（电路与系统专业论文）60mhz～12ghz宽带频率源研究.pdf

摘要 摘要 频率源作为无线电设备中的心脏，具有非常重要的地位，频率源质量的优劣， 决定着系统的一些重要指标。随着近年来无线通信技术，雷达技术，空间技术， 测量测试技术的发展，频率合成技术也呈现突飞猛进的发展势态。 本文首先介绍了频率合成技术的发展历史及现状，并对一些主流的频率合成 技术做简单介绍，对比了各自的优缺点，然后详细论述了6 0 m h z 1 2 g h z 超宽带 频率源的实现方案和具体实现过程，在方案论证中对各项指标做了细致的分析和 计算，保证了方案的可行性。 文中将宽带频率源划分为频率产生，功率控制，主控三部分，重点介绍了频 率产生部分和控制部分。频率产生部分采用y t o 小数n 分频锁相环与下变频、分 频、倍频技术相结合的方法来覆盖整个频段。功率控制部分采用数字a l c 加数控 衰减器实现，控制部分使用高速微控制器及一些必要的外设实现。通过对每个模 块选取适当的电路结构与器件，精心设计并调试，实现了6 0 m h z - 1 2 g h z 频率源 样机的部分功能。该样机不仅包含频率源核心部分，同时具有较完备的人机控制 接口和较好的外形结构，通过后续的不断改进和完善，该频率源在生产和科研中， 可以作为一台通用的仪器使用。 关键词：频率合成器，小数n 分频锁相环，y t o ，杂散，相位噪声 a b s t r a c t a bs t r a c t a st h ek e yp a r to fr f & m w e q u i p m e n t s ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sq u a l i t yc a l l d e t e r m i n e ss o m ei m p o r t a n ti n d i c a t o r so ft h es y s t e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , r a d a r , a n ds p a c et e c h n o l o g y , t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i s t e c h n o l o g yh a sm a d eg r e a td e v e l o p m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h eh i s t o r y o f d e v e l o p m e n to ff r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y , p r e s e n tb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h em a i n s t r e a mf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y , c o m p a r e dt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，a n dt h e np r e s e n tt h ed e s i g na n di m p l e m e n to f t h e6 0 m h z 1 2 g h zu l t r a w i d e b a n df r e q u e n c yg e n e r a t o r i nt h ed e s i g ns c h e m e ，b yc a r e f u la n a l y s i sa n dc a l c u l a t e t h ev a r i o u si n d i c a t o r so ft h ed e s i g n , e n s u r et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g n i nt h i sp a p e r , d i v i d e dt h ed e s i g ni n t ot h r e ep a r t s ，i n c l u d e sf r e q u e n c yg e n e r a t i o np a r t ，o u t p u tp o w e r c o n t r o lp a r t ，a n dc o n t r o lp a r t , f o c u s i n go nt h ef r e q u e n c yg e n e r a t i o np a r ta n dc o n t r o lp a r t f r e q u e n c yg e n e r a t i o np a r tc o n s i s to ff r a c t i o n a l - ny t op l lm o d u l ea n df