（电磁场与微波技术专业论文）无线通信信道设计.pdf

摘要 通信就是信息传输和交换的过程，信道不过是传输的媒质而已。但是信道设 计的好坏直接影响了传输的稳定性和质量。无线通信的演进给无线通信链路设计 带来了新的问题和技术要求。对频率的精度要求越来越高，这使得锁相技术难度 加大，还有就是通信链路对噪声要求的抬高也使设计难度加大。 本文就2 g 技术g s m 和3 g 技术w c d m a ，分别设计两种不同的信道，g s m d c s 移 频和w c d m a 选频信道，分析移频和选频的优缺点选择合适的电路形式，再分析它 们的频率精度和噪声抑制要求，以及对信道的线性要求。 首先，先介绍一下数字锁相技术和环路噪声产生的原因和抑制的办法。 其次，叙述一下信道的设计思路，解释设计电路时的出发点和如何实现。然 后分别对g s m 和w c d m a 信道进行设计。 最后，给出两种不同信道的测试结果，分析各级频谱输出，跟理论值进行比 较。 关键词：通信无线信道频率精度锁相技术噪声抑制 a b s t r a c t t e l e c o m m u n i c a t i o ni st h ep r o c e s so ft r a n s f e r r i n ga n dc h a n g i n gi n f o r m a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e li so n l yt h et r a n s p o r tm e d i a b u th o wa b o u tc h a n n e l w a sd e s i g n e dw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es t a b i l i t ya n dq u a l i t yo ft h et r a n s f e r t h e e v o l v e m e n ta n dp r o g r e s so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb r i n gu pt h en e wq u e s t i o n sa n d t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n tf o rt h ed e s i g no ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np a t h t h e r e q u i r e m e n tf o rt h ef r e q u e n c ya c c u r a c yb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i 【曲a si sk n o w nt o i n c r e a s et h ed i f f i c u l t yo f t h ep h a s e l o c k e dt e c h n i q u e ，t h ei n c r e a s i n go f t h er e q u i r e m e n t f o rt h en o i s eo f t h ec o m m u n i c a t i o np a t ha l s om a d et h ed e s i g nh a r d t h i sp a p e rd e s i g n st w ot y p e so fc h a n n e la b o u tg s mb a s e do n2 gt e c h n i q u ea n d w c d m ab a s e do i l3 gt e c h n i q u e ，g s m d c ss h i f tf r e q u e n c yc h a n n e la n dw c d m a s e l e c t e df r e q u e n c yc h a n n e l t h e na n a l y z i n gt h em e r i ta n dd e m e r i to ft h es h i f tc h a n n e l a n ds e l e c t e dc h a n n e l s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ec i r c u i tm o d e la n dt h e na n a l y z i n gt h e i r f r e q u e n c ya c c u r a c y , t h er e q u i r e m e n tf o rt h en o i s es u p p r e s s i o na n dc h a n n e ll i n e a r i t y f i r s t l y ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h ep h a s e l o c k e dt e c h n i q u e ，t h e na n a l y s i st h e t r a n s i e n tr e s p o n s e ，e x p l a i n e dw h yt h en o i s ec a u s e da n dh o wt os u p p r e s st h en o i s e s e c o n d l y ，t h i sp a p e rd e p i c t st h ed e s i g nt h e o r yo ft h ec h a n n e l ，m a d ec l e a rt h es t a r t o fd e s i g n i n gc i r c u i t sa n dh o wt oi m p l e m e n t ，t h e nd e s i g n e dt h e s et w od i f f e r e n tt y p e c h a n n e l s l a s t l y ，t w od i f f e r e n tc h a n n e l st e s tr e s u l t sw e r eg i v e na n dt h eo u t p u tf r e q u e n c y s p e c t r u mg r a p h ，c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e k e y w o r d ：t e l e c o m m u n i c a t i o n w i r e l e s sc h a n n e lf r e q u e n c ya c c u r a c y n o i s es u p p r e s s i o n p h a s e - l o c k e dt e c h n i q u e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加阻标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志所做的任何贡献均己在论文中做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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电 子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校 可以公布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 段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 日期 碰群。矽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线信道的发展简史和研究过程中所做工作 通信信道是数据传输的通路，在通信网中信道分为物理信道和逻辑信道。物理 信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信 道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻 辑指令联系，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。逻辑信道可以是有连接的，也 可以是无连接的。物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道。 也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。 无线信道的发展其实就是无线通信技术发展的对应产物。根据调制方式和传 输数据的不同，对应的信道模型也不同。第一代模拟通信对应的信道就是调频模 拟信道。第二代的数字通信对应的是6 s m 和g d m a 的窄带数字信道，到了第三代又 是基于扩频技术的宽带数字信道。 早期的无线通信采用调幅调频米处理信号，使得信道对噪声的要求不是很 高，早期信道模型为再生式信道，但不久就被调谐高放式信道所取代，调谐高放 式信道的缺点在于很难将全部射频放大器调谐到同一频率。随后为了改进这种 性能，使用超外差技术把输入信号下混频为信道中滤波器的固定输入频率，从丽 提高了调谐能力，就是现在的g s m 信道和c o m a 信道及删d a 信道都还再使用超外 差技术，由于下变频可能引来镜像干扰，为此需要使用上变频来抵消这个镜像。 现代信道不同点是使用了两级混频，第一级下混频，第二级上混频，来提高信道 性能。另方面使用了锁相频率合成器“1 ，来提供原来可变振荡器产生的频率。频 率合成器能产生相对高精度的频率，相对老式的可变频率振荡器来讲，提高了相 位噪声和尽可能的避免了频率漂移。最近美国高通又采用零中频( z i f ) 技术来消除 了对中频元件的需求，从而减少了成本投入。这种技术的难点在于数字基带滤波 器的设计。下一代全i p 通信信道的研究难点和重点也在于此。 