（信号与信息处理专业论文）基于△∑调制的s波段频率合成器的设计与实现.pdf

东华大学学位论文原创性声明 岫帅咖帅哪哪咖m 蛐删 y 2 13 6 6 3 2 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，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及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矽聋兽尹 日期：如年月多。日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学僦文储躲俐 日期少c ( 年月拥 指导教师签名： 日期：a 叫年月五旧 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 基于a 调制的s 波段频率合成器的设计与实现 摘要 基于调制的频率合成技术是在传统小数分频频率合成基础 上发展而来的新型技术。该技术将忑调制应用于锁相式频率合成器 中，将因小数分频而产生的相位噪声进行整形，再通过锁相环本身的 低通滤波特性加以滤除，从而在不降低参考频率的情况下，也可以获 得很高频率分辨率和低杂散、低相位噪声的信号。同时，这种频率合 成器结构较为简单，可大大简化设计流程和产品结构，已成为一种先 进而实用的频率合成方式，得到广泛的应用。 本文对调制理论及其数学模型，噪声整形特性进行了深入的 分析，详细推导了小数分频锁相环的噪声分布和系统模型。运用a d s 综合射频仿真软件，对基于一调制的频率合成器进行了行为级建 模，验证了其噪声整形和抑制功能。论文以小数分频锁相环芯片 l m x 2 4 8 5 e 为核心，完成了基于调制频率合成器电路的设计，包 括：控制程序和电路、电源、环路滤波器、压控振荡器等功能模块。 其中对频率合成器的性能有决定性作用的滤波器，采用标准反馈网络 结构的三阶有源环路滤波器，对电荷泵鉴相器输出电压进行放大的同 时，确保了宽带锁相环路的稳定性，实现了对小数杂散的抑制，和带 内外噪声的优化。 论文最后完成了整个系统的硬件实现和调试，可由p c 并行口程 摘要 序或a r m 程序控制的锁相式频率合成器，测试结果表明，其频率可 覆盖2g h z - - 3g h z ，频率分辨率可达lk h z ，输出功率5 5d b m ，相 位噪声为一9 2 9 3d b c h z 1 0 k h z ，实现了系统设计指标要求。 关键词：锁相环；小数分频；频率合成；调制 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f s - b a n df r e q u e n c y s y n t h e s i z e rb a s e do n m o d u l a t i o n a b s t r a c t d e l t as i g m am o d u l a t i o nf r e q u e n c ys y n t h e s i si sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yt h a tw a sd e v e l o p e d f r o mt r a d i t i o n a lf r a c t i o n a l - nf r e q u e n c ys y n t h e s i s t h ed e l t as i g m am o d u l a t i o ni sa p p l i e di np l l ( p h a s el o c kl o o p ) ，w h i c hs h a p e st h es p u ra n dp h a s en o i s ed u et of r a c t i o n a ld i v i d e r , a n dt h a tw i l l b ef i l t e r e db yi n h e r e n tl o w - p a s si d e n t i t yo fp l l t h e r e f o r ew ec a ng a i nf r e q u e n c yi nh i 曲 r e s o l u t i o n ，l o ws p u ra n dp h a s en o i s ew i t h o u tr e d u c i n gt h er e f e r e n c eo rc o m p a r i s o nf r e q u e n c y m e a n w h i l et h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a sr e l a t i v e l ys i m p l es t r u c t u r e ，s ot h a td e s i g np r o c e s sa n d p r o d u c ta r c h i t e c t u r ec o u l db eg r e a t l ys i m p l i f i e d d e l t as i g m af r e q u e n c ys y n t h e s i s ，t h ea d v a n c e d a n dp r a c t i c a lt e c h n o l o g y , h a sb e e nw i d e l yp u ti n t oa p p l i c a t i o n t h et h e o r yo fd e l t as i g m am o d u l a t i o na n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，p r o p e r t