r e q u e n c y d o w nc o n v e r s i o nm o d u l e ，f r e q u e n c yd i v i d e rm o d u l e ，f r e q u e n c y d o u b l em o d u l e ，a c o m b i n a t i o no ft h e s em o d u l e st oc o v e rt h ee n t i r ef r e q u e n c y1 5 a n d p o w e rc o n t r o lp a r t c o n s i s to fa l cm o d u l ea n dd i g i t a lc o n t r o l l e da t t e n u a t o r s c o n t r o lp a r ti si m p l e m e n t e d b yh i 啦s p e e dm c u a n dn e c e s s a r yp e r i p h e r a l s f o re a c hp a r ta n dm o d u l e ，t os e l e c tt h e a p p r o p r i a t ec i r c u i ta n dd e v i c e s ，b yg o o dd e s i g na n dc a r e f u ld e b u g g i n g ，r e a l i z e dp a r to f t h ei n d i c a t o r so ft h ed e s i g n t h i sf r e q u e n c yg e n e r a t o ra l s oh a se a s y t o - u s eg u ia n d b e t t e rm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h r o u g hc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ，t h i sf r e q u e n c yg e n e r a t o r c a nb eu s e da sag e n e r a li n s t r u m e n ti nr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , f r a c t i o n np l l ，y t o ，s p u r ，p h a s en o i s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丝 日期：乙户年6 月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：至堡翩签名：薹芝婆 日期：7 一。年月7 日 第一章前言 第一章前言 近代的无线电技术发展过程中，当电磁波作为信息传播的载体时，就必然需 要在电路中实现一个能够产生一定频率电信号的电路，这样才能将其他能量转换 为电磁波能量辐射出去，这就是无线电设备中对频率源的需求的本质。产生一定 频率电信号的装置，就是频率源。随着移动通信，雷达，空间技术，测试测量技 术的迅猛发展，对频率源提出了越来越高的要求，小体积，高指标，低功耗，是 当今频率合成技术发展的方向。 1 1 频率源的发展及主要技术 频率源可以分为自激振荡源和合成频率源，自激式振荡源，例如晶体振荡器， 腔体振荡器，介质振荡器，压控振荡器，y g 振荡器等。这些源的输出频率范围， 调谐带宽，近端相噪各有不同，表1 1 给出他们的区别和特点。 表1 1 各种振荡器主要参数对比 、 早期的频率源一般由自激振荡源担当，随着技术的进步，自激振荡源已经不 能满足迅速发展的无线电技术对频率源的频率稳定性和频率精度的要求，为了达 到需求，出现了一系列方法，合成频率源就是2 0 世纪7 0 年代，在这样的情况下 发展起来的新型频率源，目前被广泛应用于现代电子系统中，合成频率源具有频 率稳定度高，相位噪声低，控制方便，使用灵活等优点【1 】【2 】【3 】【4 】。 频率合成技术，是通过一个或多个稳定的参考频率源源，进行频域上的数学 运算，从而产生大量与参考频率源具有同等稳定度和准确度的频率的参考信掣1 1 。 电子科技大学硕士学位论文 频率合成技术史一项技术难度较大的电路技术，他的好坏直接影响到通讯，雷达， 空间技术，仪表等的性能。一个频率合成器的基本指标包括： 频率范围：频率合成器输出地最大频率与最小频率的间隔，称之为输出频率 范围，超宽带的频率合成器可以跨越几个数量级，从几k h z 到几百g h z 。 频率分辨率：频率合成器输出频率不是连续可变的，是一个频点一个频点跳 变的，相邻最近的两个频点之间的频率间距称为频率分辨率。目前采用d d s 技术， 能达到的最小频率分辨率约0 n z 。 频率切换时间：是指频率合成器从接受到频率切换指令开始，到输出频率转 换完成为止，需要的时间。 相位噪声：相位噪声是短期稳定度在频域的表示，短期稳定度是时域的表示。 