（通信与信息系统专业论文）高频段低相位噪声锁相频率源的研究.pdf

硕士论文 高频段低相位噪声锁相频率源的研究 摘要 本文应用锁相环技术对k u 波段频率源进行了研究，主要工作分为以下几部分。首 先，介绍了频率合成技术的研究背景、分类方式以及发展概况；其次，对锁相环基本原 理进行了研究，对其各组成部件基本工作原理作了分析；第三，提出k u 波段，1 5 2 g h z 频率源设计方案，对各基本部件所使用器件作了选择，鉴相器使用了噪声基底很低的 h m c 4 4 0 ，v c o 使用了带分频输出的h m c 6 3 2 ，四分频器使用了噪声基底低的h m c 4 9 3 ，并大 概对各器件进行了介绍；第四，对整个频率源进行系统仿真，得出仿真的相位噪声；最 后，介绍了频率源的硬件设计，并进行了测试，测试结果为：输出功率为6 3 3 d b m ，相 位噪声为一8 7 5 1 d b c h z l o k h z 和- 9 0 1 d b c h z 1 0 0 k h z ，基本达到了技术指标。 关键词：k u 波段，锁相环，频率源，相位噪声 a b s t r a c t硕十论文 a b s t r a c t k u - b a n dp l lf r e q u e n c ys o u r c ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r ki sd i v i d e di n t ot h e f o l l o w i n gs e c t i o n s f i r s t ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，c l a s s i f i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to v e r v i e w o ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i si si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fp l li ss t u d i e d ，t h e c o n s t i t u e n tp a r t so fi t sb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l ei s a n a l y z e d n e x t ，ak u b a n d ，15 2g h z f r e q u e n c ys o u r c ed e s i g np l a ni sp r o p o s e d ，t h eb a s i cc o m p o n e n t so ft h ed e v i c eu s e da r ec h o s e n ， s u c ha sl o wn o i s ef l o o rp h a s ed e t e c t o rh m c 4 4 0 ，v c oh m c 6 3 2 ，l o wn o i s ef l o o r4d i v i d e r h m c 4 9 3 ，a n dt h e s ed e v i c e sa r ep r o b a b l yi n t r o d u c e d n e x t ，t h ef r e q u e n c ys o u r c ei ss i m u l a t e d a n dt h es i m u l a t i o no fp h a s en o i s ei sg i v e n f i n a l l y , t h ed e s i g no ft h ef r e q u e n c ys o u r c ei s i n t r o d u c e d ，a n dt e s tr e s u l t sa r eg i v e n ，o u t p u tp o w e r ：6 3 3 d b m ，p h a s en o i s e ：一8 7 51d b c h z 10 k h za n d 一9 0 1d b c h z 1 0 0 k h z ，b a s i c a l l ym e e tt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d s ：k u b a n d ，p h a s e l o c k e dl o o p ，f r e q u e n c ys o u r c e ，p h a s en o i s e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：壑丕2 。口年易月2 午日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕上论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 1 绪论 1 1 研究背景 在现代电子技术中，无线通信、数字电视、卫星定位、航空航天和遥控遥测技术正 在飞速发展，其对频率源的频率准确性和稳定度的要求越来越高，一般的振荡器已经无 法满足人们的需要。