（物理电子学专业论文）微波数据通信系统中频率合成技术研究.pdf

摘要 本文阐述了一种应用在微波波段的锁相环频率合成器，其具有频率 稳定度高、相位噪声小等优点。 论文介绍了锁相环技术的特点及发展状况，阐述了锁相环频率合成 器的基本工作原理，分析了锁相环路特性，建立了系统相位噪声等模 型。以理论推导为基础计算出环路滤波器的参数并分析了参数变化对环 路性能的影响，根据计算结果选择出符合系统性能指标的器件，对开环 增益，闭环增益，相位噪声和信号捕捉时间等进行了仿真，并依据仿真 结果进行实际电路的设计。在实际应用中，根据具体环境适当调整元件 参数，满足了实际工程的需要。 关键词：微波锁相环相位噪声环路滤波器 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l et h ea u t h o rd e s i g n st h ep l lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri n m i c r ow a v eb a n d i th a st h ea d v a n t a g eo fh i g hs t a b i l i t y 、h i e , ha c c u r a c ya n d s m a l lp h a s en o i s ee t c i nt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p i n g e i r c so ft h ep l lt e c h n i q u e ，e x p a t i a t e st h eb a s i cw o r kp r i n c i p l eo fp l l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n db u i l d st h em o d e lo f s y s t e mp h a s en o i s ee t c t h e nc a l c u l a t e st h ep a r a m e t e r so ft h el o o pf i l t e r b a s e do i lt h et h e o r ya n da n a l y z e st h ea f f e c t i o nf o rt h el o o pf i l t e rw h e n c h a n g et h ep a r a m e t e r s ，t 1 l i sp a p e rs e l e c t st h ee l e m e n t sa c c o r d i n gw i t l lt h e r e q u i r e m e n to f t h es y s t e m ，p r o c e s s e st h ee m u l a t i o no f o p e nl o o pg a i n ，c l o s e l o o pg a i n ，p h a s ey a w pa n dc a p t u r et i m ee t c d e s i g nt h ec i r c u i tb a s e do nt h e r e s u l to fe m u l a t i o n i nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，c h a n g et h ev o l u m eo ft h e e l e m e n t sp r o p e rb a s e do rt h ec i r c u m s t a n c e , s oi tc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t o f t h ea c t u a lp r o j e c t k e yw o r d s ：m i c r ow a v e p h a s el o c kl o o pp h a s en o i s e l o o pf i l t e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，微波数据通信系统中频 率合成技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名：叠盟国珥年半月盅同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：直尘孕生珥年牟月上日 指导导师签名：e 舭竺鲫年上月上日 第一章绪论 1 1 锁相环技术特点及其概况 锁相环技术( p h a s el o c k e dl o o pt e c h n o l o g y ) 是实现相位自动控制 的一门学科，是专门研究系统相位关系的新技术。