（通信与信息系统专业论文）宽带频率综合器的研究与设计.pdf

- 北京邮i 【1 人学硕f ：研究生学位论文 独创性( 或创新性) 声明 i i l l lliillliu l l l l l l llit l l l l l tt l l l l t l l l l l l y 17 5 8 3 9 7 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：奎逡查： 日期： 沁| o t | b 关于论文使用授权的说明 学位论文本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：生：垒：! ：! ! 日期：一 ， 、 i l r 北京邮i 【1 人学硕十研究生学位论义摘要 宽带频率综合器的研究与实现 摘要 本文内容为作者在工业与信息化部电子信息产业发展基金项目 “宽带无线接入平台中高性能射频前端的开发”中所承担的工作。该 平台为满足目前移动通信市场多制式标准的测试需求而开发，射频前 端是其关键功能模块，决定了平台的精度与准确度。宽带频率综合器 是射频前端的重要组成部分，也是作者毕设期间的任务。在功能上， 它完成如下工作：接收外部同步源或者使用自带的参考源以锁相环方 式实现两路宽频本振信号输出，并分别作为收发信机的本振。由于需 要支持多种制式，要求该频综源具有较大的输出频率范围、优良的相 位噪声及杂散谐波性能，后者正是本文实现过程中的难点与重点。 作者在该项目中，参加了宽带频率综合器的研究、设计与实现， 包括从需求分析、概要设计、详细设计到原理图设计和p c b 板图设 计等硬件开发流程，实现了满足基本功能和性能需求的宽带频率综合 器；并通过反复设计调试达到了相位噪声与杂散谐波性能的总体较 优。 本文的主要内容如下： 一、说明通信测试仪表的发展现状与市场需求，并阐述了作者研 发宽带频率综合器的重要意义。 二、基于宽带频率综合器的设计需求，通过理论分析与计算选择 锁相环式频率综合器作为本模块的实现方式。然后对宽带频率综合器 的关键技术进行分析和研究，对电路各关键组成部分进行详细设计， 并通过仿真进行理论验证。 三、在理论设计的基础上，进行了综合器模块的具体实现，并给 出了部分测试结果。 四、对研究设计过程进行总结与展望。 关键词：频率综合器锁相环环路滤波器相位噪声 一 t 俨 北京邮电大学硕1 二研究生学位论文 摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g no nb r o a d b a n d r fs y n t h e s i z e r a b s t r a c t t h et h e s i sp r e s e n t st h ew o r ko ft h ep r o j e c to fh i g h p e r f o r m a n c er f f r o n t e n di nb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sp l a t f o r m t h ep r o j e c th a sa c q u i r e d t h es u p p o r to ft h e d e v e l o p m e n tf u n df o r e l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o n i n d u s t r yf r o mm i i t t h ep l a t f o r mi su s e dt ot e s td i f f e r e n ts t a n d a r d sf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n r ff r o n t e n di st h e k e y f u n c t i o nm o d u l e ， d e t e r m i n i n gt h ea c c u r a c ya n dp r e c i s i o no ft h ep l a t f o r m b r o a d b a n dr f s y n t h e s i z e ri s t h ep a r to fr ff r o n t e n d t h em o d u l eh a sf o l l o w i n g f u n c t i o n s ：g e n e r a t et w or fl o c a lo s c i l l a t o r sw h i c hf r e q u e n c yi sf r o m4 0 0 t o2 8 0 0m h z ，o n ei sf o ru pc o n v e r s i o n ，t h eo t