晶体振荡器频率短期稳定度较高，但它的振荡频率是单一的，且只 能在很小的范围内对频率作微调，无法满足当今许多电子设备对多个离散频率的要求。 现在高性能无线通信设备大都需要在宽频带内产生与晶振有着同样的高稳定性和准确度 的多点频率，这就需要频率合成技术来实现。所谓频率合成，就是由一个或几个低相噪、 高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理， 等同于进行数学意义上的加、乘、乘、除等四则运算。最终产生大量具有同样精确度和 稳定度的频率源i l4 。 频率合成技术起源于二十世纪三十年代，至今已有近八十年的历史。频率合成器是 电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着现代军事、国防及无线通信事 业的发展，移动通信、雷达、武器制导、电子测量仪器和电子对抗等电子系统对频率合 成器提出了越来越高的要求。世界各国都非常重视频率合成器的研制与应用，低相位躁 声、高频率纯度、高速捷变频率和高输出频段的频率合成器，已经成为频率合成发展的 主要趋势。 1 2 频率合成方式的分类 实现频率合成的技术主要有三种：直接频率合成、直接数字合成以及间接频率合成。 1 2 1 直接频率合成( d i r e c ts y n t h e s i s ) 这是频率合成器最早使用的频率合成技术。它通过谐波发生器、滤波器、倍频器、 分频器和混频器等器件组合，由一个或多个参考频率来合成某个特定的频率。直接频率 合成法的优点是所得频率分辨率高，相位噪声低，并且频率转换快，其缺点是体积大、 成本高、杂波抑制差，如何抑制杂波以及组合频率也是设计直接频率合成器首要关注的 问题。因此，几乎在所有应用场合，均被采用锁相技术的间接频率合成方法所替代i l j 。 随着科技的发展，尤其是声表面波( s a w ) 滤波器的弧线，使直接频率合成的调试 难度大大降低，国外提出了一种累加式d s ，这种方法的特点是，改变了过去d s 使用大 量参考频率和带宽均不相同滤波器及种类繁多的混频器的方法，而用相同的模块级联得 到一定的频率覆盖和频率步进，从而使工程的实现变得简单。但缺点也很明显，频率覆 1 l 绪论硕上论文 盖和频率步进受级联级数的限制，杂散和假信号难以抑制。 1 2 2 直接数字合成( d i r e rd i g i t a ls y n t h e s i s ) 直接数字合成是一种基于波形存储的纯数字频率合成技术。其工作原理是：先将已 经数字化的正弦波( 或三角波、方波) 信号的幅度值数据存储在波形存储器r o m 或r a m 中，然后在标准时钟的作用下，通过控制电路按照一定的地址关系从r o m 中读出相应的 数据，进行d a 转换，再通过低通滤波器，滤除d a 转换后的阶梯状的小台阶和数字电 路产生的毛刺，从而获得所需频率的模拟正弦信号1 3 j 。 d d s 的优点是转换时间快、相位噪声好，但缺点很明显，即输出信号频率较低，这 主要是受d d s 工作时钟频率限制，其理论值仅为d d s 参考时钟频率的一半以下，并且实 际中根本无法达到。另外，d d s 输出杂散抑制差，这是限制d d s 技术发展的重要因素。 当采用倍频提高其频率时又会使杂散恶化，难以满足指标要求。 1 2 3 间接频率合成( i n d i r e c ts y n t h e s i s ) 间接频率合成是利用锁相技术来产生所需要的频率，故也称为锁相频率合成器，是 第二代频率合成技术。它一般是由一个参考源、受控源和控制回路组成一个反馈系统来 实现。即用一个频率源产生参考频率，然后用锁相环控制回路，把压控振荡器( 受控源) 的频率锁定在某一个输出频率上，由压控振荡器间接产生出所需要的频率。数字鉴相器、 分频器、环路滤波器加上压控振荡器的混合锁相环是目i j 最普遍的p l l 组合方式，同时 也是目前应用最广的一种频率合成方法，也是本文研究的重点【4 j 。 环路中带有可变分频器的锁相环就提供了一种从单个参考频率获得大量频率的方 法。环路中的分频器用可编程分频器来实现，就可以通过改变分频器的分频比改变输出 频率。 锁相环频率合成法相对于直接频率合成法而言，电路结构简单、价格低廉，避免使 用大量滤波器，易于实现高度集成，因此锁相坏时钟发生器占据了工业上的主流地位。 另外，锁相环频率合成器也有d d s 难以达到的优点，即良好的杂散抑制，输出频率相对 较高。 1 3 锁相频率合成技术的发展概况 国外对锁相坏理论的研究起步较早，锁相原理的数学理论早在3 0 年代无线电技术 发展的初期就已出现。1 9 3 0 年建立了同步控制理论的基础。1 9 3 2 年法国的贝尔赛什 ( b e l l e s c i z e ) 发表论文，提出采用p l l 电路作为新的无线接收方式替代超外差方式。但 是，当时不使用p l l 术语，而称为s y n c h r o d y n e ( 同步接收机) 。b e l l e s c i z e 提出的同 步接收机如图1 1 所示，它是内部振荡器与接收的电波信号同步振荡，为此，原理上内 2 硕上论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 部振荡器不会产生频率漂移，电路构成也比较简单。