锁相环是模拟及数模 混合电路中基本并且非常重要的一个模块，是一个能够跟踪输入信号相 位和频率，并能输出被锁定相位、低抖动的其它频率信号的系统。在系 统应用中，它往往是提供完整解决方法的一个强有力的技术手段。在通 信系统、数字电路、硬盘驱动电路及c p u 等专用芯片中都是个必不可少 的单元，并且直接影响整个系统的工作稳定性和各项指标的好坏。 最初，d e b e l l e s c i z e 于1 9 3 2 年提出同步检波理论i l l ，首次公开发 表了对锁相环的描述，提出了同步检波理论。实现同步检波技术的关键 是如何产生一个本振信号，使它与同步检波器另一个输入的微弱载波信 号保持频率相同。而在一般的自动频率控制或自动频率微调技术中，因 为存在固有的频率误差而不能满足上述要求。众所周知，如果能保证两 个信号之间的相位差恒定，那么必然保证两个振荡的频率相等，这种现 象称为频率同步或相位锁定。这是锁相环最基本的概念，也是锁相技术 的理论基础。由于科学技术发展和实际应用的需要，促进了人们对锁相 环技术的研究，从而促进了该技术的发展。 直至1 9 4 0 年，锁相环才第一次应用于电视接收机水平扫描的同步 装置中，它可以抑制外界噪声对同步信号的干扰，使电视图像的同步性 能得到很大的改善。利用锁相环路的窄带滤波特性滤除噪声，使行扫描 振荡器跟踪输入行扫描信号，并与其保持同步，使得荧光屏上得图像稳 定清晰悼j 。 在五十年代，随着空间技术的发展，由杰斐和里希廷利用锁相环路 作为导弹信标的跟踪滤波器获得成功，他们第一次发表了包含有噪声效 应的锁相环路线性理论分析的文章，同时解决了锁相环路最佳化设计的 问题。 早期的锁相环由于技术上的复杂性及较高的成本，应用锁相环的领 域主要在航天方面，包括轨道卫星的测速定轨和深空探测等。性能要求 较高的精密测量仪器和通信设备有时也用到了它。到7 0 年代，随着集 成电路技术的发展，逐渐出现了集成的环路部件、通用单片集成锁相环 以及多种专用集成锁相环，锁相环逐渐变成了一个成本低、使用简便的 多功能组件，这就为锁相环技术在更广泛的领域应用提供了条件。目前， 锁相环原理的应用已经深入到许多学科中，例如生物物理学、生理学、 原子物理学、流体力学、气象学、海洋学等等。 1 2 本课题研究目的和主要内容 本课题的目的是设计一个工作在微波波段的锁相频率合成器。在该 频率合成器的设计中，采用了锁相式频率合成技术，应用锁相倍频理论。 它以a d i 公司生产的a d f 4 1 l x 芯片为核心，并采用t i 公司生产的 d s p 2 4 0 7 作为控制芯片对a d f 4 1 l x 写入控制字。使用h i t r i t e 公式的 h m c 4 3 l l p 4 来产生信号。环路滤波器的设计和相位噪声模型的建立是本 课题中的重点，因为元件参数决定了环路滤波器的性能参数，而环路滤 波的性能直接影响整个系统的性能指标。 论文主要内容如下： 第一章是绪论部分，介绍了锁相环的发展以及笔者在本课题中的主 要工作。 第二章介绍了锁相环路的基本工作原理并对环路的特性做了深入 的分析。建立了相位噪声模型并且提出了环路带宽选择条件，为实际设 计提供了理论基础。 第三章是频率合成器的设计。在硬件电路设计上，根据本课题的性 能要求及其特点选择适合的芯片。根据理论推导计算出环路滤波元件参 数，并得到环路滤波的性能指标。在软件设计上，根据芯片手册要求写 入正确的控制字，使芯片按照设定值工作。 第四章是调试结果及其分析。由于环境变化以及各种客观条件等因 素，理论计算值并不能很好的实现环路滤波的性能指标，适当的改变元 件的参数才能得到良好的性能指标。 2 第二章锁相环的基本原理和环路特性分析 2 1 锁相环频率合成器的基本工作原理 一个基本的锁相环路由以下几部分构成。如图2 1 所示，输入信号 为杉( ，) ，输出信号为。( ，) 被反馈到输入端。经过环路的反馈控 制后，输出信号角频率与输入信号角频率相等。输入、输出信号的相位 差达到稳定值，环路锁定。其中，鉴相器进行相位比较的部分，它把压 控振荡器输出信号v o ( t ) 与输入信号l ( f ) 的相位进行比较。产生相位信 号差的误差电压巧。频率合成器中输入信号k 一般由高稳定的晶 体振荡器提供。 图2 1 锁相环的基本框图 2 1 1 锁相环频率合成器的组成部分 v o ( t ) 1 鉴相器 鉴相器的具体电路很多，有模拟的，也有数字的，输出特性有正弦 型、锯齿型、三角型、也有方波。下面分析具有正弦鉴相特性的鉴相器 原理。 常用的正弦型鉴相器的功能可以分解为两个作用，首先是相位相减 作用，即取得两个输入信号之日】的相位差；其次将相位差转换为误差电 压输出，它的物理模型和功能模型如图2 2 所示。 设输入信号 k ( f ) = ks i n w l t + q ( f ) 】 3 ( 2 1 ) 式中k 为输入信号振幅，w i 为输入信号角频率，q ( f ) 为输入信号 的载波相位。