h e rf o rd o w nc o n v e r s i o n t h es y n t h e s i z e rm o d u l em u s to u t p u ts i g n a l sw i t hb r o a df r e q u e n c yr a n g e ， g o o dp h a s e n o i s ep e r f o r m a n c e ，l o wl e v e ls p u r sa n dh a r m o n i c sf o r m e a s u r i n ga l lk i n d so ft e l e c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n t og e tg o o dp h a s e n o i s ep e r f o r m a n c e ，l o wl e v e ls p u r sa n dh a r m o n i c ss i m u l t a n e o u s l yi st h e d i f f i c u l t yo ft h ep r o j e c t t h et h e s i si si n v o l v e di nr e s e a r c ha n dd e s i g no fb r o a d b a n dr f s y n t h e s i z e r ，i n c l u d i n gr e q u i r e m e n ta n a l y z e ，g e n e r a ld e s i g n ，d e t a i l e d d e s i g n ，s c h e m a t i cd e s i g n ，p c bd e s i g na n dd e b u g g i n g ，a n ds oo n a tl a s t ， t h em o d u l eh a sg o o d p e r f o r m a n c e o v e r a l la n d t o t a l l y m e e tt h e r e q u i r e m e n t s n em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r eo r g a n i z e da sb e l o w ： 1 i n t r o d u c et h eo r i g i no ft h et a s ka n dt h em e a n i n go ft h er e s e a r c h 2 t h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo ft h eb r o a d b a n dr fs y n t h e s i z e ri s i n t r o d u c e d t h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n ，g e t t h e w i d e b a n dr fs y n t h e s i z e rr e q u i r e m e n t sa n dc h o o s ep h a s e l o c k e dl o o p s y n t h e s i z e ra st h em o d u l ei m p l e m e n t a t i o n k e yt e c h n o l o g i e si n c l u d i n g s e l e c t i o no fr e f e r e n c es o u r c e ，l o o pf i l t e rd e s i g n ，p o w e rc o n t r o l ，a n d h a r m o n i cc o n t r o ls e c t i o na r ea n a l y z e d d e t a i l e dd e s i g ni si m p l e m e n t e d 一 芒 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文摘要 a n ds i m u l a t i o ni sf i n i s h e dt ov a l i d a t et h ed e s i g n 3 a c c o m p l i s ht h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ep c bm o d u l e a n a l y z et h ep r o b l e m si nt h ep c bd e s i g na n dd e