相位噪声的物理量纲为r a d 2 h z ，定义为偏离载波某个频率1 h z 带宽内噪声功率谱密 度与载波信号功率之比，记为d b c i - i z ，相位噪声是频率合成器最为关键的指标， 它直接影响电子系统的某些性能，如影响雷达的改善因子，影响接收机最小检测 信号能力，影响发射机的e v m 等。 杂散：杂散是指在频率合成的过程中，除了想要的信号外，产生的其他不需 要的频率分量，这些分量有时候没有被充分抑制掉。杂散一般用偏离输出频率某 个频率上的功率与输出信号功率的比值，记做d b c 。杂散也是频率合成器的一个 关键指标，越小越好，一般的频率合成器杂散水平在。6 0 d b e 左右，高质量的频率合 成器杂散水平能达到8 0 d b c 。 除了上述指标，频率合成器还有输出功率，输出功率起伏，功耗，长期稳定 性等指标。以上指标是频率合成器的关键指标，在频率合成器的设计过程中，需 要根据实际情况对这些指标进行综合考虑，以达到最优化设计。 合成频率源按合成技术来分，可以分为三种【l 】： 1 1 1 直接模拟合成 直接模拟式频率合成器实现方法有很多种【1 】，包括混合法，谐波法，双混频法， 三混频法，双混频分频法等。总的来说，都是对基准频率进行各种各样的加减乘 除，通过混频器对频率进行加减，通过倍频器对频率进行相乘，通过分频器对频 率进行相除，通过这样的加减乘除，产生出各种新的频率，然后通过滤波器和电 子开关选出想要的频率，最后经过放大器，滤波器输出。 直接模拟合成是一种经典的方法，最终输出信号的相噪取决于基准频率，一 2 第一章前言 般由晶体振荡器产生，相噪比较好。最终输出信号的杂散由滤波器的性能和电路 的电磁兼容设计合理性决定。最终的调频速度由电子开关的速度决定，目前的开 关速度一般在几十n s 到几百n s 。直接模拟式频率合成器的缺点是体积较大，如果 频率步进比较小，则电路复杂程度会大大增加，另外，直接模拟式频率合成器由 于使用滤波器，开关数量较多，功耗和实现成本也比较高。典型的直接模拟合成 如图1 1 ： 图1 - 1 直接模拟合成法 图1 1 中是混合法直接模拟合成的一个示例，这种方法适用于输出频点较少， 且要求同时输出地情况下，为简洁表示，图中的放大器和滤波器未绘出，可以看 出，整个频率合成器中，由1 个1 m h z 的参考，通过分频，倍频，混频，最终得 到了2 0 0 m h z 2 5 5 m h z 这六个间隔1 5 m h z 的频点，由于使用了一个共同的参考， 这六个输出频点是相参的，且可以同时输出。图中的频率合成器共使用了1 个分 频器，4 个倍频器，5 个混频器，如果再加上放大器，滤波器，可以想象，电路结 构将会十分庞大，虽然采用其他方法可以减少器件的数量，但是总的来说，直接 模拟合成式频率合成器是一种比较复杂的方法。目前在实际中较少使用，除非对 频率切换时间或相噪有特殊要求。一些指标很高的测试仪器内部使用直接模拟合 成技术，如h p 5 1 0 5 a 5 11 0 b ，频率范围从0 1 m h z - - 4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 m h z ，步进0 1 h z , 非谐波杂散7 0 d b c ，频率切换时间典型值为2 0 u s 。需要指出的是，图中的方法并非 3 电子科技大学硕士学位论文 最优，2 0 0 m h z ，2 1 5 m h z ，2 2 0 m h z 2 3 5 m h z ，2 4 0 m h z ，2 5 5 m h z 这六个频点 也可以由其他方法产生。 1 1 2 间接合成( 锁相技术) 间接合成使用锁相环p l l ( p h a s el o c kl o o p ) 技术实现频率合成【2 1 。 锁相环技术实质上是一种同步技术，人们对机械同步的研究早在l7 世纪就开 始研究，而对于电信号的同步则在2 0 世纪1 9 年代才开始研究，1 9 3 2 年，法国工 程师d e b e l l e c t z e 最先发表了相位锁定的理论文章，并实现了第一个p l l ，他称之为 “相关通信“( c o h e r e n tc o m m u n i c a t i o n ) 。锁相技术的第一次广泛应用是在4 0 年代 开始在电视接收机中，解决行和场同步问题，避免了由于噪声干扰引起的随机触 发而使画面抖动的现象，随后，在彩色电视接收机中也用锁相环来同步彩色脉冲 串，从此，锁相技术引起了广泛关注，发展速度也加快了。直到出现可应用的p l l 集成电路，p l l 才广泛应用于工业界。第一个p l l 集成电路大约出现在1 9 6 5 年【6 】， 是一个纯粹的模拟器件。称之为模拟锁相环或者线性锁相环，大约到1 9 7 0 年，出 现了第一个数字锁相环，实际上，它是一个混合器件，仅有鉴相器采用了数字电 路，即使用一个e x o r 或一个j k 触发器，剩下的部分仍然是模拟电路。 今年来，伴随着集成电路，计算机技术的发展，锁相技术也表现出较快的发 展，涌出现了全数字锁相环，软件锁相环等新的技术。