w o ( t ) 为参考的瞬时相位a 设压控振荡器输出信号为 ( r ) = e o s w o + 岛( r ) 】 式中v o ( t ) v c o 输出信号振幅， ( 2 2 ) w 0 为v c o 固有振荡频率，o a t ) 为 v c o 输出信号，以其固有振荡相位w o ( t ) 为参考的瞬时相位。 把输入瞬时相位写成 w l f + b ( r ) = ，+ 【( w 1 一w o ) t + q ( ，) 】= f + 研( ，) ( 2 3 ) 图2 2 正弦鉴相器模型 输出瞬时相位写成k d ( t ) s i n 8 , ( t ) w o t + 0 0 ( 0 = w o t + 以( f ) ( 2 4 ) 则鉴相器输出电压为 ( f ) = k 。巧( t ) v o ( t ) = k 。ks i n w o t + 只o ) 】e o s w o t + 岛o ) 】 = k m v i i ( f ) ( f ) s h a 2 w o h 岛( f ) + 岛( ，) 】 + k z , v os i i l 【日( f ) 一岛o ) 】 4 ( 2 5 ) j ( f ) 髟 p 一石 v d 吼o ) 一一k d 图2 3 正弦鉴相器特性曲线图 k 。为乘法器的系数，滤掉2 w o 成分后 巧= k as i n 晓( f ) ( 2 6 ) 此即鉴相器的鉴相特性，其中 1 o a t ) = b ( f ) 一o a t ) ，k 一= k 。巧 特性曲线如图2 3 所示 2 环路滤波器 环路滤波器是线性电路，般有有源和无源两大类。这种电路输入 输出电压的关系可用一常系数线性微分方程表示。不考虑电路的初始扰 动，可用传递函数把输出一输入的拉普拉斯变换联系起来。 设环路滤波器的传递函数为，( j ) ，则 v a s ) = f ( 5 ) ( s ) ( 2 7 ) 其时域表示式为 k ( f ) = n ( f ) 巾一f ) 如 ( 2 8 ) 式中厂( ，) 为环路滤波器的脉冲响应函数，f ( t ) = l - 1 【f o ) 】。 为方便起见，也可使用微分算子p = 州, i t ，由于不考虑初始扰动， 5 传递函数中的拉普拉斯算子j 和微分方程中的微分算子p 是一一对应 的。所以使用微分符号可写出输出一输入关系的时域表达式为 v a t ) = f ( p ) v a ( t ) ( 2 9 ) 图2 4 是环路滤波器的模型图。 图2 4 环路滤波器模型 3 压控振荡器 压控振荡器是电压一频率变换器，在锁相环路中其频率受环路滤波 器输出电压控制，而其输出信号的相位随环路输入信号的变化而变化， 从而保持相位跟踪，压控振荡器的控制特性如图2 5 。图中( f ) 和 p ) 分别是瞬时角频率和控制电压，原点为静态工作点，对应于固有 振荡角频率w o ，w 。( f ) 以w o 为中心而变化，在较大范围内应成线性关系。 w ” w 哇 o 图2 5 压控振荡器的控制特性图 在线性范围内，特性用下列方程表示 w a t ) = w o + k o ( r ) 式中，是压控振荡器的压控灵敏度，单位为t a d ( v s ) 。 压控振荡器瞬时相位为 6 ( 2 1 0 ) n ( t ) d t = w o t + k o 肌( t ) d t ( 2 1 1 ) 将此式与2 4 式比较可知，以w o ( t ) 为参考的输出瞬时相位为 岛( r ) = k oi v , ( t ) d t ( 2 1 2 ) 由此可见，压控振荡器在锁相环路中起了一次积分作用，2 1 2 式 是压控振荡器相位控制特性的数学模型。为分析方便，上式积分运算用 微分算子p = 州出的倒数来表示，即 0 2 ( 归半 图2 6 压控振荡器的模型图 2 1 2 锁相环频率合成器的基本方程和相位模型 ( 2 1 3 ) 将图2 2 、2 4 、2 6 的三个基本部件的功能模型连接起来即为锁相 环路的相位数学模型。如图2 7 所示。由图可见，系统给定值是输入信 号相位，系统所受调节值是压控振荡器的输出信号相位。由于输出信号 的相位直接加到鉴相器上进行相位比较，所以可以看成单位反馈系统。 图2 7 锁相环路的相位模型 根据图2 7 ，结合基本部件的数学模型可得环路的瞬时相位表达 7 o o ( 垆o d t ) 瑚m - k o 半啡) - k o f ( 力半 = b ( f ) 一k o k a f ( p ) s i no 。o ( t ) ( 2 1 4 ) 对上式两端微分得 d o 讲o ( t ) - k o 即( 舳o o ( f ) - 穹笋 ( 2 1 5 ) 讲 口i 这就是环路的基本微分方程，也可写为 p0 0 ( t ) + k o k a f ( p ) s i n 8 0 ( t ) = p 最( f )( 2 1 6 ) 假设输入信号是频率和相位不变的信号，则输入相位 只( f ) = ( 一w o ) t + 已 ( 2 1 7 ) _ d e ( t ) = w , - w o = a w o ( 2 1 8 ) d t 其中是输入参考信号角频率与压控振荡器固有角频率之差，称为环 路的固有频差。