b u gt h ec i r c u i t a tl a s t ， t h es y n t h e s i z e rm o d u l er e a c h e st h ed e s i g ng o a l s 4 t h e e x p e r i e n c e i nt h e p r o g r e s s o fp r o j e c t d e v e l o p m e n t i s s u m m a r i z e da tt h ee n dp a r to ft h i st h e s i s k e yw o r d s ：r f s y n t h e s i z e r ，p l l ，l o o pf i l t e r ，p h a s en o i s e f r 北京i t l l _ ；d j , 人学硕i ：研究生学位论文h 录 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 目录 绪论1 选题背景及意义。1 本人的主要i ：作2 论文的结构和内容3 宽带频率综合器需求分析与总体设计。4 频率综合器的一般结构。4 小数锁相环原理6 宽带频率综合器需求分析1 1 2 3 1 输出频率范围及频率步进1 1 2 3 2 相位噪卢需求分析1 2 宽带频率综合器总体设计1 6 本章小结1 7 宽带频率综合器详细设计1 8 锁相环频率综合器设计1 8 3 1 。1 a d f 4 3 5 0 分析与设计1 8 3 1 2 环路滤波器设计2 1 3 1 3 电源没计2 9 3 1 4 程序设计3 1 3 2 参考源设计3 2 3 2 。l内部参考源设计3 2 3 2 2外部参考源设计3 4 3 3 滤波与功率控制没计；3 4 3 3 1 滤波器选择3 4 3 3 2 功率控制设计3 7 3 3 3 开关与数字控制电路3 8 3 4 本章小结3 8 第四章 宽带频率综合器模块实现4 0 4 1p c b 设计4 0 + 4 1 1 电路板叠层结构设计。j 。4 0 4 1 2 电路板布局设计以及屏蔽设计：。4 1 4 1 3传输线设计。4 2 4 2 测试工具与方法4 4 4 3 调试与测试结果4 4 4 3 1 环路滤波器电容对输出信号性能的影响。4 4 。4 3 2数字信号干扰对输出射频信号的影响4 6 4 3 3 相位噪声及谐波测量结果。4 7 4 4 本章小结。4 9 第五章总结与展望5 0 5 1 项目设计经验总结5 0 5 2 展望5 1 北京邮i u 人学硕i j 研究生学位论义 日录 参考文献5 2 致谢5 3 i i 北京邮i u 人学硕i ：研究生学位论文第一章 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 目前，移动通信业已成为通信行业中发展最为迅速的领域之一，通信市场规 模一方面正以较高的速度迅速扩大，另一方面以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 为代表的第三代移动通信系统已经大量部署。 移动通信系统的市场增长和系统演进极大的刺激了对通信测试仪器的需求。 用户要求进一步提高移动通信服务质量，使得移动通信业务运营商扩大了测试仪 器的投资。同时，业务运营商要求通信设备生产商提供可靠、高效的通信设备， 使得通信设备生产商也扩大了在通信测试仪器方面的投资。 通信测试仪器产品的特点是种类繁多、制式不同、专业性强、技术含量高， 市场前景非常广阔，竞争也异常激烈。移动通信测试设备一般针对以下四个方面 进行测试：一、基站的测试，包括接收机和发射机的测试；二、空中接口的测试。 主要包括同信道和邻信道的信号干扰测试；三、信令和协议规程的测试；四、用 户终端的测试。用户终端测试仪一般称为终端综合测试仪，其模拟相应的g s m 或3 g 网络，用于对用户终端进行测试，一般用于从简单的功能测试到维修，并 能以简单的方式进行手动和自动测量。 通信测试仪表由于技术含量高，难度大，所以市场主要由a g i l e n t ，t e k t r o n i x ， r & s ，a n r i t s u 等国外厂商占据。近年来，我国通信仪表行业有了长足的发展， 无论是在新产品的开发研制能力、产品科技含量和推广应用等方面，都取得了可 喜的成绩，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平达到国际2 0 世纪8 0 年代中 期水平，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，约1 5 的产品实 现了智能化，达到国际2 0 世纪9 0 年代的水平，3 0 的产品实现了数字化，达到 国际2 0 世纪8 0 年代末期水平。