全数字锁相环中，包括鉴 相器，环路滤波器，数控振荡器，分频器，这些部件全部是数字实现的，与通常 的数字锁相环相比，具有很好的制造性和可配置性。软件锁相环是随着计算机的 运行速度不断提高而产生的，它采用软件计算代替传统锁相环中的电子元件，当 然，在某些场合下，这样做是不经济的，但是在某些场合，尤其是对实时带宽要 求不高的控制场合，软件锁相环与传统锁相环相比有很大优势，并且随着技术的 发展，相信软件锁相环会有一个比较广泛的应用【7 】。 到目前为止，锁相技术已经在许多领域得到广泛应用，从雷达，通信，导航， 遥测，遥控，激光，仪器，测量，计算机，乃至冶金，电力，机械加工等领域也 广泛使用锁相技术【2 】。目前基本上大的半导体公司都有生产锁相环集成电路【7 1 ，比 较突出的有a d i ，n s c ，q u a l c o m m 公司等，锁相环芯片正在超小型化，集成化，高 工作频段，低噪声基底发展，例如a d i 公司的a d f 4 3 5 0 锁相芯片，片内集成 2 2 0 0 m h z - - 4 4 0 0 m h z 宽带v c o ，小数n 分频器，参考分频器，倍频器，鉴频鉴相器： 同时还包括输出可变分频器可以将输出频率扩展至1 3 7 5 m h z - - 4 4 0 0 m h z ，片内还包 4 第一章前言 括其他辅助控制电路，这么多模块，全部集成在5 m m 5 m m 的3 2 脚l f c s p 封装 内。另外，例如n s c 公司的l m x 2 4 3 x 系列锁相芯片，片内包含两个锁相环路， 可以构成一个双环频率合成器，还有n s c 公司的l m x 2 5 4 1 ，是一个单锁相环芯片， 片内集成v c o ，芯片的归一化噪声基底低至2 2 5 d b c h z ，还有一些采用非s i 工艺的 锁相芯片，工作频率达8 g h z 以上，如h i t t i t e 公司的h m c 7 0 2 l p 6 c e ，工作带宽 1 0 k h z - 1 4 g h z ，归一化噪声基底在整数分频时为2 2 7 d b c h z ，小数时2 2 1 d b c h z ， 代表了目前单片锁相环集成电路的较高水平。 一 1 1 - 2 1 模拟锁相环 使用模拟锁相环锁定v c o 来进行由于频率合成，由于锁相环是一个窄带系统， 频率跳变需要时间较长，相比直接模拟频率合成，速度要慢，一般在1 0us 以上， 模拟锁相环主要是使用了模拟鉴相器，一般是正弦鉴相器，所以相位噪声指标比 较好，电路也比数字锁相环复杂，体积较大，成本较高。典型的模拟锁相环框图 如图1 2 ： 图1 - 2 模拟锁相环 从图中可以看出，v c o 输出信号与晶振倍频上来的微波基准混频，将v c o 频率搬移至中频段，方便处理，混频后的信号经过放大器再与晶振产生的一系列 频率标准信号进行同频鉴相，这里的鉴相器一般由模拟乘法器担任，鉴相后产生 的电压经过滤波后与v c o 预置电压相加，锁住v c o 相位，使v c o 输出跟踪参考 晶振相位。利用频率控制，同时控制v c o 频率和频标频率，实现输出不同的频率 和频率捷变，这里描述的是一个典型的微波混频锁相环，当v c o 输出频率不高时， 可以不使用混频器与倍频器，将v c o 输出信号直接送至鉴相器进行鉴相。由于模 5 电子科技大学硕士学位论文 拟锁相环电路结构较复杂，且捕获范围和同步范围较窄，锁定困难，容易失锁， 目前，模拟锁相环主要用在对相噪要求较高的场合。 1 1 - 2 2 数字锁相环 使用数字锁相环进行频率合成，数字锁相环与模拟锁相环相比，主要是使用 了数字鉴频鉴相器和数字分频器。采用数字锁相环的频率合成器，具有体积小， 成本低，频率步进小，使用方便可靠等优点，在现代集成电路技术的支撑下，可 以实现大规模集成。目前，采用数字锁相环的频率合成器大量应用在通信系统中， 采用数字锁相环的频率合成器的主要缺点是相位噪声指标不够好，因为锁相环内 使用了数字分频器，输出的相位噪声指标与环内分频器的种类和分频比有关，一 般来说，分频比越大，输出信号的相位噪声指标越差，一般按2 0 l o g o 叼恶化【8 】。典 型的数字锁相环框图如图1 3 ： 图1 3 数字锁相环 从图中可以看出，与模拟锁相环不同，数字锁相环中，v c o 输出频率通过分 频器，被除以n ，目的是把v c o 输出频率降至鉴相频率f r 左右，然后将v c o 分频 后的信号和参考信号送至数字鉴相器鉴相，鉴相器输出电压信号通过输出积分滤 波器去控制v c o 振荡频率，使v c o 锁定，从图中看的出来，v c o 的频率在被除 以n 倍的时候，相位差也被除以n ，因为相位是频率的积分，锁相环路是一个闭 环反馈系统，经过鉴相器后，等效把v c o 相位不稳定性放大了n 倍，因此n 的 大小会直接影响输出相位稳定性。n 越大，输出信号相位稳定性越差，即就是输 出信号相位噪声变差，与上面所描述一致。 1 1 3 直接数字合成( d d s ) 1 9 7 1 年，t i e m e y , j ，r a d e r , c ，g o l d , b 发表了ad i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 这 6 第一章前言 篇文章，对直接数字式频率合成，即d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 的原理进行了较 全面和深入的介绍【6 1 ，标志着d d s 技术发展的起端。