带入2 1 5 式，有 _ d o o ( t ) + k o 髟f ( ，) s i n o o ( t ) ：a w o ( 2 1 9 ) d t 2 1 9 式中左边第一项为环路的瞬时频差a w ，第二项为环路闭环后v c o 受控制电压作用产生的角频率变化一w o ，即控制频差k ，故+ a w , = a w o ，即闭环后任何时候环路的瞬时频差与控制频差的代数和等 于环路的固有频差，当环路锁定时，瞬时相差为一恒定值，则a w = o ， 即a w ，= 式2 1 5 是一个非线性微分方程，当环路锁定的时候，o o ( t ) 很小，鉴相器输出电压与相位差间有近似线性关系 ( r ) = 髟o o ( t ) ( 2 2 0 ) 8 此时可以将环路近似看成线性系统，则线性化环路微分方程为 po o ( t ) + k o k d f ( p ) s i n o o ( t ) = po d t )( 2 2 1 ) 2 2 锁相环频率合成器性能分析 2 2 1 锁相环路中有源滤波器特性分析 环路传递函数的一般形式如下，将线性化环路方程改写为复频域形 式，与其对应的函数方程为 岛( s ) ；q ( j ) 一k o k a f ( s ) o o ( s ) ( 2 2 2 ) j 其中o o ( s ) 、b ( j ) 是岛( ，) 和o l ( t ) 的拉氏变换，环路相应于2 2 2 式的复 频域相位模型如图2 8 所示 图2 8 锁相环路的复频域相位模型 由以上相位模型可得到环路的以下各种传递函数： 1 环路开环传递函数 啪) 2 器瑙髟半 ( 1 ) 闭环传递函数 9 ( 2 2 3 ) 驯= 器2 茄 ：茎! 丝! ! ! 堕 ( 2 2 4 ) j + k o k a f ( s ) ( 2 ) 误差传递函数 驯= 器2 而e o ( s ) 2 南 ( 2 2 5 ) 由于一般电路的三阶环路滤波器只是在二阶环路滤波器后加上一 个r c 低通滤波器，所以在分析环路滤波器特性方面主要分析具有代表 性的二阶环路滤波器。 1 二阶有源环路滤波器分析 二阶有源环路滤波器电路如图2 9 ( a ) 所示，在伯德图2 1 0 上具有 尼，无，厶三个拐点。 有源环路滤波器与无源环路滤波器不同之处在于，环路滤波器平坦 部分增益由r ，r 决定，可以大于1 ，因此，从鉴相器能获得比输出电 压( 通常最大为+ 5 v ) 高的值。对于使用l c 谐振回路的v c o 等，有时 也需要1 0 v 以上的控制电压。这时，使用的控制电压可达到运放最大输 出电压的有源环路滤波器，可以获得较好的效果。 q 图2 9 ( a ) 二阶有源滤波器 另外，五点的增益由运放非常大的直流增益( 通常为l o o d b 以上) 1 0 决定。例如，厶a = 1 0 时，可得到约5 5 。的相位返回量，p l l 电路的 分频系数固定时，可在此附近设计常数。 在图2 9 ( a ) 所示的电路中，可将其中与运放有关的电路改为2 9 ( b ) 和2 9 ( c ) 所示的电路。在图2 9 ( c ) 电路中，由于在靠近v c 0 输入端增 设一只电容，为此，接入一只电阻。实际上这样有利于防止噪声的混入。 c 1 r 2 图2 9 ( b ) c l 图2 9 ( c ) 图2 1 0 伯德图 在有源滤波器中可以使用不同类型的运放，当使用这种运放时，即 输入脉冲超过其转换频率时，则会发生偏置漂移。这时，若使用图2 9 ( c ) 的电路，由于r 3 和c 2 的作用使频率高端截止，从而可以防止运放转换 速率引起的偏置漂移。 有源环路滤波器传递函数后的二阶环的实际传递函数为 写成 ( 2 2 6 ) 引垆万丽历去而 亿2 7 ) 以系统的自然谐振频率w 。和阻尼系数表示环路的传递函数则可 ( 2 2 8 ) 球曲2 万旒 q 2 其中= ，盟1 ，善= 孕 2 误差频率和闭环频率响应 将以上表达式中的j 换成一就可得到环路的误差频率响应和闭环 频率响应 ( 1 ) 闭环频率响应 令j = y w 则有 _ ，2 孝旦+ 1 以胁邪w m 1 + ，2 二一l 二l ( 2 3 0 ) 盟蔫 凝 一2 一s = 、，0 h i h o w ) i = 陆 2 + 1 砖) 2 + 1 一f 旦1 2 l j ( 2 3 1 ) 伽朋呵1 2 善芒_ i g - i 丽2 善w w ( 2 3 2 ) 可见，环路对于q ( f ) 的变化，相当于一个低通滤波器，其截止频率为 ：k z + + 扼丽 ( 2 ) 误差频率响应 令s = j w 有 纵舻一冀w 菊2 l + ，2 善二一i 二l h 。( 朋i = 一 么h ( 朋= l g - - t g - 1 丽2 善w w m 由此可见，环路的误差频响具有高通特性。 