但由于目前我国通信仪表行业专门从事对行业发 展进行基础性、前瞻性、战略性及重大专项研究的力量薄弱而分散，导致我国通 信仪表行业整体技术水平不高。因此建立一批通信仪表工业科研和工程发展中 心，在未来5 至1 0 年内扶植发展一批通信仪表生产基地和大型企业对于通信仪 表的国产化至关重要。 、 由以上分析可以看出，随着3 g 等移动通信在中国的不断发展和应用，射频 测试仪表设备有着广阔的市场前景，在该领域进行自主开发具有很深远的现实意 义。在导师的指导下，作者参与国家工业与信息化部电子信息产业发展基金项目 一宽带无线接入平台中高性能射频前端的研发工作。该平台针对目前移动通信市 北京邮i b 人学侦i j 研究生学位论义 第一章 场存在多制式标准的测试需求而开发，其实现对带动相关移动通信产业的发展将 起到重要的作用。射频前端是该平台的关键功能模块，决定着测试平台的精度与 准确度。高精度的射频模块，无论是从理论上还是从实践上都存在较高的技术难 度。射频模块的实现需要多方面知识包括模拟电路理论、微波电磁场理论、通信 系统知识等，需要仔细深入的学习与研究。在此基础上成功的射频模块实现更需 要有丰富的实践设计经验、实际问题的分析与解决能力。 作者有幸在研究生阶段参与该项目的研发、设计、调试和项目管理工作，使 自己在理论和实践方面都得到了很大的提高，在各方面都得到了很好的锻炼，可 以说是受益匪浅。 1 2 本人的主要工作 作者所研究的内容是国家工业与信息化部电子信息产业发展基金项目一宽 带无线接入平台中高性能射频前端丌发的一个重要组成部分，该平台可用于 t d s c d m a & g s m 以及其它现有以及未来移动业务测试。 射频前端部分包括发射下行系统、接收上行系统、本振部分。针对下行系统， 由于要测试终端接收机参考灵敏度电平、功率控制能力，要求下行链路输出信号 的功率可调范围大，并要求达到一定的精度。此外作为测试平台，在误码率方面 要比终端有更高的要求。针对上行系统，要求接收上行链路有较大的动态范围， 对输入信号功率有精确的测量能力。 针对本振部分，要求有更高的频率精确度，更优良的相位噪声性能，更宽广 的输出频率范围，更低的谐波以及杂散信号，以上需求相互制衡，需要在总体与 细节上认真衡量，深入研究，才能达到最优性能。 作者在该项目中主要从事了以下工作： 1 对硬件测试平台中的宽带频率综合器进行了深入的理论研究与分析，并 集中对小数锁相环技术进行了理论分析与验证。 2 根据目前移动业务对测试平台的要求提出对宽带频率综合器的指标要求， 确定系统实现方式以及实现架构，完成模块的总体设计。 3 对宽带频率综合器中射频硬件板卡进行详细的硬件设计与实现。从输出 频率、输出功率、相位噪声、分辨率、杂散、谐波等指标出发，完成综合器射频 模块的原理设计；从局部与整体进行多方面考虑，对各指标进行权衡，以达到设 计需求。在考虑射频电路需求的基础上，完成p c b 设计，并使用正确的调试与 测试工具，对板卡进行调试，实现板卡的性能要求。 在整个项目工作中，作者不但提高了自己的独立钻研能力，加深了自身专业 知识，同时也为项目顺利完成做出贡献。 2 北京邮l 乜人学硕i ：f o r 究生学位论文 第一章 1 3 论文的结构和内容 本论文围绕宽带无线接入平台中高性能射频前端中频率综合器模块r f 单元 的设计研究与实现进行详细论述，论文的内容结构安排如下： 第一章“绪论 ，先对无线通信测试行业的发展现状与市场需求进行了分析， 然后叙述了作者在宽带无线接入平台高性能射频前端开发项目中的主要工作内 容。 第二章“宽带频率综合器总体设计和需求分析”，论述了宽带无线接入平台 中高性能射频前端对宽带频率综合器提出的需求以及综合器的总体设计框架。 第三章“宽带频率综合器详细设计 ，对宽带频率综合器r f 单元的关键技术 进行分析和研究，对参考源选择、环路滤波器设计、功率控制、谐波控制部分进 行详细设计，并通过仿真进行理论验证。 第四章“宽带频率综合器模块实现 ，在理论设计基础上，本章通过选取合 适的叠层结构、微带线设计进行综合器模块的实现，然后给出了模块的部分调测 结果。 第五章“总结与展望 ，先对项目实施中发现的问题进行分析，并提出相应 的改进意见；然后结合自己在研究生阶段的项目经验，对高频电路设计进行简要 的总结；最后进行自我总结，并提出自己的希望。 第六章“参考文献 ，详细列举了论文撰写过程中所有参考资料的相关信息。 第七章“致谢”，向在项目开发和论文撰写过程中提供无私帮助的老师和同 学们表示衷心的感谢。 3 北京邮i u 人学颂i ：御究生学位论义第一二章 第二章宽带频率综合器需求分析与总体设计 本章首先简要介绍了频率综合器技术发展现状；接着，通过分析与计算，确 定了针对目前移动通信市场需求的宽带无线接入平台中宽带频率综合器的设计 需求，在此基础上提出了本文所采用的设计方案。 2 1 频率综合器的一般结构 频率合成技术指将一个或多个高精度、高稳定度的参考频率源，经过各种技 术处理，生成大量离散的频率输出。