（电磁场与微波技术专业论文）94ghz低相噪锁相源研究.pdf

摘要 频率源是现代电子系统的重要组成部分，在通信、雷达和导航等设备中有着 广泛的应用，很多现代电子设备和系统的功能实现依赖于所用频率源的性能，所 以高性能频率源的设计是现代通信技术中一个很重要的研究方向。随着毫米波技 术的发展，人们对毫米波频率源的要求越来越高，无论在毫米波通信还是毫米波 雷达等应用领域都必须有高质量、稳定度可靠的毫米波频率源。 本文对9 4 g h z 的集成锁相源进行了研究，采用了一种基于直接式频率合成和 p l l 合成产生9 4 g h z 的点频源方案。相位噪声低是本课题的特点。主要工作分为以 下几个组成部分：首先概述了频率合成技术国内外研究现状，指出了本课题研究 的内容与意义；其次介绍了频率合成技术的基本理论；接着介绍了9 4 g h z 低相噪 锁相源的总体设计方案和各部分的具体实现；最后是对电路进行调试和测量，给 出了系统测试结果：在9 4 g h z ，相位噪声优于- 8 8 9 d b h z 1 0 l ( l z ：在i o o m h z 范围内 杂散抑制为一4 4 4 d b c ，接近了指标。 关键字：相位噪声，直接式频率合成，锁相式频率合成 f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nt h ee l e c t r o n i cs y s t e m s ，a n d i tc a nb ew i d e l yu s e di ns u c hf i e l d sa sr a d a r , c o m m u n i c a t i o n , e l e c t r o n i cw a _ , - f a r ea n d e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s ah i g hp e r f o r m a n c ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri s a b s o l u t e l yn e c e s s a r yt h a te n s u r em o d e m e l e c t r o n i cs y s t e m st oa c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c e d e s i g n i n gah i g hp e r f o r m a n c ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d w i mt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , h i 曲q u a l i l a t i v e l ya n d s t a b l ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri si n d i s p e n s a b l et os o m ea p p l i e df i e l d s , s u c ha sm i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o na n dm i c r o w a v er a d a r t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e a l i z a t i o no fs i g n a ls o u r c eb a s e d0 1 1d i r e c ts y n t h e s i sa n d p 儿u s e sad e s i g np l a no ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e rf o rt h e9 4 g h zw a v es i n g l e 台e q u c n c y s y n t h e s i z e r t h ep l ls y n t h e s i z e ri s c h a r a c t e r i s t i co fl o wp h a s en o i s e ；f i r s t l y ，w e s u m m a r i z et h es t a t u so ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra th o m ea n da b r o a d , a n ds e tf o r t ht h e c o n t e n ta n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c t ；s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo f f r e q u e n c ys y n t h e s i