可惜当时同步接收机没有实用化。 天线 图1 1 最初发明的同步接收机 到了2 0 世纪4 0 年代末，电视机实用化了，电视机的垂直与水平同步电路广泛采用 p l l 电路，使电路图像的同步性能得到了很大改善。然而，当时还没有称之为p l l 电路， 而是根据其功能称为a f c ( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ，自动频率控制) 。进入5 0 年代，随着空间技术的发展，杰斐( j a f f e ) 和里希廷( r e c h t i n ) 利用锁相环路作为导弹信 标的跟踪滤波器获得成功，第一次发表了包含噪声效应的锁相环路线性理论分析的文 章，解决了锁相环路最佳化设计问题。在6 0 年代，维特比( v i t e r b i ) 研究了无噪声p l l 的非线性理论问题，并发表了相干通信原理的论文。到7 0 年代，林特塞( l i n d s o y ) 和查 利斯( c h a r l e s ) 在做了大量实验的基础上进行了有噪声的一阶、二阶及高阶锁相环路的 非线性理论分析l l 引。 直到目前，各国学者仍在对锁相理论和应用进行着广泛而深入的研究。早期的p l l 技术复杂，生产成本较高，故应用领域主要是在航天、精密测量仪器等方面。2 0 世纪 7 0 年代之后，随着集成电路的发展，开始出现集成的环路器件、通用和专用集成单片 p l l ，使锁相环逐渐成为了一个低成本、使用方便的多功能器件，使它在更加广泛的领 域罩获得了应用。如今，p l l 主要应用在调制解调、彩色电视机色副载波提取、雷达、 移动通讯基站、f m 立体声解码等各个领域。随着数字技术的发展，还出现了各种数字 p l l ，它们在数字通信中的载波同步、位同步、相干解调等方面起着重要的作用。 近年来，随着大规模集成电路技术及高速数字电路技术的快速发展，很多国外公司 推出了性能优良的p l l 频率合成器。典型的有：a d 公司的a d f 4 1 0 8 ，最大射频输出频率 范围高达8 g h z ，归一化相位噪声为一2 1 9 d b c h z ，最大参考输入频率为2 5 0 m h z 。h i t t i t e 公司的h m c 6 9 8 l p 5 ，最大射频输出频率范围7 g h z ，归一化相位噪声为一2 3 3 d b c h z ，最大 参考输入频率为1 3 0 0 m h z 。n s 公司的l m x 2 5 4 1 系列，最大射频输出频率范围4 g h z ，归一 化相位噪声为- 2 2 5 d b c h z ，最大参考输入频率为1 0 4 m h z 。相比之下，国内少有企业掌握 高性能p l l 技术，产品也很少见。目前锁相环的设计关键集中在高速低电压低噪声方面， 3 坝f 论立 而这些核心技术一般掌握在国外几家大公司手中，因此无论从园防还是商j j 方面考虑， 提高国内i c 设计水平很有必要。随着国家对i c 产业的重视，以及国内i cr 艺水平的 提高，相信在不久的将来我国一定会制造出拥有自主知识产权的高性能“中国芯”。 本论文选用的核心芯片为h m c 4 4 0 ，它集成了1 0 3 0 0 m h z 的数字鉴频鉴相器和1 0 2 8 0 0 m h z 的5 值町编程分频器( 分频比为2 3 2 ) ，归化相位噪声根低，为一2 3 3 d b c h z 外接v c o 以及环路滤波器就可以构成频牢源，此外h i tr i t e 公司还在网站上提供了锁相 环仿真软件，减少了设计的工作量。 总之，频率合成技术经历了几十年的发展至今，第一代频率合成技术l 相干硬件繁琐、 体积大、成奉高已经逐步退出舞台，以数字锁相环为核心的锁相频率合成技术成为电子 工程师设计频率合成器的热门选择。 1 4 锁相环频率合成器的性能对通信系统的影响 频率合成器的性能主要有相何噪卢、参考朵散和锁定时日j 典型的无线接收设缶如下图l2 所示： 幽12 典玳的无线接收设备 在上幽中，天线接收一些矸：同的频道，每个频道对应唯一的频率。接收端第一个锁 相环( p l l ) 输山信号经过渊谐进入混频器，棍频器输出信号频率为定值。由于信号为 确定值，并且频率变低，其后的滤波其处理比较容易。第二个锁相坏用柬滤除信号中的 无用信息。 相位噪卢表示出锁相环产生的的噪声。它会增加误比特率，降低系统的信噪比。相 位噪声2o 信号混频后j “生不必要的噪声。参考杂散是不必要的噪声边带，它发生在偏移 量是频道川隔整数倍的频偏上，经过混频器转化为巾频信号频率，淹没并且降低r 重要 硕士论文 高频段低相位噪声锁相频率源的研究 的信号性能。锁定时间指锁相环转换频率需要的时间，和可接收的频率范围变化大小以 及可接受误差频率大小有关。由于p l l 转换频率时不能传输数据，所以p l l 的锁定时问 要足够快。 1 5 论文的主要研究工作 ( 1 ) 讨论了锁相环的原理及基本结构，对其各个组成部分进行了分析； ( 2 ) 阐述了锁相环的数学模型，研究了滤波器的设计、噪声性能以及环路带宽的选 取； ( 3 ) 研究了1 5 2 0 h z 频率源的设计方案，对各部分所使用器件进行了选择，并对各 器件进行了介绍； ( 4 ) 使用h i t t i t e 提供的仿真程序对频率源进行了仿真，得出仿真的相位噪声； ( 5 ) 给出锁相频率源硬件电路的实现过程，使用频谱仪对硬件进行了测试，并对测 试结果进行了分析。 