帶寬有關(guān)，可用分段濾波抑制雜散。4、快跳頻，相位連續(xù)跳頻、快跳頻，相位連

17、續(xù)跳頻 全并口時(shí)，可小于全并口時(shí)，可小于100ns，控頻碼經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸入時(shí)，可達(dá)，控頻碼經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸入時(shí)，可達(dá)s量級(jí)。量級(jí)。kfnfTfNCLKCLK 2100cff4 . 00 cf分辯率：分辯率： NCLKf2第34頁(yè)/共47頁(yè)第三十五頁(yè)，共48頁(yè)。圖二十七 AD9858雜散與輸出(shch)帶寬的關(guān)系 Nfc0f使用使用(shyng)體會(huì)：體會(huì)： * 高雜散常出現(xiàn)在高雜散常出現(xiàn)在 附近附近越小于 fc*正確選取(xunq)輸出頻段，可減小雜散；*改變 fc， ，可有意外收獲；，雜散越??；*第35頁(yè)/共47頁(yè)第三十六頁(yè)，共48頁(yè)。圖二十八 整數(shù)分頻基本環(huán)頻率(pnl)合成框圖第36頁(yè)/共4

18、7頁(yè)第三十七頁(yè)，共48頁(yè)。圖二十九 分?jǐn)?shù)(fnsh)分頻基本環(huán)頻率合成器框圖 第37頁(yè)/共47頁(yè)第三十八頁(yè)，共48頁(yè)。（1）PLL內(nèi)下混頻(hn pn)圖三十(sn sh) PLL內(nèi)下混頻方框圖 *雜散輸出相對(duì)下面的方案較少，但需要VCO的頻率高，VCO指標(biāo)差些。 *要注意本振泄漏，產(chǎn)生雜散。第38頁(yè)/共47頁(yè)第三十九頁(yè)，共48頁(yè)。圖三十一 PLL環(huán)外上混頻(hn pn)方框圖* 因混頻器在因混頻器在PLL外，輸出雜散因而很多，要認(rèn)真分析外，輸出雜散因而很多，要認(rèn)真分析(fnx)，避免在帶內(nèi)出現(xiàn)；，避免在帶內(nèi)出現(xiàn)；* VCO頻率低，其相噪指標(biāo)較高，成本可能低些。頻率低，其相噪指標(biāo)較高，成本可能

19、低些。第39頁(yè)/共47頁(yè)第四十頁(yè)，共48頁(yè)。圖三十三 DDS+PLL常用(chn yn)方案 輸出(shch)： NfkfcN 20特點(diǎn)特點(diǎn)(tdin)：細(xì)步長(zhǎng)，跳頻時(shí)間長(zhǎng)，：細(xì)步長(zhǎng)，跳頻時(shí)間長(zhǎng)，DDS的輸出在的輸出在PLL帶內(nèi)雜散惡化帶內(nèi)雜散惡化N lg20 (2)PLL內(nèi)插DDS圖三十四PLL內(nèi)插DDS方案輸出： DDSPDffNf 0NN 特點(diǎn)：特點(diǎn)： * 細(xì)步長(zhǎng)，DDS輸出可為窄帶，雜散較小；為定值時(shí)，因跳頻步長(zhǎng)較小，可實(shí)現(xiàn)較快頻；變化可實(shí)現(xiàn)寬帶輸出N 4、DDS+PLL方案方案 (1)DDS作為PLL參考源*第40頁(yè)/共47頁(yè)第四十一頁(yè)，共48頁(yè)。輸出輸出(shch)： PDfKNf

20、20 特點(diǎn)特點(diǎn)(tdin)：細(xì)步長(zhǎng)，低相噪，但：細(xì)步長(zhǎng)，低相噪，但 圖三十五 作PLL的程序分頻方案maxmaxcoff 5、多、多PLL頻率合成頻率合成儀器中常用。例：HP8662A，7個(gè)PLL， Hz1 . 0/MHz1280kHz10 of第41頁(yè)/共47頁(yè)第四十二頁(yè)，共48頁(yè)。圖三十六 雙PLL方案(fng n)一輸出(shch)： MfNfNfPDAPDBo 特點(diǎn)：特點(diǎn)：細(xì)步長(zhǎng)，但倍頻值仍不大。例二：低位環(huán)用較小的例二：低位環(huán)用較小的fPD輸出：PDBBPDABofNfNf 二、點(diǎn)頻源二、點(diǎn)頻源 1、所有跳頻源均可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻源； 2、采用PLL方案時(shí)，用高Q VCOVCXO，CRO，DRO； 3、晶振倍頻/倍頻鏈圖三十六 雙PLL方案一第42頁(yè)/共47頁(yè)第四十三頁(yè)，共48頁(yè)。輸入(shr)參考：MHz10 Rf，TCXO；輸出(shch)頻率： MHz329031900 f步 長(zhǎng)： 1k Hz 相位噪聲： 95dBc/Hz10kHz dBdBm110 P1dB方案：方案： * 用AD42