2 2 2 锁相环频率合成器的稳定性分析 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 由于锁相环是一种反馈控制系统，因而存在不稳定的可能性。研究 稳定性及其环路参数之间的关系是分析锁相环路性能的主要任务之一。 要分析环路稳定性要指明两个非常重要的指标：环路带宽心和相 1 3 位裕度。 1 稳定性的概念及判别准则 系统稳定的定义是，假定外来干扰使锁相环路的相位误差偏离了原 来的平衡状态，如果在干扰消失之后，环路能恢复到原来的平衡状态， 则称这个平衡状态是稳定平衡状态，环路是稳定的；反之则是不稳定平 衡状态，环路是不稳定的。锁相环路是一种反馈控制系统，因此存在不 稳定的可能性。在线性近似的情况下，环路是否稳定由系统本身的参数 和结构决定。 根据系统稳定性理论的分析可知：线性系统稳定的充要条件是系统 特征方程的根均有负实部，也就是说系统闭环传递函数的所有极点均位 于s 平面的左半部。从环路的开环传递函数来看，如果系统的开环增益 大于1 ，同时开环相移超过y 阶则系统是不稳定的。环路稳定与否的判 别方法有多种，如古典法直接求解，根轨迹法，劳斯一霍尔维次准则， 奈奎斯特准则，波特准则等。其中，波特准则是工程上较常用的方法。 它把奈奎斯特准则应用到波特图上直接用系统的开环波特图来判断系 统闭环时的稳定性。 在实际的锁相环路中，可能并不知道开环传递函数的确切表达式。 但总可以用实验方法得到环路的开环频响的波特图。开环频响 - 2 0n 0 4 7 0 ( j m 母 。 - 么乩( j a o 心 裕鳢 弋徊 母 - 弛( j 功 卜二 q 一 2 0 i o 窖fk ( j 】 j 麓唠 l 么- o ( ， 二 q 趴) 相位 2 1 1 稳定、临界、不稳定波特图 ( a ) 稳定情况( b ) 临界情况( c ) 不稳定情况 量 的波特图包括对数振幅频率响应和相位频率响应。其中频率都用对数分 度表示。如果环路是闭环稳定的，那么在开环相移达y 时，开环增益小 于o d b ，如图2 1 1 ( a ) 所示。开环增益达o d b 时的频率为增益临界频率， 1 4 以w ，表示。开环相移达万时的频率为相位临界频率，用k 表示。那么 对稳定环路来说必有w t w k ，如图2 1 1 ( c ) 所 示。w t = w k 是临界情况，如图2 1 1 ( b ) 所示。如果工作在这种情况下， 由于实际环路中不可避免会有附加相移，这将使工作在临界情况的环路 变为不稳定，因此实际环路应该远离l 临界状态。通常要求系统有3 0 0 6 0 0 的相位裕量。系统稳定的条件可写成如下形式： l h 。( 朋i = 1 z h o ( 加) 石 ( 2 3 7 ) 2 采用有源比例积分滤波器的二阶环路的稳定性分析 由有源比例积分滤波器的传递函数表达式2 2 8 可得滤波器的频率 特性为 f ( s ) ：婴：生监 ( 2 3 8 ) 一( s )加f l 由它构成的环路开环频率特性为 驯= 掣 ( 2 3 9 ) 此式包含增益k 。k d f l ，两个理想积分因子1 ，w 及相位超前因子 ( 1 + j w r ：) 等四个基本因子。做出其波特图如图2 1 2 所示。 由图2 1 2 可见，全部相位特性均在一万线上( 1 2 ) o 5 ，因此对理想二阶环善 0 5 时可保证环路有大于4 5 。的相位裕 量。 但考虑到环路的相位噪声等其他要求，通常取f = o 7 0 7 。 实际应用的锁相环，环路中寄生相移是不可避免的，这可能会降低 环路的稳定程度。在进行环路设计时尚需注意此问题。 矧砌。 二= f 一 一 ? f 2 1 2 理想二阶环的波特图 2 2 3 锁相环频率合成器的非线性捕捉性能分析 捕获过程是指从输入信号到锁相环路的输入端开始，一直到环路达 到锁定的全过程。分析捕获过程一般采用非线性分析，如相图法。对于 一阶环路，当环路失锁时，鉴相器输出是差拍信号k 。s i n o 。( t ) 。这种差 拍电压波形是上下不对称的，显然包含有直流分量，当这种电压加到压 1 6 控振荡器上时，压控振荡器输出信号中心频率w o 将发生偏移，从而产 生频率牵引现象。如果在一阶环路中增加一个对直流电压的积分放大环 节，形成二阶环，则可以把该直流成分积累放大，环路更快地进入快捕 带，并增加环路的捕获带。对固定频率输入的高增益二阶环。在环路方 程2 1 5 中，令f ( p ) = ( p r 2 + 1 ) p r l ，其中p = 训破可得 _ , 1 2 丁0 0 ：盟一k 垒旦( s i n o o ) 一k 土s i n o o ( 2 4 1 ) 疵2 , i t 2q , i t 、 f l 其中k = k 。k a 固定频率输入等= ，望d r 鱼2 = 。代入上式则 争一k 鼠鲁一k 岛 弦a z ， 上式两边除以d s ，o ：岛即得 盟“岛一kil百sine。do ( 2 4 3 ) f 1 。 