d d s 技术是采用数字技术产 生一个数字序列，然后采用数模转换器将数字序列转换为模拟输出，然后使用滤 波器进行滤波，得到需要的信号。d d s 合成器包括5 个基本单元，如图l _ 4 ： 图1 _ 4 直接数孚合成 参考源一般是一个稳定的晶体振荡器，用于同步d d s 的各个模块。相位累加 器是用于将频率控制字转换为相位样本的模块，可决定给定取样时间时，输出波 形的幅度，当设置这些数据时，正弦查找表将每个相位样本转换为一个正弦波形 的数字幅度样本，该样本又被数据转换器转换为对应的模拟信号，位于输出端的 低通滤波器对取样保持时产生的不必要分量进行滤除，同时也滤除其他杂散分量。 d d s 技术的独特性决定了其如下特点： 频率分辨率超高：d d s 的频率分辨率取决于时钟频率和相位累加器的长度， 目前的d d s 芯片相位累加器长度可达4 8 位，可以实现微赫兹的频率步迸，这是 传统频率合成技术难以匹敌的，传统的频率合成技术要实现如此小的分辨率，电 路结构将大大增加。 频率捷变时间短：d d s 的频率捷变时间可做到纳秒量级，比传统的锁相技术 要短的多，与直接模拟合成方法相当。 频率捷变时相位连续：从d d s 原理可以看出，当在改变输出信号频率的时候， 实际上是改变了信号相位的变化速率，在改变相位变化速率的时候，相位并未发 生突变，因此，d d s 在频率变化时，相位不会突变，在一些特殊场合，如调频通 信等，要求信号频率跳变时，相位连续，在这种情况下，d d s 技术有很大的优势。 数字调制能力：d d s 是一个全数字实现的相位控制系统，因此非常容易实现 调制，如a s k , f s k , p s k , m s k 等各种调制信号。 d d s 工作频段低受限于集成电路技术，目前d d s 的输出信号还不能做的太高， 7 电子科技大学硕士学位论文 这个是d d s 技术的最大限制，因此，在当前的应用中，d d s 主要是跟其他技术相 结合，产生宽频段，小步进的信号。相信随着技术的发展，d d s 的工作频段会越来 越高。 目前，d d s 芯片的生产厂商主要有q u a l c o m m , s t a n d f o r d ，h a r r i s 以及s y n e r g y 等公司，其中具有代表性的是美国的a d i 公司，其产片系列庞大，从低频段到高 频段，从低端应用到高端应用，种类繁多，集成度高，性能优异。d d s 技术的发 展目标主要是不断提高工作频率，降低杂散，同时要减小功耗。目前的d d s 相位 累加器字长已经达4 8 位，近端无杂散动态范围达9 0 d b ，如a d 9 9 5 6 ，工作频率己达 g h z 以上，如a d 9 9 1 2 工作频率i g h z 。这些芯片具有很高的性价比，在某些场合， 可以大大简化设计方案。 1 1 4 几种技术的对比及总结 对上述几种频率合成技术进行对比，见表l - 2 ： 表1 - 2 几种频率合成技术的对比 从表中可以看出，每种频率合成技术有各自的优点和缺点，从目前发展来看， 直接数字合成技术和数字锁相技术应用较广泛，面对多样化的需求，大部分情况 下，采用一种方法是解决不了问题的，因此出现了一些这两种技术结合的方法， 如d d s 驱动p l l ，d d s 内插p l l ，d d s 与p l l 输出环外混频等技术【5 1 ，这些技术 都是将直接数字频率合成器的精细频率步进优点与数字锁相的宽输出频率范围优 点结合起来，形成了各具特色的解决方案，伴随着越来越苛刻并多样化的需求， 相信会有更多的技术涌现出来。 1 2 本文的主要工作 本文对频率源及频率合成技术的发展及现状做了简要介绍，并重点介绍了目 8 第一章前言 前的几种主流技术，本文的主要工作包括： 1 对6 0 m h p l 2 g h z 宽带信号源的指标进行分析，根据指标要求制定了整体方 案。 2 对基础频段产生部分进行划分，分为下变频，分频，y 1 o 小数分频锁相环 路，倍频这四个频段，每个频段分别覆盖整个频段中的一段，各个模块在控制单 元的协调下，最终覆盖整个频段。 3 分别设计了下变频，分频，y t o 小数锁相环，倍频，以及参考，电源部分 电路。 4 提出了数字a l c 及功率控制方案，数字a l c 方案经过初步验证，效果较好。 5 采用a r m 7 处理器设计并实现信号源的控制部分，包括对各个模块的控制， 人机交互界面，以及与上位机的通信。 6 设计并实现宽带信号源的整机结构。