下面根据实际需要和性能指标要求设计两种无线信道，分别是g s m d c s 的 移频巾继信道和w c d m a 的选频信道，使用的都是两次变频技术和锁相频率合成器 来提供可靠稳定的本振，由于所处频段不同，这里使用了两种不同的锁相芯片， 分制是富士通和国半的芯片来产生本振频率，还有就是根据两种信道不同的噪声 要求，选取小同的中频声表滤波器。由于w ( 、d m a 带宽要比g s m 带宽宽的多，又g s m 对应的调制方式是g m s k ，w c d m a 对应调制山式是q p s k 的，在噪声要求上，牦d m a 对噪声要求非常苛刻，w c o m a 信道设训的女，坏随接接影响误码率的高低；相对的 鼙求就没那么严格了，但足相对g s m 永f 越址要岛，闪为w c d m a 的频谱模扳跟 2 无线通信信道设计 g s m 不一样，w c d m a 要求指配信道有用信号平均电平为一1 1 5 d b m ，而g s m 为- 1 0 2 d b m 。 所以相对来讲对线性要求更高，否则很容易引进互调干扰信号。从以上两点考虑， 设计w c i ) m a 选频信道的时候要充分考虑噪声和 p 3 的影晌，设计的好坏也就是对 这两点的控制好坏。这就对混频器，中频声表滤波器和射频声表滤波器提出了更 高的要求，像混频器要求采用高i p 3 的中频声表滤波器根据需要选用3 8 0 m h z 的， 带外抑制更好的，带内波动更小的。还有就是小信号放大器的选择( 包括射频的 和中频的) ，一定要折中考虑，一方面满足噪声尽可能小，还有就是i p 3 尽可能 小，在电路设计的时候还要格外注意端口间的匹配，得到尽可能小的驻波。 下面会对如何改进这些难点，提出可靠稳定的解决方法，理论推导和实际测 试结合，优化各个指标，尽可能的设计满足w c d m a 信道的要求，最终提高收信性 能。 1 2 章节安排 根据本人在这方面所作的工作及所运用的理论知识，下面大致罗列出本文章 节内容的安排，如下： 第一章，回顾无线信道的演进简史。阐述了无线信道的改进变化过程，提出 研究无线信道的思想和基本方案设定。 第二章，无线信道最重要的部分就是本振频率的选取部分，为此先讨论一下 锁相频率合成技术的基本理论。分析锁相环路的各个重要部分，另外介绍一下分 频器，虽然分频器严格来讲不属于锁相环路。但是现在分频器越来越多的应用于 频率合成器中。所以这里也加以讨论。 第三章，研究锁相环路的相位噪声，各个部分对应传递函数下的相位噪声 提出如何尽可能降低环路噪声的办法。 第四章，介绍无线信道，分析信道对应的各项技术要求及如何实现。 第五章，根据上述的理论知识，设计两个信道。讨论两种方案的设计思想和 利弊。其中着重讨论w c d m a 选频信道的设计，提出各种电路方案，选择最佳形式 进行设计，最后给出设计结果。 第二章频率合成相关理论 第二章频率合成相关理论 频率合成主要有直接式、锁相式和直接数字式三种方法o “2 “”“1 。其中直接式 频率合成法由于输出的谐波、噪声及寄生频率均难以抑制而较少采用；目前广泛 采用的直接数字式频率合成方法也面临输出频率上限难以提高和寄生输出难以抑 制两个难题。而锁相式频率合成器是七十年代锁相技术发展和应用的结果，随着 集成化程度的越来越高，各种控制电路、程序分频器、鉴频鉴相器等数字电路 目前已可集成到一个芯片中。因此，现在，许多微波和毫米波频率合成器的设计 往往采用锁相式的频率合成方法来实现。 2 1 锁相频率合成 锁相频率合成技术是利用相位负反馈控制技术。1 ，用压控振荡器的输出相位 对参考输入相位进行跟踪，实现对频率的自动微调，根据系统要求不同可以跟 踪输入信号的瞬时相位也可以跟踪其平均相位。最终输出恒定相差，频差为零的 频率。实现务误差的频率跟踪。利用环路滤波器可以很好的抑制输出相位噪声和 参考寄生干扰。 图2 1 锁相频率合成基本框图 主要优点：锁定后输入，输出只有恒定相差，没有频差。具有良好的窄带跟踪 性能。可以跟踪一个具有频漂的载波信号，实现窄带跟踪。从噪声角度考虑，又 可以把锁相技术认为是一种窄带滤波技术，很好的抑制了近端的相位噪声，达到 净化频谱的效果。电路易十集成利用数字集成芯片大大降低了频率合成的成本。 而且电路稳定，可靠性优良。 两个矛晒体：一个是频率分辨率( 解析度) 和转化时间的矛盾，另一个是可变n 分频器的顿牢卜限和合成器的工作频率之间的矛盾。为解决这两类矛皤，出现了 吞脉冲队【合成器，小数分频p l l 合成器以及各类多环p i i 合成器。 综l ，把频率和频串合成技术进行了初步的介绍，对f 九：线通信7 ，道来讲j ， 信号的，i | 繁声等影l 啦汽接跟频率的稳定度，和精度 1 艾这就蛩l 使用锁相 4无线通信信道设计 环来实现高精度，低噪声的本振输出，达到信道传输的频率要求。下面就无线信 道中使用的p l l 进一步讨论研究。为下来设计无线通信信道提供必要的技术基础。 2 2 锁相环基本原理 锁相环路为什么能够进行相位跟踪，实现输出与输入信号的同步呢? 因为它是 一个相位的负反馈控制系统。这个负反馈控制系统是由鉴相器( p d ) ，环路滤波 器( l f ) 和压控制振荡器( v c o ) 三个基本部件组成的，基本构成如图： 图2 2 镄相环基本框图 实际应用中有各种形式的环路，但它们都是由这个基本环路演变而来的。下 面先简单介绍各个基本部件在环路中的作用，然后在进一步深入讨论。以加深对 环路的理解，其中对鉴相器先做简要介绍，接下来主要介绍一下环路滤波器和压 控振荡器。