这里的技术处理方法，可以是传统的用硬件 实现频率的加、减、乘、除基本运算，可以是锁相技术，也可以是各种数字技术 和计算技术，这罩的参考频率可由高稳定的参考振荡器( 一般为晶体振荡器) 产 生；所产生的一系列离散频率输出与参考振荡器频率有严格的比例关系，且具有 同样的准确度和稳定度。 频率合成技术是通信与信息系统领域的主要组成部分，它在无线电技术的各 个领域中都得到广泛应用。例如在通信、雷达、广播、电视及现代测量仪器仪表 中都有应用。随着现代电子科学技术的发展，频率资源同趋紧张，对信号的频率 稳定度和精度提出了更高的要求，一般振荡器难以满足这个要求。单一频率的晶 振( 即只能在一极小范围内微调频率) 的频率稳定度虽然比较好，其频率标准长期 稳定度一般可达1 0 e 9 天，相位噪声指标1 0 0 k h z 处可达到1 7 0 d b c h z ，但一般只 有5 m h z 、1 0 m h z 等固定标准的产品。然而，在实际应用中，往往需要一个很 宽的频率范围，为其提供各种不同的频点。 频率合成技术已经发展了近六十年的历史，如表2 - 1 所示，目前频率合成的 基本方法主要有直接模拟式、锁相式、直接数字式和混合式四种。 表2 - 1 频率合成器基本分类 频率合成直接合成直接模拟频率合成混频器、倍频器、分频器 直接数字频率合成数控振荡器+ 数模转换器 间接合成锁相式频率合成整数分频器 小数分频器 混合合成直接合成与间接合成组合 d d s + p l l 直接模拟频率合b - 茈( d i r e c ta n a l o gf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 是最早的频率合成方 法，它是使基准信号通过脉冲形成电路来产生丰富谐波的窄脉冲，然后利用混频 器、倍频器、分频器和带通滤波器完成加、减、乘、除等数学运算，从而实现频 率合成。 4 北京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文第二章 直接频率合成能实现快速频率变换、几乎任意高的频率分辨率、低相位噪声 以及所有方法中最高的输出频率。但是直接频率合成要比其它合成方法使用更多 的硬件设备( 振荡器、混频器、带通滤波器等) ，因而体积大、造价高；而且输出 的杂波、噪声及寄生频率都难以抑制。这是由于带通滤波器无法将混频器产生的 无用频率分量滤除干净所造成的。频率范围越宽，寄生分量也就越多。这是直接 频率合成的一个致命缺点，足以抵消以上所有的优点。 锁相式频率合成( p h a s e 1 0 c k e dl o o p 仃e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 是应用锁相环路的 频率合成方法，也称为间接式频率合成。如图2 所示 鉴桐器卜叫环路滤波器卜叫压控振荡器f jl f d n 图2 - 1 锁相频率合成的基本框图 这种频率合成器采用了数字控制的部件，压控振荡器的输出信号在与基准信 号进行相位比较之前先进行n 分频，压控振荡器的输出频率由分频比n 来决定， 当环路锁定时，压控振荡器的输出频率与基准频率的关系是f o u t = f r * n ，其输出 频率是基准频率的整数倍。这样，环路中带有可变分频器的p l l 就提供了一种 从单个参考频率获得大量频率的方法，通过控制分频比n 可以按增量f r 改变输 出频率。这种频率合成法的主要优点是锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，具 有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制输入信号的寄生干扰能力，节省了大量滤波 器，有利于集成化、小型化。另外有很好的长期稳定性，从而使数字式频率合成 器有高质量的信号输出。然而，这种方法也存在一些问题，以至于难于满足合成 器多方面的要求。问题之一是，可编程分频器的最高工作频率往往比合成器所需 的工作频率要低许多，像图2 - 1 那样将v c o 输出直接加到可编程分频器是不行 的。解决这个问题可采用前置分频器、多模分频器以及下变频等多种方法。问题 之二是，从以上介绍可知输出频率以增量f r 变化，即分辨率等于f r 。然而，这 与转换时间短的要求是矛盾的。转换时间的精确公式还难以导出，对于图2 的基 本框图，忽略v c o 的相位噪声等因素，且不考虑具体的设计原则如1 ) 相噪最 优2 ) 频率捷变最优3 ) 杂波最优，在工程上一般可采用经验公式： t s = 2 5 f r 式( 2 - 1 ) 即转换时间大约需要2 5 个参考信号周期，所以分辨率与转换时间成反比。 为了提高频率分辨率，参考频率f r 要低。但是，从p l l 性能分析中可知道，为 5 北京邮l u 人学坝i ：研究生学位论文 第一二章 了减小环路的暂态时间以及过滤v c o 的噪声都需要f r 大，这两者是矛盾的。