s ；t h i r d l y ，w ee x p l a i nt h eu n i v e r s ed e s i g np r o p o s a lo f9 4g h z l o w p h a s en o i s ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra n d t h ei m p l e m e n t a t i o no fe a c hs e c t i o n ；f i n a l l y , t h e m o d u l a t i o no fs y s t e ma n de x p e r i m e n tr e s u l t sa d i s p l a y e d t h et e s tr e s u l t so ft h e s y s t e mw eg o ti sa sf o l l o w i n g ：t h ep h a s en o i s ei ss u p e rt o - 8 8 9 d b c h z 1 0 k h zo f f s e t , s p u r i o u si s - 4 4 4 d b co v e ras p a no f1 0 0 m h z a n d i t su e a it h et a r g e l k e y w o r d s ：p h a s en o i s e ，d i r e c ts y n t h e s i s , p l l 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已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 年乒月，日 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： 邳皤 导师签名： 立汾 日期5 叩年垆f 日 第一章引言 第一章引言 高性能频率源是通信、广播、雷达、电子侦察、对抗和精密测量仪器的重要 组成部分。现代通信技术的飞速发展对频率源提出了越来越高的要求。性能卓越 的频率源均是通过频率合成技术实现的。近年来随着微波固体器件及微波集成电 路的发展，微波频率源同样也获得了较大的发展，出现了各种形式的微波频率源。 在先进的电子设备中，相位噪声对系统性能的影响显得越来越重要。在各种高性 能的频率变换中，相位噪声是提高其性能的一个主要限制因素。对雷达来说，相 位噪声对系统的影响更为严重。因此，降低微波频率源的相位噪声，提高频率稳 定度是现代电子系统中一个重要的研究课题。 随着无线电技术的发展，人们对信号源准确性和稳定性都提出了很高的要求， 一般的振荡器已无法满足人们的需要。现代高性能无线电设备大都需要产生与晶 振有着同样高稳定性和准确度的频率，这就需要采用频率合成技术来实现。 1 1 频率合成技术概述 频率合成器是以一个精确度和稳定度极好的石英晶体振荡器作为基准频率， 并利用加、减、乘、除等基本运算技术，以获得与石英晶体振荡器同等精确度和 准确度的大量离散频率信号的设备。它的技术指标有相噪、杂散、频率步进、跳 频速度、输出频率范围、输出功率、功率起伏和输出波形等。其中，相噪、杂散、 频率步进和跳频速度是四个重要的技术指标，它们的好坏决定了频率合成的好坏 f l 】 相噪就是短期频率稳定度，是输出频率两边傅氏频率的函数，所以定义 为偏离某频率1 h z 带宽内噪声功率谱密度与输出信号功率之比，记为d b c t i z 。 杂散在频率合成过程中产生的不需要的频率分量，又没有被充分的抑制 掉，这些不需要的频率分量被称为杂散。一般用偏离输出频率多少频率上的频谱 功率表示，记d b c 。 频率步进啥成频率源的输出频率不是连续的，是一个频率点一个频率点 合成出来的，把相邻两个频率点间隔叫最小频率步进，把起始频率到终止频率叫 最大频率步进。 电子科技大学硕士学位论文 跳频速度也就是频率捷变时间，从得到跳频指令开始到频率转换完为止， 这段时间叫跳频时间。这里存在什么叫频率转换完成，一般用相位差定义，把新 建立起来的频率相位比基准频率相位差o 1 t a d 时的时间称之为跳频时间。 1 2 现代频率合成技术的发展概况| 2 1 1 3 4 1 频率合成器的主要合成方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。 直接式的优点是速度快、相位噪声低、并能产生任意小的频率增量，但用这种方 法频率范围将受到限制，更为重要的是直接式频率合成器难实现单片集成，而且 输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。因此直接式已逐渐被锁相式频率合成 器、直接数字式频率合成器取代。 锁相式( p l l ) 频率合成技术是2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初出现的频率合成 技术，它运用了相位反馈理论和锁相技术，具有频率稳定度高、相噪低、杂散抑 制度好、输出频率高、价格便宣等优点，但其换频时间与频率分辨率是一对固有 矛盾，不好解决。