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章6 0 m h z 12 g h z 频率源方案论证 2 1 整体方案及指标分析 根据指标要求，本设计方案要能够实现以下指标及功能： 输出频率范围：6 0 m h z 1 2 g h z 频率分辨率：l o o h z 输出功率范围： 一8 0 d b m , - - + 2 0 d b m 6 0 m h z , - - 6 g h z - - 8 0 d b m - - , + 1 7 d b m 6 g h z - 1 2 g h z 功率分辨率：l d b 单边带相位噪声： 8 0 d b c h z 1 0 k h z 非谐波杂散： 一5 0 d b c 供电电源： a c 2 2 0 v 控制接口：具有人机交互界面 其他：上位机通过u s b 控制信号源 对上述指标进行分解，可以划分为三大部分，第一部分为频率产生部分，这 部分的功能是让输出信号覆盖整个频段，第二个部分为功率控制部分，这部分的 功能是要让输出信号的功率能够覆盖8 0 d b m , - , + 2 0 d b m 的动态范围，第三部分是辅 助及控制部分，这部分主要包括电源，参考，控制，界面等。 对整体指标进行分解后，我们着手设计各个部分的方案。 频率产生部分：指标要求输出频率范围为6 0 m h z 1 2 g h z ，这么宽的频段，不 可能通过某一个振荡器直接输出，通常的做法是先产生一段指标较好的基础信号， 然后对这个基础信号进行扩展，从而覆盖整个频段。尤其是要求信号源覆盖较低 频段的时候，这种方法最为常用，对基础信号进行扩展，增加覆盖的频段的方法， 包括向上扩展和向下扩展，向上扩展包括的方法包括倍频，变频，向下扩展的方 法包括变频和分频，实际中需要根据不同的情况，选择合适的方法1 9 。 实现功率控制的方法，一般是将输出的宽带信号稳定在一个固定幅度上，然 后通过衰减器，对信号进行定量衰减，使输出信号的功率达到要求的动态范围， 可以看出，功率控制分为两部分，一部分是自动电平控制( a l c ) ，另一部分是衰减器， 对于本系统来说，难点有两个，一个是频段超宽，从6 0 m h z 1 2 g h z ，这么宽的频 1 0 第二章6 0 m h z 1 2 g h z 频率源方案论证 段对a l c 和衰减器都提出了很高的要求，另外一个难点是输出信号功率的动态范 围较大，达1 0 0 d b ，尤其是要求输出信号功率很低的时候，要保证衰减器隔离度， 屏蔽都很好，所以对衰减器的要求较高，同时，对整个系统结构设计也提出了较 高的要求。 频率产生部分和功率控制部分是整个信号源的核心，这两部分直接决定了信 号源最终输出信号的质量。控制及外围模块虽然在系统中处于非主要地位，但是 也是很关键的部分，控制部分起协调各个模块的作用，同时还要提供人机操作界 面，关系着信号源的易用性，外围模块，包括电源，参考，散热等，这些模块的 稳定工作，是整个系统稳定工作的前提。经过仔细规划，系统的整体框图如图2 - 1 所示： 图2 1 整体框图 从图中可以看出，频率产生分为小数分频锁相环、分频、下变频、倍频四个 电子科技大学硕士学位论文 部分，小数分频锁相环是这个系统的基础频段，覆盖中间频段，通过分频、下变 频覆盖低频段，再通过倍频，覆盖高频段，这样就覆盖了整个频段，功率控制部 分的a l c 分为高低两个频段实现，这主要是考虑到现有器件的带宽难以覆盖整个 频段，两个a l c 将两个频段的信号稳定在一个固定功率后，合为一路送至衰减器 对信号进行衰减，覆盖要求的输出功率范围。频率产生部分与功率控制部分与外 围的电源，参考，面板等在控制模块的协调下稳定工作，产生满足要求的信号。 下面针对指标中的要求对此方案进行仔细论证，主要指标包括：输出频率分 辨率，输出频率范围，输出信号相位噪声、杂散以及输出信号功率范围。 2 2 频率分辨率 实时频率的最小分辨率在无线电应用领域具有重要的意义。因此，频率分辨 率是频率合成器中一个较重要的指标。指标中要求实现1 0 0 h z 的频率分辨率， 1 0 0 h z 的频率分辨率对于6 0 m h z 1 2 g i - i z 的带宽来说，属于很小的步进。 产生小步进信号的方法有很多种，包括d d s 技术、小数分频锁相技术、多锁 相环技术等，其中d d s 可以实现u h z 级别的步进，但是其输出频带很窄，一般需 要配合锁相环来产生较宽带的信号，通常的做法是用d d s 的输出去驱动锁相环， 但由于d d s 的远端杂散较差，落在环路带宽外的杂散信号经过锁相环倍频后，将 迸一步恶化，所以即使用锁相环配合d d s 也难以产生太宽带的信号。小数分频可 以实现h z 级别的步进，但小数分频会产生较多的杂散，目前的主要方法是采用 技术，对小数分频产生的杂散进行调制，将杂散信号的功率调制到远端，从而 降低杂散。多锁相环技术的频率分辨率与具体的实现结构有关系，步进越小，电 路越复杂，通常的做法是使用一个环路产生大的步进，另外一个环路产生小的步 进，将这两个环路的输出相加，得到大带宽，小步进的输出信号【1 0 】 1 l 】。 由图2 - 1 可以看出，本系统中要产生2 g i - i z , - - 6 g h z 的基础频段，对比上述几种 产生小步迸频率的方法，d d s 去驱动锁相环的方法不能实现如此宽的频段，多环 结构电路过于复杂，因此最终选取小数分频技术来实现。