为下来设计信道提供一个清晰的理论指导。 2 2 1 鉴相器 鉴相器是一个相位比较装置。“，用来检测输入信号相位与反馈信号相位之 间的相位差。输出的误差信号是相差的函数，具有特定的线性范围。 由于相位是频率的一次积分，它同样也给出了频差指示。如图2 2 中所看到 的，鉴相器输出被相位模型化而不是频率模型化。v c o 压控灵敏度为女。，5 ，根 据信号与系统中的s 域和时域信号的变换来理解，一个极点对应为一次积分。所 以v c o 表现为一次积分效应。这在v c o 频率转化到相位时已经体现了。如果考察 的是输出频率，那么必须用s 乘以传递函数，乘以s 对应于一次微分。此时鉴相 器不仅使两个输入相位相等，而且使输入频率也相等，因为它们是相互关联的。 鉴相器理论分析 理想 u 曲泵鉴棚器框图如下所_ ：”0 1 ： 第二章频率合成相关理论 图2 3 电荷泵鉴相器原理图 v c o 输出相位在到达p f d 之前，先n 运算。九代表这个信号的相位，代 表这个信号的频率。晶振的输出相位在到达p f d 之前，被r 运算，以代表这个 信号的相位，t 代表这个信号的频率。p f d 只对，和妒。的上升沿进行比相。电荷 泵鉴相器有如下三种状态： 图2 4 电荷泵鉴相器状态图 网2j电荷泵鉴相器比相工作罔 蠖 无线通信信道设计 2 2 2 环路滤波器 环路滤波器是一线性低通滤波器。m “”。对于电荷泵输出来讲，具有一次积 分作用，产生一个控制电压，更重要的是它对环路参数调整起决定性的作用。用 它还可以滤除电荷泵输出电流中的高频交流分量，对环路的各项性能都有重要的 影响。环路滤波器的设计包括选择合适的滤波器结构、阶数、相位余度、环路带 宽等。这在下面的理论计算中会给出。 环路滤波器结构和阶数 图2 6 环路滤波器基本结构 通常无源滤波器更胜于有源滤波器，因为增加有源设备同时会引进额外的相 位噪声，复杂度和成本。但是，有些情况下却必须得使用有源滤波器，最普遍的 情况，如电荷泵最大输出能力低于v c o 调谐电压的要求时。用有源滤波器可以供 给v c o 更高的调谐电压，使得调谐范围变大，相位噪声减小。这里还是以无源滤 波器作为应用进行分析。 在滤波器阶数方面。最基本的是二阶滤波器。附加的一级r c 低通滤波器和 c 1 共同减小参考寄生的影响，一般衰减量在1 0 2 0 d b 左右。在图2 6 中，r 3 和 c 3 构成又一级低通滤波器。 相位余度和环路带宽的选择 a ) 相位余度 相位余度( ) 和系统的稳定度有关。这个参数一般选择在4 0 。一5 5 。之间。 通过仿真计算显示相位余度为4 8 。时，得到最佳锁定时间。在牺牲锁定时间的情 况下更高的相位余度可能会减小环路滤波器的峰值响应。为了最小化均力根相 位误差，j 0 ”是一个好的相位余度设置点。 b ) 环路带宽 选择的f 路带宽( ) 氐小会产生个能改善参考寄生和均，j 根相差的设i f ， 但都是在枘 m 定时川的情况下的。选择的环路带宽太宽将导敛锁定时间的改善 这是在牺私棼# 寄q 年均山根相差的基础上的。选择环路带赶的建议是选扦个 足够的村m0t 2f ，能rj 设满足锁定时间的环路带宽。如果小_ 求锁疋时川那 么选扦蚪蹦： 眩处岍 此处埘卜一个最佳均方根相 ：l 一教讲j i 址n l 第一章频率合成相关理论 噪声等于v c 0 噪声。对于最小参考寄生设计，环路带宽越窄，寄生越小。但是， 在某些点处，环路滤波器的元件值不切实际的变大。 环路引进的电阻热噪声 环路滤波器中的电阻，特别是在低通滤波器里的电阻( r 2 ，r 3 ) 会产生热 噪声，这会增加带内带外的相位嗓声。当这些电阻大的超过约1 0 d 1 时，电阻引进 的相位噪声就不容忽视了，设计一个高电流电荷泵，可以最小化环路滤波器电阻 及其带来的电阻热噪声。 环路滤波器设计 设计环路滤波器包括确定时常数，然后通过时常数确定环路滤波器元件值。 注意规定环路带宽甜，和相位余度妒。 计算环路滤波器阻抗和时常数： z f s l ； 生! ：丝 ： ”晰。怕毋o + 黑c 2 r 2 1 ) l + 5 。 s ( s 2 c 1 c 2 c 3 r 2 r 3 + s c 2 r 2 ( c i + c 3 ) + c 3 r 3 ( c i + c 2 ) ) + c t o t 其中： r22r2c2(2-2- c t o t = c l + c 2 + c 3 通过设置一个两个方程，两个未知量的方程组，可以精确计算时常数的值。 或引入以下近似： 7 l = 墨兰c ：曼t o ! l ：曼! t 2 - a 、) 丁3 = r 3 - c 3 这些近似必须满足以下要求： 旦 1 一一t 3 ( 2 4 ) 刀+ t 3 t 2 是环路稳定必须的条件，因此时常数近似应该是实际提供c 3 孚。 从时常数求解元件值 c 3 的选择是可仃意点但是为了调整时常数r l 和7 1 3 f n 近似值，( 3 不能大 于c 1 5为v c o 输入电容( 1 0i o o p f ) 并加到c 3 ，尺3 会j l 世带外热噪卢，在小 影响任们艘定时，选择c 3 尽町能的大。下面计算选择c 3 篙j ( 1 5 这种情况下 c 3 比1 输入电容人的多，r 3 取小电阻，选择c 3 小寸( 1 嫣i 、j 哩f 的调整环路 滤波器l2 很有意义的。 