在现代通信领域，特别是在跳扩频通信系统中，往往要求频综 输出带宽大，频率捷变快( n s 级) ，频率分辨率高( 肚l z 级) ，这使得p l l 频率合成无 法满足实际需要，从而促进了直接数字式频率合成( d d s - - d i r e e td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i s ) 技术的形成。d d s 最初由美国学者l t i e m e y 等人在1 9 7 1 年提出【4 】，d d s 具有极高的频率分辨率( p h z ) 能力，极快的变频速度( 璐) ，变频相位连续，相 噪较低，易于功能扩展等优点。这三种基本模式中，直接频率合成因为杂散大、 成本高、体积及功耗大已经被淘汰，现在常用的频率合成方式是d d s 和p u ，但 就窄带低相噪频率合成，经常采用直接式和p l l 。 就锁相环频率合成方面而言，锁相环从3 0 年代发展开始，至今已有半个世纪， 在电讯、仪表等电子技术中有着广泛应用。近年来，随着大规模集成电路技术及 高速数字电路技术的迅速发展，已经出现了大规模可编程锁相频率合成器集成芯 片。随着各生产频率合成芯片的公司如q u a l c o m m 、a d i 、n s c 、m o t o r o l a 、p s c 及 c y p r e s s 等相继推出各自的优势产品，使得p l l 频率合成的发展表现出以下趋势： 1 鉴相器不再使用传统的电压型，而是采用电流型电荷泵技术，使鉴相器的 输出变为一误差电流而不是误差电压，使环路滤波可以采用无源环路滤波器。 2 大量使用小数( 分数) 分频技术( f r a c t i o n a l - n ) 。这一技术将使得即使在程 序分频比n 较大时仍然可以输出有较高指标的相噪和鉴相杂散。 3 针对小数分频频率合成技术采取相位补偿的不便而提出了另外一种小数分 2 第一章引言 频频率合成方法：a 调制频率合成。 4 p l l 芯片工作频率不断提高。如今大多数公司生产的p l l 频综芯片的工作 频率都已经可以轻松工作在2 g h z 以上。a d i 公司在s i 片上生产的p l l 频率合成 芯片已能工作到6 g h z 以上。 d d s 的优点主要有：具有高精度的频率和相位分辨率，它的频率精度可达到 微赫兹级，相位控制小于0 0 9 。；频率变化几乎没有时间限制，切换速度仅受限于 器件工作时钟，可达纳秒级；另外d d s 还具有相对较宽的输出频率范围，器件体 积小，功耗低等特点。但是d d s 输出频谱的杂散相对较多，输出频率也还不是很 高，受器件工作时钟的限制。d d s 具有传统频率合成技术无法比拟的优点，得到 了广泛的使用。但它的输出杂散大和输出带宽窄这两个缺点严重限制了它的进一 步广泛使用。如何抑制d d s 输出频谱中的杂散就成为了研究热点。近年来相继提 出了抖动注入、r o m 存储压缩、平衡d a c 结构等杂散抑制的方法。 毫米波频率源起步晚，设计难度大，目前报道不是很多，在国内几个比较好 的指标是：1 、2 0 0 1 年，电子科技大学张永鸿博士设计了w 波段锁相源，相嗓达 到- 7 7 d b c h z ) 1 0 k h z ；2 、2 0 0 5 年电子科技大学马海虹博士设计了三毫米波频率源， 相噪达到一9 0 d b c h z 1 0 k h z 。国外的几个比较好的指标是1 、2 0 0 0 年，美国研制出 全集成9 4 g h z 分谐波注入锁相电路，实现了注入锁定技术在高频段的集成，其相 位噪声是- 8 3 d b e h z 1 0 0 k h z ；2 、0 3 年日本高级技术研究实验室设计了集成低相噪 6 0 g h z 锁相源，体积是1 1 0 5 5 x 2 3 m m 3 ，相位噪声是一1 0 3 d b c n z 1 0 0 k h z ；3 、频 率高达2 5 0 g h z 的毫米波频率源也有报道。 上述各种频率合成技术各有优缺，所以应用场合也各不相同。直接频率合成， 相位噪声好，但结构复杂，成本高，组合杂散多，应用在点频输出，相位噪声要 求较高的场合；锁相频率合成相位噪声好，杂散低，工作频段较高，成本较低，但 频率切换速度慢，频率分辨率低，用在输出频点少，杂散低，相位噪声低的场合： 直接数字频率合成频率分辨率高，跳频速度快，变频相位连续，相噪较低，体积小；但 工作频率低，杂散多，多用在输出频段低，频率分辨率高，高速跳频场合；混合频率 合成，就是灵活运用上述几种方式，使系统指标达到最优。 1 3 本文的主要研究内容和意义 频率合成技术是一项重要的技术，它研制的频率合成器的性能好坏直接影响 雷达、导航、通讯、空间电子技术及仪器、仪表等的性能指标。世界各国都很重 3 电子科技大学硕士学位论文 视频率合成器的研究。国内有关单位也展开了频率合成技术的研制工作，虽然取 得了一定成绩，但与国外先进水平相比，至今仍有较大的差距，因此依然需要得 到足够的重视和开展大量的研究工作。 三毫米波频率源是目前毫米波源开发的高端，是毫米波系统的核心部件，国 内与国外相比有更大的差距，国外一直对我国进行严密的技术封锁和设备禁运。 