为 解决频率分辨率与快速转换频率之间的矛盾，可采用后面章节介绍的小数分频方 i 一一一一一一一一一1 - l 一l 一一一一一一i 千 直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 的实现结构如图2 一所示。它的两 个主要部件是数控振荡器n c 0 ( n u m e r i c a l i yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 币1 1 数模变换器 d a c ( d i g i t a l t o - a n a l o gc o n v e r t e r ) 。完成直接数字频率合成的方法，可以采用计算 机求解一个数字递推关系式，或者是查阅表格上所存储的讵弦波值。目前用的较 多的是查表法。这种合成器体积小、功耗低，并且几乎是实时地以连续相位转换 频率，给出非常高的频率分辨力。 直接数字频率合成是一种新的频率合成技术。由干其在频率分辨率、频率切 换速度等方面的优势，正受到f 1 益广泛的重视。但是其寄生输出较难抑制，一直 是d d s 研究的热点和难点。数字信号处理过程中，由于有限字长效应会引入一 些量化噪声信号，是直接数字频率合成器的一个主要寄生信号源。由于有限字长 效应引起的噪声包括相位量化噪声和幅值量化噪声。特别是相位量化噪声最终在 合成器输出端形成寄生调制信号叠加在输出频谱上，有些谱线与输出频率谱线很 接近而极难滤除。 混合式也是一种典型的频率合成器，其中d d s 与p l l 频率合成器混合应用 最广泛，基本原理就是用d d s 的输出作为p l l 的参考输入，来解决频率分辨率 和捷变速度之间的矛盾。但其主要缺点是p l l 可以看作倍频器，d d s 的杂波可 能会比较大，影响到系统性能。1 1 2 2 小数锁相环原理 整数锁相环输出信号频率的最小步长是参考信号的频率f r 。当需要的最小 步长较小时，需要减小f r ，环路滤波器的带宽也要跟着缩小，这样就增大了系 统锁定时间，减小了锁相环系统设计的灵活性。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 在系统锁定时，假设鉴相器输入端信号的相位误差是，那么v c o 输出信 号的频率和设计值存在n 倍的相位误差。在f r 较小，需要信号的频率又较大 时，整数分频器的分频数n 会很大，造成锁相环系统的输出信号不可用。 在采用小数分频器( f r a c t i o n a l nd i v i d e r ) 的锁相环系统中，参考信号频率 f r 可以比较高，这样不仅解决了以上两个问题，还能得到很小的输出信号频率 分辨率。在高性能的f r a c t i o n a l - np l l 中，锁相环输出信号的频率分辨率可以达 到1 0 h z 以下。 分数频率综合器中含有分数杂散。除非分数杂散被抑制，分数频率综合方法 没有任何实用价值，因而必须提供附加的电路来抑制分数杂散。不同的附加电路 对应着不同的结构。表2 2 列出了各种不同结构的特点及其存在的问题。吻 表2 2 分数分频器补偿方式 结构特点问题 d a c 估计 使用d a c 抵消杂散模拟失配，带宽受限 随机抖动 随机化分频器分频化频率抖动 相位插补本质上分数分频多相分频器 z - 调制调制分频比，噪声成形高频量化噪声 z 一调制技术是分数锁相环使用的普遍技术，这种技术是一种数字信号处理 方法，可以改变信号中噪声信号功率的分布，从而达到噪声成形( n o i s es h a p i n g ) 的目的。再配合相应的滤波器，滤除噪声，达到提高信噪比的功能。【3 】 、 图2 - 3 小数锁相环基本框图 分数锁相环是通过调节不同的整数分频比，在一段时间之内进行平均，产生 分数分频的效果。首先按照需求固定分数分频的控制字k ，每经过一个参考信号 的周期，相位误差累加k ，当相位误差大于分频数分母的值时，相位误差减去分 频数分母的值，同时z 模块发出溢出信号去控制分频器变换分频比例。分频数 分母的值是和分频数间隔相对应的。 7 北京邮电人学硕十研究生学位论文 第二章 图2 - 41 0 2 倍分频的累计误差 例如，在参考信号频率1o m h z ，设计得到频率10 2 m h z 信号的分数锁相环 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 从图2 5 中可以得到v ( z ) _ u + e ( z ) ( 1 - z 1 ) ，其中u 表示分数的分子，是需要 的信号，是固定不变的常数，在确定分数分频数值的时候已经确定，e ( z ) 是量化 误差，它和u 存在一定的关系，并且一般是周期变化的。另外，从式子中可以 得到，信号传递函数s t f ( z ) 是1 ，噪声传递函数是n t z ( z ) = i - z 。 