上f x “f 仇如h 孵j 、j ： 无线通信信道设计 c t o f ：k # 。k v c o m 。n c i ：旦c t o f 7 2 c 3 = 了c 1 ，c 2 = c f o t - c i - c 3 ，r 2 = 爰，r 3 = 嚣( 2 - 5 ) 2)oo j 2 2 3 压控振荡器 压控振荡器是一个电压一频率变换装置删“。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虬( f ) 线性地变化。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，超出这个范围之后控制灵敏度将会下降。压控振 荡器应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) ；控制灵敏度局要高：控制特性的线性度要好； 线性区域要宽等等。这些要求之问往往是矛盾的，设计中要折衷考虑。 从选频特性和振荡原理来讲，常用的有l c 压控振荡器，晶体压控振荡器， 负阻压控振荡器和r c 压控振荡器等几种。前两种振荡器的频率控制都是用变容 管来实现的。由于变容二极管结电容与控制电压之间具有非线性的关系，所以压 控振荡器的控制特性肯定也是非线性的。为了改善压控特性的线性性能，在电路 上采取一些措施，如与线性电容串接或并接，以背对背或面对面方式连接等等。 在有的应用场合，如频率合成器等，要求压控振荡器的开环噪声尽可能低，在这 种情况下，设计电路时应注意提高有载品质因素和适当增加振荡器激励功率，降 低激励级的内阻和振荡管的噪声系数。 压控振荡器设计要求 可以说压控振荡器是环路中对噪声贡献最重要的一项，设计好的v c o 对环路 性能提高至关重要。 c o 的相位噪声要受振荡器电路结构影响。7 c 0 电源的瞬态过 程或波纹产生的调制还会使它的相位噪声性能恶化。相位噪声的均方根值是由相 位噪声频谱在给定带宽内求积分而推算出来的。相位噪声是根据频率相对于中心 频率的偏移量来界定的，用单位d b c h z 表示。锁相环电路使用的大多数v c o 器件 必须具有良好的相位噪声特性。如果应用上对相应噪声有严格要求，设汁v c o 时 就一定要规定相位噪声允许的范围。 频偏范围是v c o 受控制电压调整的最大频率偏移量。它直接决定的捕获 范围； 频率稳定度要求长期漂移不超过p l l 的同步带，当我们对i c o 进fj 渊谐时， 振荡频率会发生改变：但偏离标称频率的各个频率值在工作温度范l j “是稳 定的。必须注意，刈j 个给定的频率而言，频率稳定度要求越i “：州j 、范 围的布r jj 度就越州 第二章频率台成丰h 关理论 从同步带的角度希望压控灵敏度越大越好，从边带抑制角度来讲压控灵敏度 越小越好，因此在满足同步范围的前提下要求压控灵敏度尽可能取小； v c o 振荡频率随控制电压变化的函数关系是非线性的。设计优良的v c o ，其频 率与控制电压的函数曲线接近直线，偏离直线的范围控制在1 0 以内。一般来 说，v c o 的牵引度越大，它的线性度就越差。大多数v c o 的频率与控制电压的函 数曲线都具有正斜率而且是单调的。因此，当控制电压增加时，牵引度就变大。 压控振荡器噪声分析 分析表明，振荡器的噪声主要有三种“”：闪烁噪声，热噪声和散弹噪声。闪烁 噪声是主要作用于低频范围，在高频应用时基本可以忽略，它跟半导体器件加工 好坏有关，具有高斯分布，其噪声谱密度为a f ，为噪声电平常数，故又称i f 噪声。热噪声和散弹噪声均属于白噪声，只不过其扩展频率范围不同而已，对于 v c o 的来讲，放大器晶体管正向工作时，发射极的散弹噪声起主要作用，集电极 的基本可以忽略。 综合上述噪声，根据l e e s o n s 公式可得： 鲫丢呜笋等c 古+ 南，2 e ， 从计算公式可以理论的得出，引起v c o 相位噪声的各个因数： a ) 谐振回路的q 值；b ) 变容二极管的q 值：c ) 振荡器晶体管中使用的有 源器件；d )电源噪声；e ) 外部调谐电压源噪声： d ) ：e ) 贡献的噪声可以通过仔细选择好电源来最小化，v c o 的相位噪声因此也 主要的由整个电路的q 值决定。为了设计好一个高q 电路，可调谐带宽必须设计 的要小，不能太大。因此个设计成低相位噪声的v c o 有一个更小的调谐范围。 最小化v c o 噪声方法 供电v c c 和调谐电压v t u n e 返回端必需接到p c b 接地板面。v c o 接地面也必 须接到p c b 的接地面上，因此v c o 接地管脚必须全部焊接在p c b 接地面上。 充分的r f 接地是必颁的。在电源和地之间必须提供几个具有去耦电容的芯 片，比如稳压管t a 7 8 l 0 5 f ，a ll i 等。 必须使用良好的，低啖，t 电源。理想的用d cf 电池做v c c 和调谐电压v t u n e 会提供最好的全局性能。 v c o 输出必须直接连 毫刮曼冉良好负载阻抗的终端，在v c o 和外部负载之间 使用一个电阻也是一个似i ，j 习惯。 连到调谐端的连接，t = 瑚峰可能的短。i m | f 必须屏蔽，隔离，去耦来使v c o 饱于外部噪声的调制。妖 门电源必须j i 米n7 川q 谐电压v t u n e 的供电。