随着现代电子技术的发展，以及由此研制的无线通信系统、雷达、航海以及 深空探测技术等各个领域内电子设备的发展，对频率合成器的性能指标提出了越 来越高的要求。高的相噪指标可以提高系统的信噪比，降低邻近信道干扰，增加 信道之间的隔离度，是决定频率合成器性能的一个关键因素。低杂散以及高稳定 度也是卫星通信等应用中一直追求的指标。如今，低相位噪声、低杂散、高分辨 率和高稳定度已成为频率合成器发展的主要趋势。 低相噪是频率源的一个重要的技术指标。因此，分析频率源原理结构，研究频 率源低相噪性能具有十分重要的现实意义。另外，本课题还对低杂散进行了考虑。 在充分考虑了复杂的倍频、锁相环方案以及其他辅助措施的基础上，本课题 最终实现了9 4 g h z 的低相噪输出，得到了在9 4 g h z 相位噪声优于 8 8 9 d b h z 1 0 k h z 、在1 0 0 m h z 范围内杂散抑制为嘲4 d b c 的系统测试结果，接 近了指标。 4 第二章频率合成技术的基本理论 第二章频率合成技术的基本理论 2 1 直接式频率合成 直接式频率合成器是最先出现的一种合成器类型的频率信号源。这种频率源 原理简单，易于实现。其合成方法大致可分为两种基本类型：一种是所谓非相关 合成方法；另一种是相关合成方法。这两种合成方法之间的主要区别是所使用的 参考频率源的数目不同。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种 频率分别由这些参考源提供，它的缺点在于制作具有相同频率稳定性和精度的多 个晶体参考频率源，既复杂又困难，而且成本很高。相关合成方法只使用一个晶 体参考频率源，所需要的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合 成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样。现在绝大多数都使用这种合成方法。 直接式频率合成器的显著特点是：分辨率高；频率转换速度快；工作稳定可靠； 输出信号频谱纯度高最大的缺点是体积大、成本大、笨重、产生的频谱组合杂散 多阿。 直接式频率合成，也叫分频一混频一倍频式合成，它的完整四个组成部分是 输入单元、谐波发生器、十进制单元和电子开关。在进行频率合成器的设计时， 一般采用相关合成方法。相关合成方法包括强制法、谐波法、混频法和双混频分 频法旧。 1 ) 强制法：当要产生几个信号的时候，一般的方法是强制法和谐波法。如果 是瞬间产生一个信号，往往采用强制法。在强制法中所用的基本模块是倍频器、 分频器、混频器和参考源，如图2 - 1 所示。在图中滤波器和放大器没有画出。这 是强制法的一种设计方案，所用器件较多，设计复杂，但是成本较低。它的两个 基本问题是：1 、混频器、倍频器和分配器的失真输出；2 、相位噪声较大。在频 率合成时广泛用来产生辅助性的频率。 2 ) 谐波法：当两个相邻的输出频率间距相同，输出频率是它们间距的很多倍， 并且在一个特定的时间只有一个频率出现的时候，我们喜欢用谐波法，而不是强 制法。下面几个图形描述了具有很多谐波( 亨m ，j + 尺) 的输入信号，信号的谐波 ，屯，同时通过滤波器，谐波的其它部斧r 被滤波器虑除。根据相邻频率的 5 电子科技大学硕士学位论文 间距分为三个方案。当相邻的两个频率间距比较大的时候，可以采用图2 - 2 ( a ) 来提取所要的频率。但是窄带带通滤波器不易实现，并且价格昂贵。当相邻的两 个频率间距小时，可以采用2 2 ( b ) 所示双混频器方案来提取所要的频率。 j - 堕 ，矩 图2 1 强制合成的例子 这种方法比上一种方法有很多的优点，通过下变频输入频率，两个频率直接 的距离会增加很多倍，可以有效的提高滤波器的滤波效果，通过双混频技术，调 谐振荡器对输出信号的稳定性、准确性和相噪没有影响。当运行频率间距很小， 以致用无源滤波器或者双混频滤波器很难虑除不想要的频率的时候，图2 - 2 ( c ) 所示的锁相环( p l l ) 方法目前是一种很好的方法。它可以自由的产生输出频率，缺 点是存在泄漏问题。 ( a ) ( b ) 6 第二章频率合成技术的基本理论 ( c ) 图2 - 2 谐波合成 3 ) 三倍混频法：这种方法重复使用同一种结构框架，它的好处是设计的成本 低，易于调试。结构图2 - 3 如下： 2 2 锁相环频率合成 图2 - 3 三混频合成 锁相技术是实现相位自动控制的一门科学。随着科学技术的发展，促进了人 们对相位自动控制的研究。早在三十年代，已建立了同步控制理论的基础。到四 十年代，锁相技术第一次成功的应用于电视机水平扫描的同步装置中。五十年代 以来，特别是近代科学技术的发展，推动了锁相环技术的发展和应用。 锁相环技术的特点概括起来是“稳”、“窄”、“抗”和“同步”。“稳”指的是 锁相环的基本性能，是输出信号频率稳定地跟踪输入信号频率，它们不存在频率差 而只有很小的相位差；“窄”是指锁相环具有窄带跟踪性能；“抗”是指锁相环的 抗干扰性能、抑制噪声性能：。同步”是指锁相环的同步跟踪性能。 2 2 1 锁相环的基本结构 锁相是自动控制完成相位同步。能够实现两个电信号相位同步的自动控制系 统叫做锁相环。