5 2 锁相环原理及分析硕 ：论文 2 锁相环原理及分析 锁相环( p l l ) 技术发展到今天已经成为了一门系统的理论科学。p l l 作为自动相位 控制电路，实现它的集成电路芯片依赖于对信号系统、控制理论、电路结构和制作工艺 的了解和掌握。本章将对p l l 系统的基本原理和相关理论进行一个概述。 2 1 锁相环的基本结构和工作原理 锁相环是一种负反馈控制系统。当输入信号与输出信号之间存在相位差时，反馈控 制机制使压控振荡器输出时钟信号改变，从而使得相差减小。最终，输出信号的相位被 锁定到输入信号的相位上，输出信号频率和输入信号保持固定关系。锁相环主要由鉴相 器( p d ) 、环路滤波器( l p f ) 和电压控制振荡器( v c o ) 三个基本部件组成。其基本构 成如图2 1 所示： 图2 1 锁相环的基本组成 p l l 的基本工作原理是：鉴相器对参考信号和输出信号进行相位比较，并将相位差 转变为电压信号，通过环路低通滤波器去除高频分量而得到直流分量送入后面的压控振 荡器，达到改变输出信号频率的目的，然后再到鉴相器和输入参考进行比较，如此不断 调整，在环路稳定后，输入和输出信号就会同步，也就进入了锁定状态。下面详细分析 各基本部件的工作原理【3 3 】。 2 1 1 鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号与反馈信号之i 、日j 的相位差，并输出 误差信号，输出的误差信号为相位误差的函数。鉴相特性可以有多种形式，如正弦形特 性、三角形特性、锯齿形特性等。常用的正弦鉴相器可用模拟相乘器与低通滤波器的串 接作为模型。如图2 2 所示【3 4 1 。 6 硕十论文 高频段低相位噪声锁相频率源的研究 吩g )m d g )岛g )幺0 ) 。，l 、 “0j u ds i n 【- - 】 j 岛e ) 图2 2 正弦鉴相器的模型 设乘法器的相乘系数为k 。，单位为v ，则： k ( f ) z ，。( f ) = k u is i n c o o t + o l ( 纠虬s i n t o o ，+ 0 2 ( f ) 】 ( 2 1 ) = 丢吒v 虬s i n 2 ( o o t + 0 。( ，) + e ：( f ) 】+ 丢k u 虬s i n e ，( f ) 一o ：( ，) 】 在经过环路低通滤波器( l p f ) 滤除2 t o 。成分后，得到误差电压： u d ( ，) = 去七。u j u 。s i n o lo ) 一02 ( f ) 】 ( 2 2 ) 令= 专后。u i u 。为鉴相器输出的最大电压，可得正弦鉴相器特性为： ( ，) = u ds i n o 。( ，) ( 2 3 ) 上述鉴相器的功能可分解为两个作用：首先是相位相减，即取得两个输入信号之间 的相位差；其次是将相位差转换为误差电压输出。所以说鉴相器是相位转换为电压的装 置。 2 1 2 低通滤波器 环路低通滤波器是一个线性低通滤波器，由线性元件电阻、电容或运算放大器组成， 滤除鉴相器输出误差电压中的高频分量，起到滤波平滑作用，以保证坏路稳定。它是一 个非常重要的部件，对环路参数的调整起着决定性的作用，并且对环路的各项性能指标 都有着重要的影响【3 8 1 。 表示环路滤波的输出输入电压关系的是滤波器的传递函数z ( s ) ，表示为： 圪( s ) = z ( s ) x ( s ) ( 2 4 ) 式中s 是复频率。当将j = q 代入上式时，就得到了滤波器的频率响应特性。 环路滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两种类型，比较常用的环路滤波器有简单 r c 滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器，其它滤波器都是在上述三种滤 波器基础上的改进。 7 2 锁相环原理及分析硕上论文 环路滤波器的主要指标是带宽、直流增益、高频增益，主要由滤波器的时间常数和 滤波器的类型决定。比例积分滤波器在高频时有一定增益，这对锁相环的捕捉特性有利， 而且比例积分引入了一个零点，有利于增加环路的稳定性。有源滤波器还要考虑它的线 性动念范围，输出的电压必须能够供给v c o 在锁定频率所需的控制电压【2 l 】。 下面以2 阶无源环路滤波器( 图2 3 ) 为例来推导各元器件值的求解过程。 z o ) 图2 32 阶无源环路滤波器 z ( s ) = 面万r 2 丽g s + 再1 丽 2 5 ) 则锁相环系统的开环传递函数为： 一而kdk,(1+r2c2s) ( 2 6 ) 令石= 石r 2 了c , 百g ，i 2 = r 2 c 2 ，把上式的s 换成加，则有： g ( j c o ) 一踹每 ( 2 7 ) 从上式可看出系统的相位函数为： 叭g ( 扣) 】= a r c t a n t 2 c o - ( 2 8 ) 硕十论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 位裕度( 取4 5 0 ) ，即该点是相位曲线的拐点，因此可得： 丫= 7 c + p 【g ( 扣。) = 4 5 。 ( 2 9 ) 掣k 。 ( 2 1 0 ) 根据定义，开环增益在，处降为o d b ，即： q 汹。) = 1 ( 2 1 1 ) 由上面三个式子2 9 、2 1 0 和2 11 即可算出环路滤波器各个元器件的值。由于环 路滤波器的计算过于复杂，一般不会采用手工计算，通常会借助各种仿真软件来求解。 2 1 3 压控振荡器 压控振荡器是将电压转换为频率的装置，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率 应随输入控制电压v 。( f ) 线性地变化，其压控特性和数学模型如图2 4 所示，v c o 理想的 频率受控特性应为线性的，即： 。( f ) = ，+ k ，k ( f ) ( 2 1 2 ) 式中，k 矿为v c o 的压控灵敏度。 当控制电压屹o ) - - 0 时，v c o 的输出为自由振荡频率( o ，。 v c o 反馈到鉴相器上，由于对鉴相器输出误差电压起作用的是其相位4 。( f ) ，而相位 是频率的积分，即： f 0 。 ) 冼= ，f + k ，【心o ) 砒 ( 2 1 3 ) 其中： 巾。o ) = k ，【心o ) 冼 ( 2 1 4 ) 写成算子形式为： 们) = 墨1 ，。( f ) ( 2 1 5 ) 9 2 锁相环原理及分析硕上论文 j 厂 l 墨 一j s ( a ) 压控特性曲线。( b ) 数学模型 图2 4 压控振荡器的压控特性和数学模型 实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，其超出这个范围之 后控制灵敏度将会下降。 压控振荡器应当是一个具有线性控制特性的调频振荡器，对它的基本要求是：频率 稳定度好( 包括长期稳定度与短期稳定度) ；控制灵敏度瓦要高；控制特性的线性度要 好；线性区域要宽等等。这些要求之间往往是矛盾的，选择器件时需要折衷芳南1 2 4 j 2 2 环路的相位模型与传递函数 l o q q ) + 吃p ) p ) 配p ) 。， k | s ，r 0j 7 s i n荆 ji 图2 5 锁相环路的相位模型 根据图2 1 锁相环的基本模型图构成图2 5 所示的环路相位模型。由图2 5 可得： 0 。( t ) = 0 ，( f ) 一0 。( f ) ( 2 1 6 ) 0o ( f ) ：k 。ud 塑s i n0e ( f ) ( 2 1 7 ) p 其中p ( = d d t ) 为微分算子。再将式2 1 6 代入式2 1 7 有： p o 。( f ) = p o ，( f ) 一k 。u ，f ( p ) s i n 0 。( ，) ( 2 1 8 ) 令环路增益k = k 。u d ，有： 硕十论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 p o 。( r ) = p 0 心) - k f ( p ) s i n 0 。( ，) ( 2 1 9 ) 由式( 2 1 9 ) 可得稳态相差： 。( ) = a r c s i n 面a w 丽o ( 2 2 0 ) 对于环路滤波器采用增益a 无穷大的有源比例积分滤波器的p l l ，称其为理想二阶 环。由此可得理想二阶环的0 。o o ) = 0 。 当0 ，( f ) 变化不大时，可做近似s i n 0 。( ，) = 0 。( ，) 。这样得到的环路相位模型称为线性 相位模型。如图2 6 所示： 分频器 p d 低遴滤波器 l p f 骶擦振荡器 v c o 图2 6 电荷泵锁相环的系统框图 其中： ( 1 ) 髟是鉴相器的鉴相增益； ( 2 ) z ( s ) 是环路滤波器的传输函数； ( 3 ) k 。是v c 0 的压控增益，单位是弧度伏；因为v c 0 是一个积分环节，所以它的 传输函数分母中含有一个积分算子s ； ( 4 ) n 是坏路的分频比，即e 。= 0 。n ( 允= 厶n ) ； 因此锁相环的丌环传递函数为： 啪) = 鲁= 畅z 等专= 警邵) ( 2 2 1 ) 闭环传递函数为： 2 锁相环原理及分析硕r l ：论文 郇) = 羔= 两n k 承u k , , z 丽( s ) ( 2 2 2 ) 典型的锁相环开环传递函数伯德图如下图所示： 图2 7 锁相环开环传递函数的伯德图 图中，c o ，为环路增益降为o d b 时的频率，即通常所说的坏路带宽。幅值裕度和相位 裕度是描述系统稳定程度的两个关键参数，定义如下： 幅值裕度= - l g , ( o 。) 】 相位裕度= 1 ，= 18 0 + q ( c o 。) 其中，三( g ) = 2 0 l o g q 。 工程中，系统的幅值裕度一般会设计为 6 d b ，即系统开环增益再增大2 倍也不会到 达不稳定状态。而相位裕度一般要求为3 0 0 6 0 0 ，通常为4 5 0 。若相位裕度加大，系统 响应的过渡过程会变长。 1 2 。论文高频段低相也声锇相颍 潭的d f 究 2 3 频率合成器中相位噪声的分析 2 31 相位噪声的基本概念 相位噪声是所有频率源都非常重要的一个指标，也是本课题的难点和重点所在。