有h l 1 0 无线通信信道设计 回路里面环路滤波器就起了这个作用，产生尽可能低的交流分量，保证直流通路。 2 3 分频器介绍 严格来讲，分频器不属于p l l 的基本部件，但作为锁相频率合成器来讲，分 频器是绝对不可或缺的。在参考晶振后面放置一个r 分频器，以后可以使环路 频率解析度提高，在v c o 输出后面设置n 分频器后，可以在分频器允许工作频 率内任意改变，满足特定需要，另一方面加大了合成器的工作频率范围。 环路中，分频器的首要作用是把v c o 输出频率降至鉴相频率处，以便鉴相器 可以在鉴相线性区与参考频率比相，利用比相输出再来控制y c o 频率。使得环路 锁定输出为f o = 胍。使用可变分频器，可以优化锁相合成器的很多参数，性能。 例如：信道间隔，相位噪声，功耗，环路结构等。 2 3 1 分频器最高工作频率 最高工作频率指的是可编程分频器在特定分频比范围内，对频率所能正确分 频的最高上限。可编程分频器所能达到的最高工作频率的大小对环路设计的影响 是很重要的。在可编程分频器的工作频率能完全覆盖压控振荡器的工作频率范围 时。那么锁相环的鉴相频率就可以尽可能的取大，最大可以大到等于信道要求的 频道间隔。在允许范围内，鉴相频率一般要求取的越大越好，一方面可以实现快 锁，减小锁定时间。另一方面，可以放宽环路带宽，增强环路对压控振荡器相位 噪声的抑制。使输出信号近端比较光滑。 2 3 2 分频器的功耗 锁相环芯片长期处于工作状态，会消耗大量能量。其中主要消耗在高速运作 的数字电路中。主要指的是分频器，因此简化数字电路，减少高速逻辑电路的使 用是降低p l l 功耗的最关键技术。数字分频器基本都是由门触发电路组成的。在 所有门触发电路中，c m o s 功耗最低，得到f 泛青睐。现在的p l l 芯片基本上基于 c m o s 技术。像富r 上通，国半的p l l 芯片挪址使用b i c m o s 处理器。使用b i c m o s 可 以提高最高工作频率，增加分频比范 2 3 3 分频器相位噪声 无论v c o 输出信号干不干净，分坝器饰脉冲都会由于内部门触发电路滤波 不纯，导致触发边沿产生毛刺，对输一h m ，尘沿产生随机抖动，在频域显示为分 频器输出端引进的相位噪声。j ，j 艇t 。z 一- f j 噪声。 第三章锁相环合成器相位噪声分析 第三章锁相环合成器相位噪声分析 在无线通信中，降低频率合成器的相位噪声和抑制其相应的寄生输出，一直 是设计者追求的目标。在无线应用中，相位噪声和寄生输出是频率合成器的关键 参数。p h s 、g s m 和c d m a 等相位调制蜂窝系统的r f 系统设计均需要低噪声的频率 合成模块，同时频率切换时问和寄生输出的抑制对系统也很重要。频率合成器作 为一种高质量的信号源，与电子系统的性能有很大关系。在通信系统中，使用高 稳定的信号源，可以充分利用频率资源。实际上，在电子对抗和导航等电子系统 中，高指标的信号源会给系统带来良好的性价比，从而为系统设计师提供可靠的 技术保障。 这部分阐述相位噪声的来源和特性。先分给出p l l 中相位噪声的理论来源 “。再利用这些理论概念合理的评估相位噪声，一般可精确到几个d b 。 锁相环路开环传递函数为： g ( s ) ：型：! 幽：堑! ( 3 - 1 ) ：占 5 ( 3 2 ) 下表显示了不同噪声源及其各项相乘的闭环传递函数。 o 噪声源萋蠢；鬻j + 豢i 薯、曩j “i j 誊i 躁声传递甾数霪到 晶振参考源 ! 堡q r1 + g ( 0 h r 分频器 堡盟 l + g ( j ) h n 分频器 鱼蛐 1 + g ( s ) h 鉴卡r | 器( p d ) 1 g ( j ) 坳1 + g 0 ) h j 士控振荡器( v c o ) 堡塑 i + g ( j ) h 表3 1 择噪声源对应的闭环传递函数 环路引起的噪声 _ 监址f h 环路中的损耗元件电阻产生的，第二章已经给m ，这里不在累述。 3 1 噪声源传递函数分析 如表： 1mh 噪声源和对应传递函数相乘。注意到晶振参( 蝶，源和带青 1 r 因子的1 逊垃村j 乘，。警卡f | 器和带有i k 因子的传递函数棚啦m t i * 1 鉴棚器 噪声、，帅。i i 、r r 帧器噪声、和晶振噪声都包含自个一、f ： 无线通信信道设计 g ( s ) 1 + g ( 5 ) - h 所有这些噪声源被认为是带内噪声源。 如下： ( 3 - 3 ) 环路带宽为出。，相位余度为。定义 i i g ( j 甜。) 日i | _ 1 1 8 0 一z g ( j 国，) 日= 妒 使用这些定义，式( 3 - 1 ) ，( 3 - 2 ) ，及s 域内单调减的6 ( s ) ， g ! 堕。一而r 国 。 但是，v c 0 噪声是和不同的传递函数相乘锝到： 注意到( 3 - 7 ) 可以近似为： 乏。 嵩一砌一国。 1 + g o ) f 1 二一一砌 峨 k ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 可得公共因子表 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 石 一l 图3 1 传递函数乘以所有带内噪声源( 除了v c 0 )图3 2 传递函数乘以v c 0 噪声源 3 2 相位噪声 如图3 3 所示，环路带内( o j “。) 