yo fn o i s es h a p i n g a r es t u d i e da n da n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed e r i v a t i o no fn o i s ed i s t r i b u t i o no ff r a c t i o n a l - n p l la n ds y s t e mm o d e la r eg i v e n b e h a v i o rm o d e lo faf r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb a s e do nd e l t as i g m a m o d u l a t i o ni sb u i l ti na d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) ，w h i c hs i m u l a t e si t sn o i s es h a p i n ga n d r e d u c i n gp e r f o r m a n c e t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fad e l t as i g m a 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 a l - np l ll m x 2 4 8 5 ei st h ec o r ec h i p m a i nf u n c t i o nm o d u l e s i n c l u d ec o n t r o lp r o g r a ma n dc i r c u i t s ，p o w e rs u p p l y , c i r c u i tf i l t e r , v c o ( v o l t a g ec o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) e t c c i r c u i tf i l t e r , p l a y i n gak e yp a r ti nt h ep l l a d o p t ss t a n d a r df e e d b a c ka p p r o a c hi n t h i r do r d e ra n da c t i v es t r u c t u r e ，w h i c hc a nn o to n l ya m p l i f yt h eo u t p u to fc h a r g ep u m pp h a s e d e t e c t o r , b u ta l s oi n s u r es t a b i l i t yo ft h ew i l db a n dp l l b o t hr e s t r a i no ff r a c t i o n a ls p u ra n d o p t i m i z a t i o no fi n - b a n d ，o u t - b a n dn o i s ea r ea c h i e v e d t h eh a r d w a r es y s t e mi sb u i l ta n di m p l e m e n t e d ，w h i c hc a nb ec o n t r o l l e db yp cp a r a l l e lp o r t p r o g r a mo ra r mp r o g r a m 。t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ，t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rc o v e r st h er a n g e f r o m2g h zt o3g h z ；f r e q u e n c yr e s o l u t i o ni s1k h z ；p o w e ro u t p u ti s 5 5d b m ；p h a s en o i s ei s - 9 2 9 3d b c h z 10k h z t h es y s t e mc a nm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t s c h e nk e ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) s u p e r v i s e db yy ej i a n f a n g k e yw o r d s ：p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) ，f r a c t i o n a l - nf r e q u e n c yd i v i d e r , f r e q u e n c ys y n t h e s i s ， d e l t as i g m am o d u l a t i o n i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章序论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 频率合成技术及主要性能指标2 1 3 频率合成技术的发展及研究现状3 1 4 论文的主要工作及章节安排5 第二章锁相式频率合成器7 2 1 锁相环基本原理7 2 2 环路滤波器9 2 3 鉴频鉴相器1 0 2 4 电荷泵12 2 5 压控振荡器1 4 2 6 分频器1 4 2 7 