锁相环是一个系统跟踪另一个系统的装置，更精确地说，就是一 个系统中由振荡器产生的在频率和相位上与输入信号同步。最基本的锁相环如图 7 电子科技大学硕士学位论文 2 4 所示，它包括三个组成部分：压控振荡器( v c o ) 、鉴相器( p d ) 和环路滤波器 ( l f ) 【7 】。 图2 - 4 锁相环的基本结构 2 2 1 1 、鉴相器 8 1 唧 a o l 鉴相器( p d ) 又称相位检波器或相敏检波器，是锁相环中的一个关键部件，它 的等效图形如图2 - 5 所示 图2 - 5 鉴相器等效图形 鉴相器是一个相位比较装置，用来比较输入信号地( t ) 与压控振荡器的输出信 号：( f ) 的相位，输出一个对应于两路相位的误差电压信号( f ) 。下面我们p a , - f 弦 为例分析鉴相器的原理。鉴相器输出信号( f ) 与相位差间的关系为： ( f ) = u as i n o ( t ) 。输入信号和压控振荡器的输出信号分别加在相乘器两个输入 端上。设输入信号为： q o ) = u 1s 埘q f + b ( f ) 】( 2 一1 ) 式中u 为输入信号的振幅；q 为输入信号的角频率；q ( f ) 为输入信号以其载 波相位乱f 为参考的瞬时相位。 压控振荡器输出信号为： u 2 ( f ) = u 2c o s o f f + 见( f ) 】( 2 - 2 ) 式中u 2 为压控振荡器输出信号振幅；吐为压控振荡器固有振荡频率；岛( f ) 为 压控振荡器输出信号以固有振荡相位国，t 为参考的瞬时相位。一般情况下，两信号 的频率不同，为简化运算，常以，为参考频率，重新定义输入信号的瞬时相位。 输入瞬时相位为： 8 第二章频率合成技术的基本理论 【c o i t + 0 1 ( t ) 】= 国2 f + ( q c o = ) t + 0 1 ( t ) 】= m 2 t + o ( t ) 式中，o ( t ) = ( q - - ( 0 2 ) t + s l ( t ) = a c o o t + 8 t 其中a c o o 为环路的固有频差输出瞬时相位为： 国2 t + 0 2 ( t ) = 2 t + g ( f ) 式中口( f ) = 8 2 ( 0 ，采样新的相位定义后，输入输出信号分别写成： ( 2 - 3 ) ( 2 - 3 ) ( 2 5 ) 蚝( f ) = u ts i n c o o t + 口( f ) 】( 2 - 6 ) “2 0 ) = u ，c o s c o o t + 日( f ) 】( 2 7 ) 经过相乘鉴相之后，输出电压为： “d o ) = k = u l ( f ) ”2 ( f ) = 玩u ls i n c o o t + o ( t ) g r ：e o s c 0 0 t + p o ) 】 ：导k u i u 2s m 2 0 。o t + 口( f ) + 0 ( f ) 】+ 三如u 咖m ) 一0 。o ) 】g - 8 其中j 0 为相乘器的系数，单位为1 。 上式含有2 c o o 的项，通常可被环路滤波器的低通特性抑制掉，在环路中不起作 用。可以不记它的影响，所以相乘器输出电压为： 1 u d ( f ) = 亡足。u i s i n o ( t ) 一目( f ) 】( 2 - 9 ) 令见= g ( t ) - o o ) 为两相乘电压的瞬时相位差，u 。= 妻k 。u 1 ，那么上式就 可以写成 ( f ) = s i n 见( f ) ( 2 - 1 0 ) 此式即是正弦鉴相特性的表达式。 2 2 1 2 压控振荡器 压控振荡器是振荡频率c o a t ) 受控制电压( f ) 控制的振荡器，即是一种电压一 频率变换器。不论以何种振荡电路和何种控制方式构成的振荡电路，它的特性总 可以用瞬时频率q 与控制电压虬o ) 之间的关系曲线来表示。若曲线的中点作为静 态工作点，并以此点作为坐标原点，则得峨一“。曲线如图2 - 6 所示。 9 电子科技大学硕士学位论文 l uv ，理想 6 00 夕黜 0 u c 图z - 6 压控振荡器的控制特性 在线性范围内，特性用下列方程表示： q = c o o + k o u 。o ) 式中，k 称为压控振荡器的控制灵敏度或增益系数，单位为r o d ( v a ) 。在锁 相环路中，压控振荡器输出对鉴相器起作用的不是瞬时角频率而是它的瞬时相位， 此瞬时相位可由上式求得： ，l ， i c o ( t ) d t = f + 蜀i “。( o a t ( 2 - 1 1 ) ；i 将此式与式( 2 - 4 ) 相比较，可知以峨f 为参考的输出瞬时相位为： f ， 口( d = k oi 虬( t ) d t ( 2 - 1 2 ) i 由此可见，压控振荡器在锁相环路中起了一次理想积分的作用，因此也称为 环路的固有积分环节。 2 2 1 3 环路滤波器 1 1 】 环路滤波器具有低通滤波特性，对环路参数调整起着决定性的作用。环路滤 波器是一个线性电路，在时域分析中可以用一个传输算子f 来表示，其中p ( - = - d 形d d t ) 是微分算子；在频域分析中可以用传递函数f ( s ) 表示，其中s ( 口斗j q ) 是复频 率：若用吲q 代入f ( s ) 就得到频率响应w q ) 。