噪声主要由带内噪声源起决定作用t 但 v c 0 也会对带内噪声有轻微晌贡献。这在窄带环路处是最明显的，小于优化的环 路带宽处。若环路带宽选的过窄，v c 0 的带内噪声贡献将不可忽略。但要是环路 带宽至少是相噪偏移频率的1 0 倍时，v c 0 通常不会对带内相位噪声有明显的责献， 第三章锬相环合成器相位噪声分析 图3 3环路相位噪声频谱图 从上面的等式，观察可知v c 0 噪声在带内贡献是很小的，带内噪声源和相 乘。由于这是噪声电压，因此噪声功率和2 成比例，继而通常误解相位噪声随 2 0 l o g ( n ) 变化。这个理论本生没有错误，但是它忽略了鉴相器的影响作用。 3 2 1 鉴相器定时采样产生的噪声贡献 给定一个三态的鉴频鉴相器，在更高的鉴相频率时这会输出更多噪声。相位一 频率噪声同时也趋为主要的噪声源，这个噪声跟鉴相频率是成比例的。但是鉴相 频率又跟n 成反比，因此由鉴相器产生的噪声降为1 0 l o g ( ) 。 对一固定频率，近端相位噪声作为n 的函数 结合传递函数产生的2 0 l o g ( n ) 改善噪声和附加鉴相器产生的1 0 l o g ( n ) 退化 噪声，得到实际相位噪声为： 1 0 l o g ( n ) ( 3 9 ) 换句话说，增加1 0 倍，相位噪声下降1 0 d b ，这就是为什么在不知道鉴相 频率时，谈论相位噪声没什么意义的原因。 3 2 2 近端相位噪声的大体估算 表3 2 列出了不同国半p l l 芯片的典型相位噪声基底值。分频器、参考晶振 和v c 0 对带内相位噪声的贡献是真实存在的，但是主要由鉴相器噪声引起。因为 鉴相器噪声依赖于鉴相频率，鉴相器噪声理论上被归一化为1 h z 处的鉴相频率的 噪声。 p l l 1 h z 归一化鉴相器噪声基底( d b c a j z ) l m x 2 3 3 x 盎l m x 2 3 3 x l一2 l l l m x 2 3 x 6s i n 9 1 e一2 1 0 l m x l 5 x 1 l m x 2 3 x 52 0 6 i r m x 2 3 5 0 5 22 0 1 9 v c c ：3 v 一2 0 5 0v c c = 5 v im x2 3 5 42 0 4 i x1 6 0 0 系列一1 9 9 表：；21 、司p i 【eh 对心的1 l l z ，1 化鉴桐器噪南基底( d b c h z ) 1 4无线通信信道设计 为了预示近端相位噪声，利用下式： p h a s en o i s e = ( 1 h zn o r m a l i z e dp h a s en o i s ef l o o rf r o mt a b l e ) + l o l o g ( c o m p a r i s o nf r e q u e n c y ) + 2 0 1 0 9 ( n )( 3 - 1 0 ) 例如：一个9 0 0 m h z 的v c o ，鉴相频率为2 0 0 u h z ( n = 4 5 0 0 ) ，使用l m x 2 3 1 5 ，相位 噪声将会是： 一2 0 6 + l o l o g ( 2 0 0 0 0 0 ) + 2 0 l o g ( 4 5 0 0 ) ：一8 0 d b c h z( 3 - 1 1 ) 表3 2 给出了一个初步说明p l l 怎样执行和其他p l l 不同的性能。期待的d b 差值可以简单的从表中得到。注意小数n 分频的p l l ( l m x 2 3 5 0 5 2 ) ，相位噪声可 能被迷惑，因为小数分频的n 实际能允许使用更高的参考频率，实际的相位噪声 趋于更好，尽管事实上相位噪声基底下降。这是因为n 值变小了。因此我们要注 意直接比较这部分底噪和其他部分的底噪。 注意这些计算仅适用于p l l 的环路带宽内的相位噪声。带外，相位噪声由闭 环传递函数相乘得到，这可以用寄生增益近似。一般认为带内相位噪声主要由电 荷泵决定，当然不是总是这样的，有另外几个因数也会影响相位噪声。 3 2 3v c o 相位噪声带内贡献 为了计算所呈现相位噪声，带内v c o 相位噪声被认为可以忽略，图5 3 说明 v c o 实际上在环路带宽内不贡献相位噪声，在环路带宽内，v c o 传递函数是频率的 一个递增函数，同时v c o 噪声是偏移频率的递减函数。当这两个函数相乘，结果 是相对平坦的。在环路带宽过窄的情况下或在一个有噪声的v c o 情况下，v c o 会 在带内贡献更多的噪声。 3 2 4 考虑晶体参考噪声 先假设电荷泵噪声占主导地位。但是如果晶体参考有噪声存在，那么就可能 不是这种情况了。信号源即使是精细的信号发生器作为晶体参考使用时，也经常 会增加相位噪声。一个固定i o m h z 输出频率的频谱仪是非常纯净的，通常可以作 为晶体参考。晶体噪声被r 除，n 相乘。看信号发生器是否太杂乱的一种方法是， 可以倍频和加倍r 值。如果丰 i 位噪声减少了那么说明信号发生器的噪声是占主 导地位的。 这章研究了相位噪声的起因和提f ； i _ 广相对精确的模型。在环路带宽内，p l l 鉴相器是主要的噪声源。带h ，通常0 噪声作为1 要的噪声源。测量时误芹在 o 5 d b 是合理的。