巩 令足= k r l , - 2 = 2 纸，则有 上堕：- c o s e o 一上掣 ( 2 4 4 ) k d of 2 岛 对于高增益二阶环，其环路锁定过程包含跳周，频率锁定，相位锁 定三个过程。其物理解释为：高增益二阶环有一个理想积分滤波器，鉴 相器输出的差拍波中的直流成分，作用于理想积分滤波器输入端，滤波 器输出端则产生一个随时问不断积累的直流控制电压，该电压作用到压 控振荡器上使压控振荡器的频率朝锁定方向牵引，直到锁定。因此无论 起始频差i a w 0 i 有多大，经过足够长的时间，环路总可以进入锁定状态。 所以理想情况下使用高增益二阶环的捕获带为无穷大。当然实际i - _ 完全 1 7 理想积分的二阶环路是不存在的，这是因为有源比例积分滤波器中直流 放大倍数不可能是无穷大，加上压控振荡器的饱和等因素，都会限制捕 捉带的大小，所以捕捉带为无穷大是不可能的。 2 2 4 锁相频率合成器的相位噪声和杂散分析 如图2 1 3 所示，相位噪声定义为在一个偏频上噪声功率与载波信 号功率的比值，通常把它归一化到1 h z 带宽，单位是招f 出计算公式 如下： 三( 4 ) = l o l o g 幺学 ( 2 4 5 ) l 4 c a r r i e r j 型。 图2 1 3 相位噪声得定义 1 环路相位噪声分析 在图2 8 中加入n 分频器，就得到一个带分频器的锁相环的相位模 图2 1 4 锁相环路的噪声等效模型 1 8 据此可以得到相应的噪声等效模型如图2 1 4 所示。 环路的传递函数为 k d f ( 曲堡 以加面毒 q “ 舢) 2 面1 碡 l + k 。f ( s ) 罩 ( 2 4 7 ) 由此，对应于参考信号输入端输入的相位噪声，输出相噪为 & 。，( ，) = i h ( j w ) l 墨。u ) ( 2 4 8 ) 2 v c o 的相位噪声理论 v c o 是锁相环电路系统中最重要的组成部分。理想v c o 的正弦输出 在频谱上应该为一条直线( 非正弦输出的频谱则是在振荡频率及其谐波 上的多条直线) ，如图2 1 5 ( a ) 所示。然而实际情况中其频谱如图2 1 5 ( b ) 所示表现出“裙子( s k i r t ) ”的形状。其原因是由于振荡器输出波形相位 的随机波动造成的。通常我们把这种相位的随机波动在时域定义为抖动 ( j i t t e r ) ，在频域中就定义为相位噪声( p h a s en o i s e ) 。v c o 在p l l 的 输出噪声中占据了主要的部分，影响了p l l 的整体性能，因此在设计中 选择低相位噪声的v c o 是十分关键的。 ；! c a ) ( b ) 图2 1 5 ( a ) 理想v c o 的频谱( b ) 实际v c o 的频谱 对应于压控振荡器的相位噪声，输出相位噪声为 1 9 s 埘( 力= j 峨( 一) 1 2 s 。( ，) = ( ，) = 妄- - f h ( j w ) 2 ( 力= 对应于s 。( ) 得输出相位噪声为 s m ( 力 ( 2 4 9 ) 蹦舻击阱跏扩( 力= 对应于& ( 厂) 得输出相位噪声为 s x ( j 0 2 s 。( 厂) 。( 厂) ( 2 5 0 ) 由以上各项噪声可求得环路输出端的总的相位噪声为： s o ( 厂) 2 邑o - ( 力+ 墨o ：( ，) + s m ( 门+ q “( 1 3 + 墨”( 力 = m + 击w ，+ 学h 硝 + 既c 力+ 击蚓 2 c 州风c 朋j 2 s ，o ( 门= ( 力i h 。( ，w ) 1 2 + ( 厂) i 风( 朋f 2 ( ) ( 2 5 1 ) ( 2 5 2 ) ( 2 5 3 ) ( 2 5 4 ) 其中瓯( 门2 ( 力+ 击( 力+ 学代表低通型相位噪声，而 ( 力2 s 。( 力+ 击l 鲁i & ( ) 代表高通型相位噪声。对于锁相环，相 位噪声往往是其最重要的指标之一，在环路各部分元件选定后，环路的 相位噪声将决定于环路的两个参数：自然谐振频率和阻尼系数f 。 由以上相位噪声性能分析可知环路的输出相位噪声中包括低通型和高 通型两种噪声。通常低通型噪声以参考输入噪声为主，而高通型相位噪 声以v c 0 相位噪声为主。对低通型相位噪声的滤波特性决定于环路等效 噪声带宽b ，对采用有源比例积分滤波器的二阶环路 b l = 告( 1 + 4 n ( 2 5 5 ) 理想二阶环的b t 有一最小值氏b l 一= 0 5 1 4 m ，此时善= 0 5 ，因此选 择掌= 0 5 时可以有效地抑制输入噪声。然而，考虑到过渡过程不宜太 长，掌还应该加大，通常f 取最佳值0 7 0 7 。当一定时越小玩越小， 对低通型噪声的抑制越强。然而，从滤除高通型的v c 0 输出相噪来看， 应选得越大越有利，因为由式2 5 3 可知对应于压控振荡器的相位噪 声的输出相位噪声( 厂) = 1 日( ，叻1 2 & 。( 力。