小数分频的本质是让分 频比在两个或多个分频比之间不停地切换，从而得到一个平均的分频比，例如， 要得到1 0 5 的分频比，可以在1 0 0 个输入信号周信之内，有5 0 个周期是1 0 分频， 另外5 0 个周期是1 1 分频，最终将会得到1 0 5 的分频比，早期的小数分频采用吞 吐脉冲技术，这种小数分频器会产生一个周期的相位抖动，从而导致v c o 输出杂 散比较大，一般采用d a c 输出去补偿鉴相器输出电压，这种方法电路复杂，且由 1 2 第二章6 0 m h z 一1 2 g h z 频率源方案论证 于d a 的特性不理想，依然不能完全消除小数分频杂散。 随着技术的发展，一a 技术开始在小数分频器里应用，简单的说，a 技术 就是采用很高的切换频率在几个不同的分频比之间切换，将相位抖动调制到个 宽频带的信号上，从v c o 的输出来看，就是将输出信号中的杂散能量调制到远端， a 目前已经广泛应用在小数分频锁相环中，如a d i 公司n s 公司，h i t t i t e 公司的 小数分频锁相芯片，均采用了- a 调制技术。 采用小数分频的锁相芯片，决定频率分辨率的是模位数和鉴相频率，在有些 芯片中，模位数的长度是可以设的，通常情况下，一般小数分频锁相芯片，模位 数最大都可以达到2 0 位以上，在本方案中，作为系统的基础频段，只要小数分频 锁相环环输出信号的频率分辨率能够满足要求，则最终输出信号的频率分辨也就 能满足要求。 本设计选用h i t i t t e 公司的h m c 7 0 0 l p 4 ，它是一款优秀的小数分频锁相芯片， 与同类的产品相比，其具有更优异的相噪与杂散性能。且内部功能模块可以灵活 配置0 2 。h m c 7 0 0 l p 4 小数分频的模为2 4 位。其输出频率可以表示为如下式： 昂盯= 肼丁+ ( 胁c m o d ) l x ( 2 - 1 ) 盯为输出频率，j r 为整数分频因子，f r a c 为小数因子；m o d 为模数； 为鉴频鉴相器输入频率。当整数因子胛固定时，频率分辨率为： = f m o d(2-2pfd im o d22 ) ，艘。，【) 本设计中，h m c 7 0 0 的最大模数m o d = 2 2 4 ，设计中采用的鉴相频率 b m = 5 0 m h z 。计算得小数分频环输出的频率分辨率 = 2 9 8 5 h z( 2 - 3 ) 经过2 倍频之后，整个频段上的分辨率仍能达到： = 2 9 8 5 h z x 2 = 5 9 7 h z ( 2 4 ) 可以看到，小数分频环的输出频率分辨率能够轻松地满足指标要求，要实现 1 0 0 h z 的分辨率，只需要通过设置m o d 寄存器值，将频率分辨率设定为1 0 0 h z 。 从以上分析可以看出，本设计的最小频率分辨率为5 9 7 h z ，完全能够满足系统要 求的1 0 0 h z 分辨率指标。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 3 输出频率范围 本设计方案采用将一段处于中间的基础频段进行上变频，下变频，分频的方 法，来覆盖整个频段，小数分频锁相环输出2 g h z - - 6 g h z 。进行频段扩展后，输出 6 0 m h z 1 2 g h z 。在频段扩展部分中，分三段进行处理，包括小数分频环共四个频 段，考虑最终输出的连续性，四个输出频段有1 0 0 m h z 交叠。四个频段分别为： 1 下变频段：对小数分频锁相环的输出进行下变频，下变频输入频率范围为 2 6 6 g h z - 3 7 6 g h z ，与2 6 g h z 本振混频后，得到6 0 m h z i 1 g f i z 输出。 2 分频段：对小数分频锁相环输出进行2 分频，分频段输入范围为 2 g h z , - , 4 2 g f i z ，经2 分频后，得到1 g h z 2 1 g h z 输出，为降低滤波器实现难度，分 频段再分为两段，一段输出1 g h z - 1 6 g h z ，另外一段输出1 5 g h z 一2 1 g h z 。 3 直接输出段：小数分频锁相环输出，得到2 g h z , - 6 g h z 输出信号。 4 倍频段：小数分频锁相环输出进行倍频，得到6 g h z - 1 2 g h z 输出。 频段的规划如上所述，整机只有一个最终输出，频段的切换在内部自动实现， 无须人工干预。 2 4 相位噪声分析 本设计中，系统最终输出的相位噪声主要取决于小数分频环输出的相位噪声。 小数分频环输出经过频率扩展部分后，相噪指标将会变化，经2 倍频后，相噪恶 化2 0 1 0 9 ( 2 ) ，经2 分频后，相噪改善2 0 1 0 9 ( 2 ) ，经下变频后，相噪取决与下变频本振 v c o 的相噪，在设计时，要保证下变频本振相噪要低于输入射频信号的相噪，下 面主要对小数分频环的相噪进行分析【1 3 】【1 4 1 1 5 1 。 在锁相环频率合成器中，噪声的来源是多方面的，既有外部噪声，也有电路 的内部噪声。这里仅考虑电路内部产生的随机噪声的影响。相对于信号而言，任 何一个噪声都是很微弱的，产生的相位抖动也很小，因此可将锁相环视为线性系 统。