常用的环路滤波器有r c 积分滤 波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种： 1 、r c 积分滤波器 这是结构最简单的低通滤波器，电路构成如图2 7 所示。r c 积分滤波器的传输算子是f o ) = 1 ( 1 + p f l ) ，r 1 - 卜：e 1 其中1 = r c 是时间常数，这是这种滤波器唯一可调的参! l i 图2 - 7r e 积分滤波器的组成 1 0 第二章频率合成技术的基本理论 数。令p - j 口，可得滤波器的频率特性为，g q ) = 1 ( 1 + j n r ；) 。它具有低通特性， 且相位滞后。当频率增加到很高的时候，幅度趋于零，相位滞后接近2 ，不利于 扩大环路的捕捉范围。 2 、无源比例积分滤波器 无源比例积分滤波器如图2 8 ( a ) 。相比r c 积分滤波器，增加了一个可调参数 r 2 ，它是一个与电容器串联的电阻。其传递函数为f ( j ) = ( 1 + s f 2 ) ( 1 + 啊) ，其中 f 1 = ( r l + r 2 p ；吒= r ：c ；这是两个独立的可调参数，其频率响应为 r ( j a ) = ( 1 + 坤f 2 ) ( 1 + j q 1 ) ，据此可作出对数频率特性曲线，如图2 - 8 ( b ) 所示。 从相频特性上看，有相位超前校正作用，这是由相位超前因子1 + j q f 引起的，有 利于改善环路的稳定性。 j _ 焉1 ! 主； (a)组成(b)频率特性 图2 - 8 无源比例积分滤波器的组成与对数频率特性 3 、有源比例积分滤波器 有源比例积分滤波器由运算放大器组成，电路如图2 - 9 所示。它的传输函数为 f ( p ) = 一( 1 + n 2 ) ( 1 + r r , ) ，式中t i = 瓴+ 蠲+ r 2 ) c ；f 2 = 足c ，4 是运算放 大器无反馈时的电压增益。负号表示滤波器输出和输入电压之间相位相反。假如环 路原来工作在鉴相特性的正斜率处，那么加上有源比例积分滤波器之后就自动的工 作到鉴相特性的负斜率处，其负号与有源比例积分滤波器的负号相抵消。因此这个 负号对环路的工作没有影响分析时可以不予考虑。 图2 - 9 有源比例积分滤波器的组成 2 2 2 锁相式频率合成的方法“加“” 电子科技大学硕士学位论文 锁相式频率合成的方法主要有以下几种： i 、脉冲控制压控振荡器环路，简称i g o 环路 其结构如图2 一1 0 所示。通常在这种环路中，图中的鉴相器是采用取样保持 电路组成的脉冲取样鉴相器，图中的基准输入脉冲对压控振荡器的输出信号进行 周期取样，如果压控振荡器输出频率厶恰好是基准输入脉冲的某次谐波，则脉冲 鉴相器输出直流，环路稳定，其环路输出频率为，：i = 弭 ( n = 1 、2 、3 、4 ) ， 式中的n 是脉冲的谐波次数。 图2 1 0 脉冲控制压控振荡器环路原理框图 由此可以得出： a 、环路输出频率五的稳定度取决于基准输入信号频率z 。若z 是石英晶体振 荡器的频率，则兀具有与z 相同的频率稳定度，即具有较高的频率稳定度。 b 、i g o 环路，实际上是起着倍频作用，即输出频率五等于n 倍的输入信号频率。 2 、可变分频器环路 可变分频器环路也叫数字式环路，是当前通信与仪表技术中广泛使用的一种 频率合成方法，其方块图如图2 - 1 1 所示 图2 - 1 1 可变分频器环路原理框图 在这种环路中，就是在反馈支路上加入一个可变分频器，来改变分频比n ，这 样被n 次分频后，其频率为哆磊，它近似等于基准输入信号频率z 被r 次分 频后的频率，并将这两种信号送到鉴相器中进行相位比较，如果哆菇= 1 2 第二章频率合成技术的基本理论 ，则鉴相器输出为直流，环路锁定，其环路的输出频率为： = ? 么 ( n = 1 、 2 、3 ，r = 常数) 由此可见： a 、改变分频比n ，就可以改变压控振荡器的输出频率五，并与基准输入频率z 具有相同的频率稳定性 b 、数字式环路，实际上也是一个倍频器，其倍频的次数n 可做的很高。这种 频率合成方法，可提供的长期和短期的频率稳定度都比较高，输出信号纯洁，而 且体积小，并易于数字化和集成化。 3 、混频环路 这种环路就是在反馈支路内加入一个谐波混频器，如图2 - 1 2 所示 图2 1 2 混频环路原理框图 当两个鉴相信号的频率石和厶不相等时，就会使鉴相器的输出电压( f ) 随其 频率误差变化，通过环路的自动调节作用，从而使五向石靠近，最后工= z ，环 路锁定，此时压控振荡器的输出频率厶= 五+ - 呒( n - l ，2 ，3 ) 由此可见，混频环路能同时完成频率的加法和乘法，其频率稳定度取决于和 五的频率稳定度。需要说明的是，普通的混频器，其组合干扰频率分量较多，并 不易被滤除，这样输出信号不纯，如果采用混频环路，则由于环路的窄带特性， 可使混频器的输出信号较为纯净。而另一方面，混频环路具有输出信号频率范围 较宽，点频之间的间隔较小的优点。 4 、多环频率合成器 由一个锁相环构成的频率合成器称为单环频率合成器，这种合成器存在的问 题是：可变分频比较大时，输出噪声较大；其次是频率间隔受到限制，例如，间 隔做到1 k h z 就已较勉强，再低就更困难。