而对采用理想积分滤波器 的二阶环则有 f 2 o ( s ) f = f 1 一日| = 嗣2 + 2 = - - - - - - - ，- - - - - - - w - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 2 磁一w 2 ) + 够2 w ：w 2 2 l ( 2 5 6 ) 由上式可知，w 。越大，i h o ( s ) l 越小，因此，输出相位噪声中包含的高通 型相位噪声越小。 由此可知，要使环路输出相位噪声最低，必须选择适当的w 。和善 值，一般根据环路输出相噪中是高通型相位噪声占主导地位还是低通型 相位噪声占主导地位来选择。 3 杂散的产生及其分析 杂散是与输出信号无关的频率输出，它的产生有各种原因，但是， 最常见的是由参考信号引入的参考杂散环路滤波器引入的杂散。鉴 相器泄漏的杂散以及v c o 引入的杂散。通常情况下，参考杂散是由于鉴 相器的电荷泵泄漏或者失配引起的。所以，当鉴相器或者环路滤波改变 时，杂散通常是不同的。在设计锁相环频率合成器时，必须考虑输出杂 散的影响，分析其产生的原因，并尽量降低其影响。 通常情况下，杂散增益可以由以下公式来计算： s g a i n ( fs ) = 2 0 l o g q r z ( s ) - k 啪l p = _ ，k 2 石 ( 2 5 7 ) 由公式可以看出，杂散增益是由v c o 的增益，电荷泵的增益以及环 路滤波器的阻抗共同决定的。通常情况下，认为杂散偏离中心频率所对 应f o 的等于鉴相频率，乙。当然，还存在其他的频率，比如鉴相频率 的倍数，或者是鉴相频率的1 n 。除杂散增益外，杂散电平还受其他因 素的影响，比如是泄漏杂散占主导作用还是失配杂散占主导作用。如果 泄漏占主导作用，这是由电荷泵非工作状态引起的，很明显，这时要使 用开环传递函数，而不是闭环传递函数。如果失配杂散占主导地位，在 参考频率杂散处的开环传递函数和闭环传递函数几乎相同，为了简洁通 常也使用开环传递函数。 2 2 5 最佳环路带宽的选择 由公式2 5 4 可知，第一个方括号内的噪声通过环路响应( 低通特 性) 过滤，第二项噪声经过环路误差响应( 高通特性) 过滤。如果同时 存在输入噪声和环路内压控振荡器产生的噪声，则会给环路带宽心的 选择带来矛盾。如果k 选择低了，就不能抑制压控振荡器噪声的低频 分量。如果雌高了，则不能有效地过滤输入噪声。不同噪声源情况下， 最佳雌的选择可能是不同的，但在一般情况下，选择心在两个噪声源 谱密度线的交叉点频率附近总是比较接近于最佳状态的，这时工程上适 用的一种方法。示意图如图2 1 6 所示： 图2 1 6 最佳环路带宽选择示意图 一般来说，锁相环路的设计要遵循一些技术规范，锁相式频率合成 器的技术指标主要包括以下几点： 1 频率范围 频率范围是指频率合成器输出频率的最小值和最大值之间的变化 范围。 2 频道数与频率分辨力 频道数是频率合成器提供的频率个数。频道分辨力是两相邻频率点 间的频率差。 3 长期频率稳定度频率的长期稳定度定义为：可兀，它描述在 一段较长时间范围内( 通常是指小时、天以上) 的频率变化度，锁相式频 2 3 率合成器的长期稳定度决定于参考信号的长期稳定度。 4 相位噪声 相位噪声是频率合成器短期频率稳定度的频域表征，其实质是频率 合成器各种内部噪声引起的输出信号的频率不稳定度。用阿仑方差表示 短期频率稳定度的时域特性，而工程上一般使用相位噪声表示短期频率 稳定度，通常把相位噪声定义为偏离载波频率厂m h z ，在1 h z 带宽内一 个相位调制边带的功率与总的信号功率只之比，即 幅度( d b ) 图2 1 7 频率合成器寄生频谱 姒，寺= 竖鼍麓嬲掣型 s s ， l ( 厶) 通常用相对于载波1 h z 带宽的对数表示( d b c h z ) 。 5 寄生参量 寄生参量是指出现在信号频率左右的一些不需要的频率分量，通常 寄生指标定为输出范围中所有离散的、非谐波信号的最大电平与载波频 率的电平之比。相位噪声、谐波、寄生频率的频谱见图2 1 7 所示。 第三章锁相频率合成器的设计 3 1 锁相式频率合成器的实现方案 锁相技术包括模拟锁相和数字锁相两种方式，通过对其优缺点进行 综合比较，在本课题中采用了部分数字锁相方式。 本课题所做的部分是微波波段的频率合成器，是为下一步倍频到毫 米波波段的前期工作，所以，下面将介绍实现方案的选择。 由于没有工作在毫米波频段的预分频器，因此目前常用的锁相环路 通常有锁相倍频，双环锁相和取样锁相三种方案。 一锁相倍频方案 图3 1 锁相倍频原理框图 该方案的基本原理是：以低相噪，高频率稳定度的晶振作参考源， 利用锁相环将微波v c o 的输出信号锁定，使之与参考信号具有相同的频 率稳定度，然后再利用倍频器将微波v c o 的输出信号倍频到毫米波频 段，其原理框图见图3 1 ，这种方案的特点是电路结构简单，易于小型 化。 二双环锁相方案 一般来说，双环锁相用于较高频段的频率合成，在此技术中，高位 锁相环提供的是频率分辨率相对差一些的较高频率的输出，而低位锁相 环提供的是高频率分辨率的较低的频率的输出，这两部分加起来就可以 获得工作频率高，而且频率分辨率也很高，同时又能快速装还的频率合 成输出。