相位噪一扳r 小山变化，器件不同而变换，但是这种变 换腆型的在儿个d b 范围内 第四章无线信道理论 第四章无线信道理论 通信系统的基本模型“”： 图4 1 通信系统模型 这里发送设备和接收设备决定了通信的信号方式，对于模拟通信来讲只需要 对应的调制器和解调器，这里载波频率由信道决定。如果对应的发送设备由加密 器，编码器，调制器；接收设备由解调器，译码器，解密器构成，那么就是数字 通信系统了。如果传输的是数字基带信号那么调制解调可以省略。不管是哪种通 信系统都是由收发端元和信道组成的。 无线通信系统的模块组成”： 图4 2 无线电通信系统的组成 任何信号都占据一定的带宽，带宽就是信号能量主要部分所占据的频带。不 同信号，带宽不同，高频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，从而可以容纳更 多信号。这就是无线电通信采用高频的原因之一。 4 1 不同信道对应的接入技术 无线接入技术大敏有1 2 种，根据所要设计的信道类别，这里只介绍对应的两 种接入技术，g s g 接入技术和w c d m a 接入技术“”1 。 4 1 1g s m 接入技术 g s m 系列主要有( 。、m q 【) ( 1 、d ( 1 1 8 0 0 和 是工作频段的差异。! l 丰i j - 。- 川呲为： 频谱效率高：由j 霜 jl ， j t 调制器， ，c s l 9 0 0 三部分，三者之间的主要区别 f ，道编码，变织均衡和话硝编码技术 无线通信信道设计 使系统有高频谱效率；容量大：由于每个信道传输带宽增加( g s m 信道带宽为 2 0 0 k h z ，模拟制约为2 5 k h z ) ，使得同频复用载干比降低至9 d b ，故g s m 系统同频 复用模式可以缩小至4 1 2 或3 9 ，甚至更小( 模拟为7 2 1 ) 。加上半速率话音编 码技术的引入和话务分配使g s m 系统的容量效率( 每兆赫每小区的信道数) 比t a c s 高3 - - 5 倍；话音质量高：g s m 系统中只要在门限值以上话音质量总是达到相同 的水平而与传输质量无关；开放的接口：a 接口；安全性：通过鉴权，加密和t m s i 号码的使用达到安全的目的；与i s d n ，p s t n 等的互连。在s i m 卡基础上实现漫游。 4 1 2w c d m a 接入技术 w c d m a 技术能为用户带来最高2 m b p s 的数据传输速率，在这样的条件下，现 在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松传递。w c d m a 的优势在于，码 片速率高，有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集，可以解决多 径问题和衰落问题，采用t u r b o 信道编解码，提供较高的数据传输速率，f d d 制 式能够提供广域的全覆盖，下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间 严格同步。采用连续导频技术，能够支持高速移动终端。相比第二代的移动通信 技术，w c d m a 具有更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率等优势， 而且能够从g s m 系统进行平滑过渡，保证运营商的投资，为3 g 运营提供了良好的 技术基础。c d m a 使用的是直接扩频序列频分编码技术，与基于时分复用机制的g s m 相比具有明显的优势。 4 2 无线信道的主要测量指标及注意事项 无线通信测量和有线通信测量的方法和要求有很大不同。1 ，主要因为无线信 道的传输媒介是自由空间，充满了各种各样的电磁波，无线信道中的噪声和干扰 比有线信道大得多，设备中很多指标和噪声及干扰直接有关。由于无线通信的特 点，到达信道输入端信号是经过传输衰减和干扰污染的信号，所以无线信道测量 主要表祉和衡量信道处理有用信号和抑制无用信号的性能。可分为两大部分：带 内测量和带外测量。带内测量是确保信道处理有用信号的能力，带外测量决定信 道别无川信号的抑制性能。 下面介多“些主要的技术要求 ( i ) 【f 1 频段。工作频段直接决定了信道传输信号种茭 乏调制方式和传输模 t 吣d c s ( 以下行频率为例) ： 第四章无线信道理论 1 n 1 2 4f d = 9 3 5 + 0 2 x ng s m 9 7 5 n 1 0 2 4f d = 9 3 5 + 0 2 ( n 一1 0 2 4 ) g s m 扩展e - g s m 5 1 2 n 8 8 5 f d = 1 8 0 5 2 + ( 0 2 ( n 一5 1 2 ) ) d c s l 8 0 0 表4 1g s m d e s 频段划分 注 ：g s m 取工问隔4 5 m h z ，d c s 双工问隔9 5 删z ； 移动：9 3 5 9 5 4m h z ( 下行) ，8 9 0 9 0 9 m h z( 上行) ； 1 8 0 5 1 8 2 4 m h z ( 下行) ，1 7 1 0 1 7 2 9 m h z ( 上行) ： 联通：9 5 4 9 6 0m h z ( 下行) ，9 0 9 9 1 5 m h z ( 上行) ： 1 8 4 0