相 位噪声指的是( 正弦) 信号的短期频率稳定度，即振荡器在整个规定的时问范围内产生 相同频率的种度量。般使用单边带相位噪声三( l ) 束定量表示，其定义为：偏离载 波频率( ) 处，在1 h z 带宽内一个相位调制边带的功率与总的载波功率乓之比， 即： 姒) 寺。塑幽篙纂署堂型 ( 2z 4 ) 上( l ) 通常用相对于载波l h z 带宽的对数表示，单位为d b c h z 。 232 相位噪声和时钟抖动 相位噪声是信号在频域的度量。在时域，与之对应的是时钟抖动( j i t t e r ) ，它是 相位噪声在时间域罩的反映，人的时钟抖动在高速a d c 应用中会严重恶化采样数据的信 噪比，尤其是当a d c 模拟前端信号的频率较高时更是要求低抖动的时钟。囤28 形象 地描述了时钟抖动吼 剌竹雌声 时纠中 动 剧28 相位噪卢和时钟抖动一 鲺 2 锁相环原理及分析硕1 ：论文 ，、 n z u 勺 、 织 凿 趟 皿 * 1 0 k1 0 0 k1 m1 0 m1 0 0 m1 g 厶频率偏移( h z ) 图2 9 时钟抖动与相位噪声和自噪声之i 司的天系 时钟抖动可以通过相位噪声积分得到，具体实现如下：计算从给定的起始频率偏移 处到结束频率( 通常定义为两倍输出频率) 偏移处的相位噪声和a ，单位为d b c ：对a 进行取对数操作，求相位抖动均方值( r m sp h a s ej i t t e r ) ，单位为弧度；将弧度值转 换成时间单位，秒或者皮秒，如图2 9 所示。 a = l o l o g i o ( 4 + 4 + 4 + 以) ( 2 2 5 ) 相位抖动均方值( 弧度) = 2 1 0 1 0 抖动均方根值( 秒) ：、2 i x _ 1 0 a 。，五为振荡器频率。 2 3 3 锁相环路的相位噪声 锁相环系统的相位噪声来源于四个部分，参考输入，反馈分频i n ，鉴相器，v c o 。 这四个部分贡献项可以用公式2 2 6 束表示，贡献模型如图2 1 0 所示。 和c 啦( 南) 2 埘( 志) 2 ( 志) 2 亿2 6 ， 1 4 硕士论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 s 噼 图2 1 0 锁相环相位噪声贞献模型。 对2 + s n 2 来说，系统闭环增益羔为低通特性，所以在环路带宽内，参考输 i 十u 盯 入的相位噪声和n 分频的噪声占很大比例( 所以相同的输出频率，通过改变鉴相频率的 方法并不会改善带内的相噪，因为参考源并未变化) 。同样对2 来说，它对系统的相位 噪声的影响也取决于系统的闭环增益高，与自i 面第一项的不同之处是，它还受限于 l 十u - 鉴相器的增益髟，所以在环路的带宽内，鉴相器的相位噪声也很重要。对2 项来说， 它对系统的相位噪声的影响取决于杰，而去的幅频特性为高通，所以在环路 l 十t _ r - j 十t _ r - 带宽内v c 0 的贡献项可以忽略不计。频率合成器典型相位噪声谱图如下图所示。 图2 1 1 典型频率合成器相位噪声谱图 p l l 频率合成器的噪声基底( p h a s en o i s ef i g u r eo fm e r i t ) ( 烈0 嗍) 是判断噪 声性能一个重要依据。该指标是将鉴相频率，反馈分频系数归一化后的相位噪声指标。 p l l 频率合成器输出的相位噪声用m 与鉴相频率弓肋以及反馈分频系数n 之间的关 系是： 带内相噪估算公式( 不考虑晶振的相噪) ： 肼翻l = 巩+ 2 0 l o g n + 1 0 l o g ( 2 2 7 ) 2 锁相环原理及分析硕l ：论文 2 3 4 锁相环最佳环路带宽设计 根据上节的分析，为了减小低通型相位噪声输出，应尽量减小环路带宽的取值，反 之，为了减小高通型相位噪声输出，应尽量增大环路带宽的取值。所以，为了环路总输 出相位噪声得到合理抑制，环路带宽的取值必须要折衷考虑。实践中发现，选择环路带 宽在两噪声源谱密度线的交叉点附近频率，即下图的z 处，锁相环路比较接近最佳状态 2 7 1 0 1 6 图2 1 2 最佳环路带宽的选择 硕士论文 高频段低相位噪声锁相频牢源的研究 3 锁相频率源设计方案 3 1 几种锁相环频率合成方案 实现锁相频率合成的方案有很多，共同特点是低频鉴相，高频锁相。下面介绍几种 锁相频率合成方案。 3 1 1 混频锁相 如图3 1 所示，压控振荡器的输出信号六和晶振的倍频输出信号坝混频，混频输 出信号灰再与晶振参考信号彳进行鉴相，当石不等于正时，就会使鉴相器的输出电压蚴 随频率误差变化，通过环路的自动调节，最终石= 石，环路锁定。 图3 1 混频锁相方案 该方案与高频直接鉴相相比，将鉴相移到了低频，在技术上实现比较简单，输出频 率范围较宽，但结构比较繁琐，加入了混频器倍频器，易出故障。 3 1 2 取样锁相 如图3 2 所示，晶振的输出正弦信号经过阶跃恢复二极管转换为相同频率的毫微秒 脉冲，这个脉冲至鉴相器的输出( 这一过程叫取样) ，该电压一直被保持到“开关 再 次接通，如果持续进行就会形成误差电压。这样，如果压控振荡器的频率z 等于，的整 数倍，则误差电压为直流，环路稳定f 1 2 】。 