小数噪声的产生及分析l9 2 8 本章小结2 2 第三章基于调制的小数分频器2 3 3 1 调制一2 3 3 2a 调制技术应用于小数频率合成器3 0 3 3 本章小结3 9 第四章基于调制的小数频率合成器的设计与仿真分析4 0 4 1l m x 2 4 8 5 e 简介4 0 4 2 滤波器的设计4 3 4 3 系统设计与仿真4 6 4 4 驱动程序设计4 9 4 5 本章小结5 1 第五章基于调制的小数频率合成器的硬件实现与测试5 2 5 1 硬件实现5 2 5 2 测试结果与分析5 6 5 3 本方案的进一步发展5 7 5 4 本章小结5 7 第六章总结与展望5 8 附录5 9 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 攻读硕士期间发表论文6 4 致谢6 5 参考文献6 6 v 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 1 1 课题背景及意义 第一章序论 频率合成是由一个或几个参考频率源产生一个或多个频率的系统元件的组 合j 。高精确度和高稳定度的频率源对现代电子技术不可或缺，晶体管振荡器虽 然可以在一定程度上满足这些要求，但其产生的频率是比较单一的，并且只能在 极小的范围内进行微调。然而，随着电子产业的不断发展，越来越多的设备要求 在一个很宽的频带范围里提供大量稳定的频点。例如短波s s b 通信机，要求在 2 m h z 3 0 m h z 的范围内，提供以1 0 h z 为间隔的2 8 0 万个频点，并且每个频点 都要求具有与晶体振荡器相同的频率准确度和稳定度，这就需要采用频率合成技 术来实现【2 1 。 随着数字技术的发展，频率合成器在电路技术中的使用越来越广泛。最常用 的频率合成器实现方法是用锁相环来保证输出信号和参考信号之间的频率对应 关系，同时保证一定的频率稳定度。典型的锁相环由压控振荡器、反馈分频电路、 鉴相器和环路滤波器组成。由于基本的分频电路是整数分频，早期的频率合成器 只能产生频率为鉴相器的实际输入参考频率整数倍的输出信号。小数分频频率合 成器突破了这种限制，可以合成频率为非整数倍参考频率的输出信号。这样可以 提高合成信号的质量及切换速率，因此该技术逐渐在各种电子技术，特别是通信 技术方面得到了越来越多的应用。但是在小数分频技术发展的初期，其固有的小 数杂散严重影响了频率合成的噪声性能，在偏离载波1 0k h z 的位置杂散可能达 到约1 0d b c h z l 3 1 。在此情况下，调制的概念被引入频率合成技术当中，产 生了基于调制的锁相式小数频率合成技术。利用调制器的噪声整形特 性，不但能够有效地降低小数噪声，而且对锁相环路中的相位噪声也有一定的抑 制作用，提高频率稳定性，对科研与生产都具有重要意义。 i e e e5 21 2 0 0 2 标准规定：s 频段是指频率在2 g h z - 4 g h z 的无线电频段。 主要应用于中继、卫星通信、雷达等，现在被广泛实用的蓝牙，z i g b e e ，无线路 由等也使用这个频段。s 频段是近年来被重点开发的有利资源，其中包括了i s m 频段。i s m 频段即工业、科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线 频段用于工业、科学研究，和医疗方面的应用。应用这些频段无需许可证，只需 要遵守一定的发射功率( 一般低于1 w ) ，并且不要对其它频段造成干扰即可。 而2 4 g h z 为各国共同的i s m 频段。因此无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 b i e e e 8 0 2 1 l g ) ，蓝牙，z i g b e e 等无线网络，均可工作在2 4 g h z 频段上。性能优良的 第一章序论 频率合成器不仅可以为已有的技术提供可靠的频率源，更可以由此创造和实现更 新的技术。 1 2 频率合成技术及主要性能指标 频率源需要一系列的技术指标来对其性能进行描述，技术指标基本上决定了 频率源的成本、体积、重量以及实现的难易程度。频率合成器因为应用场合不同， 人们对它们的性能要求也不尽相同，这里只给出一些基本的技术指标。 1 ) 频率范围：频率合成器输出的最低频率f m i n 和输出最高频率之间的变 化范围，常用相对带宽f 来衡量频率范围： a f ：三! 鱼二厶! ! ) 1 0 0 ( 1 - 1 ) 厶。+ m i l l 也可以用频率覆盖系数表示，即k = f m 。当k 3 时，一般v c o 很难满 足这一输出频率范围。通常来说，频率合成器的频率范围取决于压控振荡器的频 率可变范围。频带较宽的频率合成器一般采用多波段拼接的方式实现。 2 ) 频率分辨率：信号源输出的两个相邻频率点之问的间隔。这一指标体现 了窄带测量的能力。它取决于频率合成器的设计和控制方式。不同用途的信号源 对频率分辨率的要求相差很大。 3 ) 频率切换时间：从发出频率切换指令开始，到切换完成，并进入允许的 相位误差范围所需要的时间。频率合成器从接受指令开始建立震荡到达稳定状态 的时间叫做建立时间；稳定状态持续的时间叫做驻留时间；从稳定状态到达振荡 消失的时间叫做消退时间。从建立到消退的整个时间叫做一个跳周期。它与频率 合成的方式有着密切的关系。 4 ) 频率准确度：准确度是信号源实际输出频率与理想输出频率的差别，分 为绝对准确度和相对准确度。绝对准确度是输出频率的误差的实际大小；相对准 确度是输出的误差与理想输出频率的比值，表达式如下： 忙等= 等 m 2 ， o o 、? 式中，a f = f f o 为频率绝对准确度，a 为频率相对准确度。 5 ) 频率稳定度：稳定度是频率准确度随时间变化的量度，分为长期稳定度 和短期稳定度。