采用多环合成则可以较好的解决上述问 题。常见的多环合成器有二环、三环等几种形式。 图2 1 3 为一双环数字式合成器的原理框图。该合成器有两个参考频率厶和 f ：，两组可编程分配器1 和j ，参考频率厶加于环路1 的输入端，通过两个环 1 3 电子科技大学硕士学位论文 路和分频混频的作用，输出信号： 五：2 ，：+ 学 v 3 由上可见，在双环频率合成器中，环路l 起决定输出频率尾数的作用，称为 尾数环。环路2 决定输出频率的主值，称为主环。双环合成器通过两个锁相环的 作用，较好的解决了高分频比与高分辨力的矛盾。在图2 - 1 3 中接入了两个性能完 全相同的：可编程分频器，用以抵消混频环路2 对，：的倍增作用，以减小输出 信号的频率间隔。按照类似原理还可以组成环路数更多的多环频率合成器，如三 环频率合成器、四环频率合成器等等，这些合成器可以工作在更高的频率，并且 有更小的频率间隔，环路的锁定时间、噪声性能等都能得到一定的改善。 f r 2 + 五n 2 图2 1 3 双环数字式合成器的原理框图 5 、小数分频合成器 小数分频频率合成技术是7 0 年代后期发展起来的一种新型合成技术，它能较 好的解决高工作频率和小频率间隔的矛盾，而且具有输出噪声低、对寄生边带干 扰抑制好等优点。它的工作特点是在不改变参考频率的条件下提高频率分辨力， 例如：要实现1 0 5 倍分频，可以控制数字分频器先除一次1 0 ，再除一次1 1 ，这 样交替进行，即可达到1 0 5 倍分频的效果。因此，只要能控制整数分频器的分频 比按一定的规则变化，就可以实现小数分频。但必须注意在鉴相器输入端出现相 位误差，为此将a c c u 存数经数模变换后，恰好可以形成一个递增的阶梯电压，与 鉴相器输出的误差电压相抵消。 2 2 3 锁相环工作过程定性分析 1 4 第二章频率合成技术的基本理论 2 2 3 1 环路相位模型 根据环路的三个基本部件的模型和环路的构成，将三个器件连接起来得到环 路的模型如图2 1 4 。 图2 1 4 锁相环路的相位模型 很明显这个模型是一个相位负反馈的误差控制系统，直接给出了输入相位 幺( f ) 和输出相位岛o ) 之间的关系，故又称为环路的相位模型，它是进一步分析锁 相环的基础。 2 2 3 2 环路的动态方程“1 按图2 1 4 的环路相位模型，可得出环路的动态方程 眈( f ) = b ( 力一岛( f ) 8 2 ( 0 = 蜀f ( 形s i n o ( t ) ，r 由以上两式可知： ，见( f ) = p 只o ) 一e ，0 ) s i n 见o ) ( 2 1 3 ) 令环路增益置= 匠，带入( 2 1 3 ) 可得锁相环路动态方程的一般形式。上式 左边的项p 见o ) 是环路的瞬时频差。右边第一项p b o ) = + d o , ( t ) d t ，在固定 频率输入的情况下，a o , ( t ) l a t = 0 ，则p b ( f ) 就是固有频差哝。右边第二项是控 制电压以f ) 加到压控振荡器所引起振荡频率纵f ) 相对于自由振荡频率叻的频差 ( 姊嘞) ，称为控制频差。由式( 2 - 1 3 ) 可见，在闭环之后的任何时刻存在如下关 系： 瞬时频差= 固有频差一控制频差 在环路开始工作的瞬间，控制作用还未建立起来，控制频差等于零，环路的 瞬时频差就等于固有频差。在捕获过程中，随着控制作用的增强，控制频差逐渐 增大，瞬时频差逐渐减小，直到环路进入锁定状态，环路的瞬时频差等于零。 2 2 3 3 环路的线性相位模型与传递函数“ 锁相环路的相位模型的一般形式( 图2 - 1 4 ) 及相应的动态方程( 2 1 3 ) ，因环 路应用了正弦特性的鉴相器，因此模型与方程都是非线性的。当环路在同步状态 电子科技大学硕士学位论文 时，瞬时相差以( f ) 总是很小的，鉴相器工作在鉴相特性的零点附近。零点附近的 特性曲线可以用一条斜率等于正弦特性零点处斜率的直线来进行近似。此时 u d ( f ) = s i n e ( t ) 耻矧0 c o s 嗍以- - 0 = f d 嘶】 可见，近似线性鉴相特性的斜率肠在数值上等于正弦鉴相特性的输出最大电 压阮。 p 吼o ) = p b ( f ) 一k o x ：0 e ( c ) = p q o ) 一k f 0 娩( f ) ( 2 i s ) 式中环路增益k = k 。k a ，相应的线性相位模型如图2 - l s ( a ) 。 上述方程与模型都是时域表达形式，导出其复频域的表达式，其动态方程为 s 眈g ) = s b g ) 一盖f g 也g ) ( 2 1 6 ) 式中晓g ) 、q g ) 为( 2 - 1 5 ) 式中见o ) 、q o ) 的拉氏变换。f g ) 为环路滤波器 的传递函数。复频域的相位模型如图2 - 1 5 ( b ) 所示。 ( a ) ( b ) 图2 - 1 5 锁相环路的线性相位模型 线性系统的传递函数定义为初始条件为零时，响应函数的拉氏变换与驱动函 数的拉氏变换之比。当研究不同的响应函数时，可以得到系统不同的传递函数。 