图3 2 取样锁相方案 1 7 3 锁相频牢源设计方案 硕士论文 该方案结构比较简单，易于实现小型化，无需外加分频器，改善了环路相噪的恶化， 但缺点是取样鉴相器效率比较低。 3 1 3 倍频锁相 倍频锁相也叫可变分频锁相，是当前通信技术中广泛使用的一种频率合成方法。如 图3 3 所示，压控振荡器的经分频后得到的输出信号与晶振参考信号进行比较，如果， z = f o ，则鉴相器输出直流，环路锁定，从而实现低频鉴相和高频锁相。 图3 3 倍频锁相方案 该方案在结构上比较简单，不难实现，改变分频比n 就可以改变六，并和晶振 参考频率，= 具有相同的频率稳定性。同时，这种锁相方案可以提供的频率稳定度较高， 硬件实现体积小，易于数字化和集成化。 本课题是完成1 5 2 g h z 点频锁相频率源的研制，经过仔细分析，比较适合采用倍频 锁相。 3 2 设计思想 倍频锁相频率合成器的系统框图如下： h o - 1 2 b h m c 4 4 0 图3 41 5 2 g h z 频率源设计方案 为了得到低相噪的1 5 2 g h z 点频锁相频率源，本论文选用相噪基底极低的鉴相器芯 片h m c 4 4 0 ，由于h m c 4 4 0 最大v c 0 输入频率为2 8 g h z ，因此将1 5 2 g h z 分为1 9 g h z 8 。 经过反复推敲，决定选用带二分频输出的v c 0h m c 6 3 2 ，四分频器h m c 4 9 3 ，鉴相器的参 1 8 硕士论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 考频率为i o o m h z ，自带可编程分频器分频数为1 9 ，环路带宽为l o o k h z 。由于h m c 6 3 2 在1 5 2 g h z 频点上调谐电压在6 3 v - - 一7 3 v 之间，超过h m c 4 4 0 能提供的最大电压，故使 用带运算放大器的有源滤波电路。 3 3 主要器件选择 3 3 1 鉴相器 频率源可以说是通信系统的心脏，心脏的好坏很大程度上决定着一个机体的健康状 况，而锁相环又是频率源的主要组成部分，因此性能好的锁相环芯片对于通信系统来说 是至关重要的。 i - i m c 4 4 0 集成了i o 一- - 1 3 0 0 m h z 的数字鉴频鉴相器和i o - - 一2 8 0 0 m h z 的5 位可编程分频器 ( 分频比为2 - - 3 2 ) ，集电极开路的输出缓冲放大器便于和运算放大器的环路滤波器连 接，封装形式为q s o p l 6s m t ，节省了空间。该芯片主要特点是单边带相噪基底非常低， 在i o o m h z 参考频率下，l o k h z 频偏处，可达- 1 5 3 d b c h z ( 换算到1 h z 即为一2 3 3 d b c h z ) ， 可应用于卫星通讯、点对点无线通信、军事应同步光纤网络时钟信号生成等方面【4 0 1 。 其功能图如下： 1 删c 4 4 0 典型应用电路如图3 6 ： p c k a g eb s 图3 5h m c 4 4 0 功能图 1 9 c o c w 约 “ 蝎 砬 削 船 姻 m m 胁 。 籼 u 孵 | 耋 m m 胁 。 籼 u 孵 岍 3 锁相频率源设计方案 硕j l ：论文 图3 6 删c 4 4 0 典型应用电路 鉴相增益可由下图得出，约为0 2 8 6 v r a d 。 2 0 喜 色 山 鬟 三 宝 正 星 蚕 e r r o rv o l t a g et t s t e m p e r a t u r e ， p i n = 0d b m ，f i n = 6 4 0m h z 巾陀 o 啤p p h a s ed i f f e r e n c el r a 1 ) 图3 7h m c 4 4 0 误差电压随相位误差变化图 h m c 4 4 0 自带5 位分频器简化示意图如图3 8 ，程序真值表如表3 1 ： 2 ，盘嚣 2 e 2 4 量盘4 2 o a o o o o o o 图3 9i t m c 6 3 2 功能图 调谐灵敏度由下图得，约为2 2 0 i h z v 。 f r e q u e n c yv s t u n i n gv o l | a 笋，y c c = + 5 1 s e n s i t i v i t yv s t u n i n gv o l t a g e 。l i c e = + 5 y 掌 l 云 | 差 图3 1 0h m c 6 3 2 调谐电压和输出频率及调谐灵敏度的关系 3 3 3 分频器 h m c 4 9 3 是四分频器，功能图如图3 1 l 所示，带宽很宽，输入频率最高可达1 8 g h z ， 单边带相位噪声很低，为一1 5 0 d b c h z ，保证了整个系统的相噪性能。封装形式为q f ns m t ， 节省空间。可应用于点对点多点无线通信、v s a t 无线通信、光纤、试验设备以及军事 方面。 硕l 论文 高频段低相位噪声锁相频率源的研究 v c o 图3 85 伉分频器简化示意图 功能 ( l s b )a 1a 2a 3a 4 a 0 输出低位 00o0o 2 分频 10 ooo 3 分频 o100o 4 分频 1l0oo 3 2 分频1l111 图3 1 程序真值表 3 3 2 压控振荡器v c o t t m c 6 3 2 集成了共振器、负阻器件、变容二极管、二分频和四分频输出，其功能图如 图3 9 所示，在5 v 供电下输出功率为+ 9 d b m ，l o k h z 频偏处相位噪声为一1 0 7 d b c h z ，输 出频率范围为1 4 2 5 1 5 6 5 g h z 。