综合上面的分析可以得出，f o u t ( z ) = f r e fx ( n + u + e ( z ) ( 1 - z d ) ) ，其中的 f r c f e ( z ) ( 1 z 1 ) 是噪声信号，需要通过环路滤波器来滤除。e ( z ) 是和u 以及量 化器的性质有关的变量，统计特性和白噪声类似。就某一个确定的量化器和u 而言e ( z ) 是有确定统计特性的，不能做白噪声处理，但是这种情况下，对e 0 ) 的 分析也就是无用的。所以，在分析中把e 当作白噪声处理，重点分析n t f ( z ) 。 z c r f ( z ) 的频域特性如图2 6 所示。 5 1 一阶8 d m 的n t f 图2 - 6 一阶z - 调制的n t f 频谱 可以看到一阶l 6 调制的n t f 在低频段幅度较小，特别值得注意的是在零频 点的幅度也是零。在高频段的幅度值大于1 。这说明l 6 调制系统降低了低频段 。的噪声功率，抬高了高频段噪声的功率，即所说的噪声成形( n o i s e s h a p i n g ) 功能。在分数锁相环系统中，由于存在低通型的环路滤波器可以滤除噪声干扰， 所以e - a 调制模块在分数分频器中得到广泛应用。 二调制从实现架构上可以分为m a s h 类型和单环( s i n g l e - l o o p ) 类型，阶 数上有一阶、二阶、三阶以及高阶。m a s h 类型的z - a 调制结构清晰，理论分析 容易，但是会用到较多的数字逻辑资源，所以在实际设计中多使用单环类型的m 调制。 一种二阶单环z - a 调制系统的框图如图2 7 所示。嘲 9 北京邮电人学硕上研究生学位论文第二章 图2 7 二阶t - a 调制框图 三阶z 厶调制也有多种类型，如果n t f = ( 1 一z - 1 ) 3 ，那么这种类型的调制 是标准型，否则是非标准的z 厶调制。 在分数锁相环中，三阶以上o 调制应用极少，因为它会导致其他的问题： 首先，大于3 阶的调制器的噪声无法通过有限的滤波器阶数来抑制，且高阶 环路稳定性不容易保证；其次，7 _ - a 调制器输出范围随着阶数的增加而增加，大 的z - 调制器输出范围意味着分频器输出相位漂移更大，这将使得多模分频器， 鉴相鉴频器和电荷泵设计更加复杂；最后，因为非线性通常导致过量的带内噪声， 模块的线性度要求限制了频率综合器最高的阶数。 鎏 k i - - - z s d m f l 9n t f 对b 匕 图2 - 8 三种阶次t _ - a 调制n t f 频谱的对比 重点考察一阶、二阶和三阶z - 调制的n t f 特性。通常情况下，一阶z - 调 制系统的n t f _ 1 z ，二阶t - a 调制系统的n t f = ( 1 - z 。1 ) 2 ，三阶z 6 调制系统的 n t f = ( 1 z 。1 ) 3 。图2 8 对比了三个阶次z - 厶调制的n t f 幅度谱。从中可以看到在 低频段三阶调制系统的性能要好于二阶t - a 调制系统，二阶z 调制系统的性 能要好于一阶t - a 调制系统。 1 0 北京邮电人学硕一l j 研究生学位论文 第二章 2 3 宽带频率综合器需求分析 移动通信业成为通信行业中发展最为迅速的领域，技术和技术标准变化很 快，因此，用户要求测试仪器生产商研制的仪器能随着技术的更新而不断升级。 用户需要的仪器是通过增加一些硬件模块和软件，就能满足新的测试要求。 目前移动通信市场一段时间内，将会2 g 与3 g 制式共存，并存在其他的无 线通信应用需求，因此需要设计研发针对多制式的宽带测试平台。为此要求频率 综合器输出频率范围能够兼容目前可预见的多种无线应用业务。 宽度无线接入平台架构见图2 9 。 总线 图2 - 9 射频测试硬件架构 图中高稳时钟以及载波发生器即本文要实现的宽带频率综合器。在接口上有 一个外部参考源输入端口，有一个向外输出参考源的端口，有两个射频端口，一 个提供给发射机，用于上变频信号调制；一个提供给接收机，下变频。高稳时钟 模块输出带温漂补偿的10 m h z 基准时钟，以及为射频接收模块、射频发送模块 提供调制、解调用的高频频率源。 2 3 1输出频率范围及频率步进 首先应针对目前中国移动通信市场主要的技术标准及相关频段进行考察，制 定合适的频率综合器输出频率范围。各制式频段统计见表2 - 3 。 表2 - 3 各通信业务中国区应用频段 c m m bg s mt d s c d m aw c d m al 甩 频段大于9 0 0 z 1 8 8 0 一1 9 2 0 m h z2 1 0 0 m z 预期 4 7 4 z1 8 0 0 m z2 0 1 0 2 0 2 5 瑚z2 5 0 0 2 6 9 0 m h z 根据表2 3 ，将频率综合器频率范围制定为：4 0 0 m h z 2 8 0 0 m h z ，以兼容多 北京邮i u 人学烦i ：研究生学位论文第- 二章 种通信业务的测试。 