可求出锁相环路的开环传递函数n o ( s ) 、闭环传递函数上酗) 以及误差传递函数趣， 分别为 啪) = 矧# k 掣 陆t ，曲 1 6 第二章频率合成技术的基本理论 圳= 矧= 瑞= i - h g ) 以7 、j = 见o - 两= 鬲南= 硼1 这是研究锁相环路同步状态性能最常用的三个函数， 删一端 玩( ，) 2 雨羽1 以g ) = 1 一日g ) 2 2 3 4 锁相环的工作状态“” 1 锁定状态 在环路的作用下，当调整控制频差等于固有频差时， 个周常信# 一盲侯椿下去即满旱 ( 2 1 7 b ) ( 2 1 7 c ) 三者之间的关系为 ( 2 - 1 8 8 ) c l s b ) ( 2 q 8 订 瞬时相差见( f ) 趋向于一 l i m p 眈( f ) = p 见( o o ) = 0 ( 2 1 9 ) 那么，此时我们认为锁相环路进入锁定状态。压控振荡器输出信号与环路输 入信号之间只有一固定的稳态相位差而无频率差。这是锁相环的一个重要特性。 稳态相位差的作用就是使环路在锁定时仍维持鉴相器有一个小的固定电压 髟s i i l 9 。输出。此电压通过环路滤波器加到压控振荡器上，将压控振荡器的振荡 频率调整到与输入信号频率同步。 2 跟踪过程 对于已经锁定的环路，如果输入信号的频率或相位在不断的变化，在环路作 用下，压控振荡器的频率或相位不断地跟踪其变化，这时环路所处的状态称为“跟 踪状态”。例如，若输入信号的相位0 1 ( t ) 有一变化，鉴相器输出0 1 ( t ) 和8 2 ( 0 之差， 产生一正比于这个相位差的电压，并反应相位差的极性，经环路滤波器变换以后 去控制压控振荡器的频率，使0 2 ( 0 改变，减小其与b ( f ) 之差，直到保持q = c 0 ：， 相差趋向于一个稳态相差9 。此时就称为环路跟踪输入信号的相位变化。事实上 跟踪状态是绝对的，因为环路输入信号总是或多或少的变化着，锁定状态是相对 的，它被包含在跟踪状态之中。 3 、失锁状态 1 7 电子科技大学硕士学位论文 失锁状态就是瞬时频差总不为零的状态。这时，鉴相器输出电压“。( f ) 为一上 下不对称的稳定差拍波，其平均分量“一为一恒定的电压。这一恒定的直流电压通 过环路滤波器的作用使v c o 的平均频率q 偏离c o o 向q 靠拢，这就是环路的牵引 效应，也就是说，锁相环处于失锁差拍状态时，虽然v c o 的瞬时角频率c o a t ) 始 终不能等于参考信号频率峨，即环路不能锁定。但c o ( t ) 的平均频率q 已向o ) i 方向 牵引，这种牵引作用的大小取决于控制电压的直流分量，而控制电压的直流分量 的大小又取决于差拍波的不对称的程度，差拍波不对称的程度则由频差与环路 增益k 的相对比值决定。 g 、捕获过程 在实际工作中，如开机、换频或由开环到闭环，一开始环路总是失锁的，所 以环路需要经历一个由失锁进入锁定的过程，这个过程就是捕获过程。 开机时，鉴相器输入端两信号之间存在着起始频差( 即固有频差) a c o o ，其 相位差a c o o t ，因此，鉴相器输出是一个角频率等于频差a c o 。的差拍信号。若a c o 。很 大，差拍信号的拍频很高，易受环路滤波器抑制，这样加到v c o 输入端的控制电 压很小，控制频差建立不起来，鉴相器输出的误差电压仍是一个上下接近对称的 稳定差拍波，环路不能入锁。 当a c o 。减小到某一范围时，鉴相器输出的误差电压是上下不对称的差拍波， 其平均分量( 即直流分量) 不为零，通过环路滤波器的作用，使控制电压以( f ) 中 的直流分量增加，从而牵引着v c o 的频率绒平均地向国，靠拢。经过一段时间之 后，当平均频差减小到某一频率范围时，以上频率捕获过程即告结束。此后进入 相位捕获过程，见( f ) 的变化不再超越2 万，最终趋于稳态值见( o 。) ，压控振荡器的 频率被锁定在参考信号频率m ，上，捕获的全过程即结束，环路锁定。 环路能否发生捕获是与固有频差a c o o 的大小有关的。只有当i a c o 。l 小于某一频 率范围时，环路才能捕获入锁，这一范围称为环路的捕获带a r o 。它定义为，在 失锁状态下，能使环路经频率牵引，最终锁定的最大固有频差陋1 。 2 2 3 5 环路稳定性 在分析环路的各项跟踪性能时，都已假设环路处于同步状态，即系统是稳定 的。实际上，由于锁相环路是一个负反馈控制系统，必定存在是否稳定的问题， 当它的开环增益大于l ，同时开环相移又超过时，系统就有可能振荡起来，因此 是不稳定的。判断环路稳定性的方法有劳斯霍尔维茨代数准则、根轨迹法或奈奎 1 8 第二章频率合成技术的基本理论 斯特准则。在工程上，常用锁相环路开环频率响应的伯德图来判定闭环稳定性。 为了确保环路稳定，通常要求相位裕量在3 0 0 6 0 0 之间“”。 2 2 4 锁相环- 性能分析 2 2 4 1 锁相环路的跟踪性能 实用的锁相环路在锁定状态下的稳态误差通常是比较小的。锁定之后，若输 入信号的相位鼠( f ) 发生变化，被控振荡器的输出相位幺( f ) 将进行跟踪，在此过程 中环路相差见( f ) 是变化的。假如在整个跟踪过程中，环路相差o a t ) 始终比较小， 动态方程中的s i n 见( f ) 可近似为见( f ) ，环路近似为线性系统。这种可以将环路近似 为线性系统来进行分析的跟踪