本压控振荡器芯片封装形式为q f ns m t 无引线封装， 节省空间，并且不需要额外的匹配元件。可应用于点对点多点无线通信、试验设备工 业控制、卫星通讯以及军事方面。 2 l 硕一l j 论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 3 3 4 晶振 n c in i n n c pg p z 丽阳 op o z 词可 2 1 0 _ _ 9 oqoq zzzz 图3 1 1 删c 4 9 3 功能图 n c o u t n c 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上可以等效为一个电容和一个电阻并联再串联一 个电容的二端口网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低区分，其中较低 的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性使得这两个频率很接 近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，因此晶振的两端并联合适的电容 就会组成并联谐振回路瞵j 。 晶振的主要指标有： 温度频差：在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的误差，用p p m ( 百万分之) 表示。 年老化率：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化，以年为单位衡 量标准的称为年老化率。 负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。 在特定的应用中，选择最佳晶振需要综合考虑以下因素：精度、成本、功耗、环境 需求等。 结合课题实际情况，本论文选用1 0 0 m 卜i z 晶振型h o - 1 2 b ，5 v 供电，直插式，价格便 宜，工业标准，其尺寸图如图3 1 2 所示，1 脚不接，7 脚接地，8 脚输出，1 4 脚接电源 电压。该晶振频率稳定度为5 0 p p m ，负载电容为1 5 p f ，第一年年老化率为5 p p m ，相 噪指标为：- l o o d b c h z l o k h z ，一1 1 9 d b c h z l o o k h z ，一1 2 5 d b c h z l m h z 。 雠j 3 锁相频率源设计方案 硕士论文 一l秽1 岑 - - - 鼍愈。4稃禹卜一 j 一 一1 5 2 4 o i 3 2 0 4m a x 2 6 + l 翟 心 图3 1 2h o - 1 2 b 尺寸图 3 3 5 运算放大器 鉴相器能提供的最高电压低于输出频率所需的调谐电压，所以系统采用有源环路滤 波器。环路滤波器中运算放大器采用a d 公司的o p 2 7 ，功能图如下图所示，各项参数如 下：低输入噪声电压密度3 n v 舷 l k h z ，低温漂0 2 p vo c ，低输入偏差电压l o l a v ， 高达1 2 6 d b 的共模抑制比。其功能图如下： 3 4 锁相环电路的仿真 2 4 v 0 6 t r 溯 _ n 矗n v 一 图3 1 3o p 一2 7 功能图 v o s r r i m v + o 僻 增e 锁相环电路可以方便的采用h i t t i e 公司提供的锁相环仿真程序进行仿真。 设相位裕度为5 0 度，环路带宽为l o o k h z ，参考频率为1 0 0 m h z ，如下图： l 蹬高瓤段低相位噪十坝拥频率源的 f 究 p l ls d l e mh c l i c k c o m l ：, o n e n t s t os e t i j l e l r p a r a m e t e r s ： h 。d 。7 i i 驴o 一 姻 j 叫：! 卜 c r i c kc o m p o n e n t s t os e t t h e r p a r a m e t e r s ： 。m a r g i n 匝互 目d e gl o o p b a n d 匝亘 圈e t z p f o g a i n ( v ，：医困圈v t t a d w o l e , ee l o o n 叵互 圉n 。一h _ 1 。1 。1 1 1 。1 。一 p a r t t l l m n b e r ：j 1 吣。，可得c 1 丽1 ，由此可以确定环路滤波器各参数。 根据上述理论及仿真结果，经过调试得到满意值。 3 2 硕上论文高频段低相位噪声锁相频率源的研究 4 4 鉴相器的1 9 分频电路 由表3 1 ，易得1 9 分频的a 0 a 5 取值为：a o ：o ，a i = i ，a 2 = o ，a 3 ：0 ，a 4 ：l 。 由此鉴相器电路如下，c 1 为耦合电容： = 三 型j 一 上r ) u