在输出频率确定后，根据现在的技术水平，确定频率步进为1m h z 。针对某 些应用频点不能由频率综合器输出直接进行调制得到，可以采用数字域中频调制 的方式，先进行数字域调制，再进行上变频。 2 3 2相位噪声需求分析 发射时钟用于发射机信号变频调制，发射时钟的相噪性能影响发射机调制信 号的调制质量。t d s c d m a 综测仪校准规范规定：t d s c d m a 数字信号发生单 元输出信号t d s c d m a 均方根误差矢量幅度( e v m ) = 2 5 。数字信号发生单元 中影响e v m 的因素包括：输入i q 信号幅度不平衡、正交调制器移相误差、载 波泄露、通道幅度不平衡性、通道相位失真、本振相位噪声以及非线性失真等。 在此取本振时钟相位噪声对e v m 的贡献为1 5 。通过此要求，来获得本振相位 噪声的要求。 2 3 - 2 1 1 相位噪声、e v m 、时钟抖动定义 先给出相位噪声的定义。相位噪声谱l ( 0 定义为频率f 处的s a y ) 值与时钟 频率l 处的( ，) 值之差，以d b 表示。图2 - 1 0 说明了u f ) 的定义。忉 s 图2 - 1 0 相位噪声谱的定义川 相位噪声谱l ( 0 的数学定义为：l ( y 一厂c ) 一1 0 1 0 9 s 。( 厂) s 。( ，c ) 】 i nd b c e v m 指标通常用来描述发射信号的调制精度。t d s c d m a 和宽带c d m a ( w c d m a ) 标准都用这个指标表征发射信号的质量。众所周知接收机的b e r 指标通常用来描述信噪比的性能。 e v m 是一个幅值量，表示为一个百分比，但是每个测量点上的相位和幅值 误差都是要测量的。很多信号都要测量e v m 。因此实际上它通常指的是r m s 或者峰值e v m 。 r m se v m 定义为平均误差矢量功率与平均基准功率的比值的平方根。峰值 e v m 是在测量区间内出现的最大e v m 。 时钟信号周期抖动j 唧是实测周期和理想周期之间的时间差。由于具有随机 1 2 北京邮l 乜人学硕l ：研究生学位论文第_ 二章 分布的特点，可以用峰峰值或均方根值( r m s ) 描述。首先定义门限为的时钟 上升沿位于时域的o ) ，其中n 是一个时域系数，如图2 1 1 所示。 j p 职可以表示为：，p 职；( 1 ) 一瓦 其中瓦是理想时钟周期。由于时钟频率固定，随机抖动，咖的均值应该为零， j 脚的r m s 可以表示为：r m sj 珊t 。从图2 - 1 1 时钟波形可以看 出j p e r 和t e e s 之间的关系。 7 1 t r i g g e rp o i n t t p e r ( 1 ) 图2 1 1 周期抖动【7 】 2 3 2 2 相位噪声、时钟抖动与e v m 的关系 测量相位噪声的装置需要将主信号f c 的谱能量滤掉。这一方法类似于将通 带信号解调到基带。图2 1 2 为一个实际的相位噪声测量装置，以及不同位置的 频谱变换。 w a v e 一乞 图2 - 1 2 噪声谱测量 7 1 通过傅立叶级数，可以看出时钟方波信号与其基频正弦波信号的抖动特性基 本相同。一个具有相位噪声的正弦波时钟信号可以描述为： c o ) a s i n ( 2 班t + 口o ) ) 一a s i n ( 2 矾( t + o ( t ) 2 n f 。t ) ) 式 ( 2 2 ) 而周期抖动可表示为：，p 职一o ( t ) 城，可以看出正弦波经过了相位噪声t ( t ) 调相。由于相位噪声比p 2 小很多，c ( t ) 的频谱可以表示为：、 足( ，) 一了a 2 【6 ( ，一，c ) + 6 ( 厂+ ，c ) 】+ 等【& ( ，一厂c ) + & ( 厂+ 厂c ) 】 式 1 3 北京邮i u 人学颂l ：f ! j f = 究生学位论义 第二章 其中& ( ，) 是0 ( t ) 的频域表示。根据u f ) 的定义，可以得到： ( 2 3 ) l ( f l ) = l o l o g s 。( ) s 。( ，c ) 】= l o l o g s 。( ，一，c ) 】 式( 2 4 ) 可以看出u f ) 是以d b 表示的& ( 厂) 。这实际上也揭示了u f ) 的真正含义。 通过图2 1 2 所示装置可以测量l ( o ，c ( t ) 与c o s ( 2 p f c t ) 混频后经过低通滤波 器滤波，然后输入频谱仪，输入频谱仪的信号n ( t ) 可以表示为： ，l ( f ) za o ( t ) 2式( 2 - 5 ) 可以推导出t ( t ) 的均方值( r m s ) ： a = 2 j r & ( f ) d f = 2 ，f - 月昙t s ( f ) d f5 叮1 0 圳。 式( 2 - 6 ) 最终可推导出了周期抖动j 舰和相位噪声谱u f ) 之间的关系： r m st ，脲；壶而；去 式