但是，此方案电路非常复杂，而且体积较大，不利于小型化设 备的应用。 图3 2 双环锁相原理框图 三取样锁相法 该方案与普通锁相方案的主要区别在于它所使用的鉴相器是脉冲 取样鉴相器，该方案的特点是电路结构简单、体积小、功耗低、输出信 号质量高，但目前没有可直接工作在毫米波频段的分频器和取样鉴相 器，这种方案的原理图见图3 3 图3 3 取样锁相原理框图 综上所述，考虑到三种方案的优缺点，参考系统要达到的指标，本 系统选择可以容易实现小型化，容易实现的锁相倍频方案。 3 2 本课题所用主要器件 1 a d f 4 1 1 x 芯片 a d f 4 1 l x 系列是一种集成的频率合成器，可以用作无线电接收和发 射中的本振源。其功能框图如图3 4 所示，它包括一个低噪声的数字鉴 相器、高精度的电荷泵、可编程的参考频率预分频器、可编程的a 计数 器( ac o u n t e r ) 和b 计数器( bc o u n t e r ) 以及一个分频模数为p ( p + 1 ) 的双 模分频器。其中，6 位的a 计数器和1 3 位的b 计数器，以及分频模数为 p ( p + i ) 的双模分频器共同构成了一个n 分频器( nd i v i d e r ) 且n = b p + a ， 在鉴相频率一定的情况下，可以通过编程控制n 的值以获得不同的输出 频率。同时，芯片中还含有一个1 4 位的r 计数器( r c o u n t e r ) ，在参考频 率一定的情况下，可以改变r 的值以选取不同的参考频率。该芯片是一 种电荷泵锁相环路芯片。其主要性能参数有： 厂五 匡l 厂1 一 一i = 二：= l r 频 电 鉴荷 一厂i ：习 相泵 l! r r 内 部 数 习 据 输出r 配 置_ j r i = = = 一i 竺2 兰竺l 图3 4h 1 ) f 4 1 l x 功能框图 工作电压为2 7 v 一5 5 v ； 有独立的电荷泵控制电压圪，若芯片的直流工作电压取3 v ，当圪= 6 v 时，最大可驱动调谐电压为6 v 的v c o ： 具有电压分频比为卜1 6 3 8 3 的参考分频器r 和双模预分频器 p p + i ( 8 9 ，1 6 1 7 ，3 2 3 3 ，6 4 6 5 ) 以及预分频计数器a ( 0 - 6 3 ) 和 b ( 3 - 8 1 9 1 ) ，v c o 的分频比n 则为p b + a ，所以n 的范围是2 4 5 2 4 2 2 4 。可 以根据不同的需要而选择； 鉴相电流为5 m h ： 有三线串行接口，外部可通过单片机的串行口来控制； 最高鉴相频率为5 5 m h z ； 相位噪声性能好，在参考频率为2 0 0 k h z 、输出频率为9 0 0 m h z 时，相噪 可达一9 l d b c h z l k h z 。鉴相频率为2 0 0 k h z 时，相噪基底- 1 6 4 d b c h z 。 2 参考晶振 由于鉴相器的输入端需要一个外加参考信号，为了减小体积同时降 低成本，为了达到系统设计要求的小型化的需求，使用微控制器提供参 考频率的输入。 m m k a ：。 e | 雪 似 一 u 3 d s p 2 4 0 7 本课题中微控制器选择t i 公司生产的d s p 2 4 0 7 ，该芯片最大频率 为4 0 m h z ，具有4 1 个可复用i o 引脚，可以满足系统需要。 4 微波压控振荡器( 微波v c o ) 采用h i t t i t e 公式的h m c 4 3 1 l p 4 ，性能指标如下： 压控范围：1 5 6 i g h z ； 压控灵敏度：4 0 删z v ； 输出功率：2 d b m ； 电源电压：3 v 2 7 i i l a ； 电压调谐范围：o l o v 。 3 3 系统硬件理论设计 通过理论分析，并结合系统设计要求，锁相源的电路连接方案如图 所示。从总体上看，该锁相频率源固体电路主要包括以下三个部分：微 控制器控制部分、锁相环路，微波v c o 。下面，将对每个主要部分的设 计和实验调试进行详细的分析。 3 3 1 微控制器控制部分电路设计 锁相环路中，分频与鉴相部分采用了美国a d 公司生产的a d f 4 1 i x 系列芯片，该芯片由鉴相器和可编程控制分频器组成，可以通过编程来 控制分频比，从而可以在参考频率一定的情况下，通过改变分频比来满 足不同输出频率的需要，这就需要外加的微控制器来控制，本设计中采 用了t i 公司生产d s p 2 4 0 7 芯片。该芯片内部集成了p l l4 倍频模块， 最大输出频率为4 0 m h z ，从信号频率和特性角度完全满足本课题的技术 指标的要求，同时还节省了成本和做到了小型化。 3 3 2 锁相环路的电路设计 从上面的分析知道，相位噪声和杂散是锁相环的重要技术指标，而 环路滤波器具有低通特性，可以起到低通滤波器的作用，对还率参数的 调整起着决定性的作用，对环路的各项性能指标都有着及其重要的影 响，所以，环路