把锁相环各个部件本身视为无噪原件，将其产生的噪声等效为某一噪声电压 ( 或相位) 的输入，根据线性系统叠加原理，按噪声对环路作用的不同，可将锁 相频率合成器的相位噪声归纳为三类： 第一类是作用在参考分频器输入端的晶体振荡器等效相位噪声。 第二类是作用在鉴相器输入端的等效相位噪声，包括鉴相器、可变分频器和 1 4 第二章6 0 m h z - 1 2 g h z 频率源方案论证 参考分频器的触发噪声、以及环路滤波器的各种有源和无源器件的等效噪声。也 即环路底噪声，在环路通带内，它具有白色频谱特性。 第三类是作用在压控振荡器输出端的等效相位噪声，这主要是压控振荡器的 内部噪声。 锁相环的输出相位噪声与锁相环中的所有噪声源都有关。这些噪声源包括参 考源、参考信号分频器、鉴频鉴相器、环路滤波器、v c o 、v c o 分频器。这些噪 声源插入锁相环的位置如图2 2 所示： 田 i - j 图2 - 2 相位噪声模型 锁相环相位噪声传递模型其中：屯为参考信号的相位噪声；虎。为参考信号分 频器的相位噪声； 为鉴相器的相位噪声；九为环路滤波器的相位噪声；w 为锁相环输出的相位噪声；九肋为v c o 的相位噪声；蠊为n 分频器的相位噪声。 除了v c o ，其他部件引入的相位噪声的传递函数均为低通特性，而v c o 引 入的噪声的传递函数具有高通特性。在实际分析的过程中，如果由基准振荡器、 鉴相器、环路滤波器等分别引入的相位噪声相差较大，则环路的相位噪声性能一 般是由最差的那一项决定，而其余较小的分量则可以忽略不计。由前面的分析可 知，锁相环输出信号的相位噪声由低通型和高通型两部分组成。其中的低通型相 位噪声主要由环路内各器件引入的噪声、反馈支路的分频比决定，而高通型的相 位噪声则主要由v c o 决定。 在进行低相位噪声锁相环的设计时，首先选取相位噪声低的晶体振荡器、鉴 相器、环路滤波器、v c o 等。其次是根据环路输出频率及输出频率步进的要求， 采取措施，尽可能地降低反馈支路的分频比，这样，在锁相环内各器件相位噪声 确最后，选择合适的环路闭环带宽可以获得最佳的相位噪声。一般情况下，将环 路的截止频率选在环路内低通型相位噪声和v c o 相位噪声的交点处，可以获得较 1 5 电子科技大学硕士学位论文 佳的相位噪声性能。使用数字分频器和鉴相器的锁相芯片在环路带宽内对相位噪 声的贡献可以用下式进行计算i s ： p h a s e n o i s e = 只1 h z + 1 0 1 0 9 ( ) + 2 0 l o g ( n )( 2 - 5 ) 其中，只1 h z 为锁相芯片的单位赫兹鉴相频率噪声基底；b m 为鉴相频率； 为分频比。参考h m c 7 0 0 l p 4 手册可知，其1 勉在分数模式下为2 2 1 d b c i - i z ， 本设计中，耳肋设计为5 0 m h z ，最大分频为1 2 0 。可计算出环路内的最佳相位 噪声为1 0 2 d b c h z 。经过2 倍频后，相位噪声恶化2 0 1 0 9 ( 2 ) ，即为一9 6 d b c h z 。这个 相位噪声指标满足系统要求。环路带宽外的相位噪声则由y t o 决定，此次设计选 用的y t o 的相位噪声典型值为1 1 0 d b c h z 1 0 k h z ，得益与参考源、小数分频锁 相芯片、y t o 良好的相噪指标，本设计相噪较容易达到指标，使得环路滤波器带 宽的设计自由空间比较大，主要考虑杂散抑制和环路锁定时间。 对下变频部分来说，要求本振的相位噪声指标要优于最终要求的指标，本振 是一个点频源，设计的时候可以牺牲其他指标来换取好的相位噪声指标，主要是 要选低相噪的v c o 和低噪声基底的锁相芯片。综上所述，本设计方案能满足指标 的相噪要求。 2 5 杂散分析 在本系统中，杂散主要产生在小数分频环和频段扩展中的下变频部分。 在小数分频锁相环中，杂散主要包括：鉴相泄露杂散，脉冲杂散，主分数杂 散，子分数杂散。在下变频部分，杂散主要包括本振泄漏、射频泄漏、本振谐波 与射频谐波的混频分量。下面主要讨论小数分频环中的杂散，下变频部分的杂散 将在模块设计中详细说明。 小数分频环中的杂散主要包括下面几种 16 】 1 7 】【1 8 】【1 9 】： 2 5 1 泄漏杂散 当环路锁定时，电荷泵呈现t h s t a t e 状态，理想电流值应为0 ，然而由于电荷 泵的很小的泄漏电流( 如1 0 0 n _ a ) ，其周期为t = 1 f p f o ，为了满足电流的平均电 流为零的条件，会出现一个脉冲宽度很短的相反流向的电流。由于脉冲的周期性， 会在v c o 的输出中有偏离载波及刀，岛的杂散。其计算公式为8 】： 三阳蚴妒= b 珊卵池e 印计+ 印玎国i n + 2 0 x l o g ( 丝笔马( 2 与) 1 6 第二章6 0 m h z - 1 2 g h z 频率源方案论证 其中： 2 5 2 脉冲杂散 s p u r g a i n ( f s p u r ) = 2 0 x l o g c l ( s ) s ：，。f 印。2 。， b a s e l e a k a g e s p u r = 1 6 o d b c ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 在经典的p l l 设计