长期稳定度是指信号源在规定的外界条件下，在一定的时间内工 作频率的相对变化，它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同；而短期频率稳 定度主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或者相位起伏，即相位噪声，它可以从 基于一调制的s 波段频率合成器的设计与实现 频域( 单边带相位噪声谱密度) 和时域( 阿仑方差) 来表征。 6 ) 频谱纯度：频谱纯度实质是指频率合成器输出信号中包含谐波分量和其 他杂散分量大小的一种度量。影响频谱纯度高低的重要因素是滤波器的质量、相 位噪声、杂散噪声和其他寄生干扰，其中相位噪声和杂散分量尤为主要。杂散又 称寄生信号，分为谐波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性 失真产生。对于一个理想的频率合成器，所有的能量都集中在一个频率点上，然 而实际的情况是功率能量分布在载波能量的两边，这些能量就是相位噪声，如图 1 1 。相位噪声是指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏，在频谱上呈现为 主谱两边的连续噪声频谱，是衡量输出信号相位抖动大小的参数【4 j 。 相位噪声的单位通常用d b c h z ：在1 h z 带宽内的噪声功率与中心频率的功率 比。指定相位噪声时通常要说明与中心频率的偏离值。通常情况偏离中心频率 1 k h z 处的相位噪声值至关重要。g s m 协议就对相位噪声提出了 8 0 d b c h z 1 k h z 的明确要求 5 1 。 理想频率合成器 实际的频率合成器 j 【弘 l 图1 - 1 理想和实际频率合成器的相位噪声 7 ) 电磁兼容：随着电子技术的发展，电磁环境越来越复杂，在电子设备的 研制过程中融入电磁兼容设计日见重要。电磁兼容性指的是设备在共同的电磁环 境中一起执行各自功能的共存状态。它具有两层含义：该设备不会由于受到处于 同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一 电磁环境中其他设备，因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。 在频率合成器的设计中，由于设计时屏蔽、滤波、接地不好或不当，电路排 板( p c b 设计) 不正确，会使频率合成器的指标严重下降。故电路的电磁兼容设 计很关键，在设计时，要采取必要的措施减少或抑制外来干扰噪声，降低附加噪 声和系统自身信号串扰。 1 3 频率合成技术的发展及研究现状 目前，有三种频率合成技术被广泛应用：直接频率合成技术、间接频率合成 技术、直接数字频率合成技术。 第一章序论 直接频率合成技术是最早使用的频率合成技术。它利用混频器、倍频器、分 频器和带通滤波器来完成对频率的四则运算，比较典型的一种直接合成模块为双 混频分频模块。直接频率合成能实现快速频率变换、几乎任意精度的频率分辨 率、低相位噪声以及很高的输出频率。但是，直接频率合成需要大量的硬件设备 ( 振荡器、混频器、带通滤波器等) ，因而体积大、造价高。它的另外一个缺点 是会输出寄生频率，即所谓的杂波。这是由于带通滤波器无法将混频器产生的无 用频率分量滤除干净所造成的。频率范围越宽，寄生分量也就越多。这是直接频 率合成的一个致命缺点，它足以抵消以上所有的优点。因而，几乎在所有的应用 场合，己被采用锁相技术的间接合成技术所取代。 间接频率合成技术是一种应用锁相环路的频率合成技术。它也是目前应用最 为广泛的一种频率合成技术。锁相环路是一种相位负反馈系统，它利用环路的窄 带跟踪与同步特性将v c o 的输出相位与晶振参考相位保持同步，实现锁定输出 频率的功能，同时可以得到和参考源相同的频率稳定度。一个典型的频率合成器 原理框图如图1 2 所示。 图1 - 2 锁相式频率合成器原理框图 直接数字频率合成技术( d d s 技术) 也是目前比较流行的频率合成技术。它 采用数字计算机和数模变换器来产生模拟信号，完成直接数字频率合成。或者是 利用计算机求解一个数字递推关系式，或者是查阅表格上所存储的正弦波值。目 前用得较多的是查表法。采用这种方式的频率合成器体积小，功耗低，并且可以 几乎是实时地以连续相位转换频率，产生出非常高的频率分辨率【6 】。但这种合成 方法的主要缺点是工作频率不高。 以上三种频率合成技术中，目前用得最多的是锁相频率合成技术。在某些特 殊应用场合，例如要求极高的工作频率、非常高的频率分辨率或快速的频率转换 性能等，当p l l 合成器难于实现这些性能时，可采用多种合成技术结合使用， 构成混合式的频率合成器。 小数分频的概念被引入后，使得锁相式频率合成技术在一定程度上突破了技 术瓶颈，解决了频率分辨率和参考频率之间的矛盾。但是所有小数分频频率合成 器的性能都不同程度地受n d , 数噪声的限制，在推广方面有一定的困难。目前已 有多种技术用于克服这个缺陷，模拟补偿和噪声频谱搬移是其中比较成功的 技术。 模拟补偿技术是根据小数分频产生相位抖动的变化规律而在检测相位时加 4 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 以相应的模拟校正信号以减小小数噪声的强度。在模拟部分的精确度得到保证时 这种补偿可以达到很好的效果。但由于模拟器件精确度很容易受温度和使用时间 的影响，必须使用成本很高的特殊措施，补偿性能才能得到保证。 噪声频谱搬移技术是随着数字处理技术而发展起来的较先进的方法。这 种技术的原理是利用对分频比实施高阶调制的方法，使小数分频的相位抖动 频谱向高频移动，从而能更有效地被环路滤波器滤除。由于这个方法可以稳定、 有效地抑制小数噪声，正逐渐得到越来越多的应用。此外为进一步克服残留小数 杂散对频谱纯度的影响，通过产生随机序列，使多模分频器产生分频比抖动，这 也是一种在鉴相器端削弱固定相差、抑制小数杂散的新方法，但是该方法会使杂 散转化为噪声，这种转化对系统性能的影响需要对实际结果进行观察、评估进而 做出取舍。 目前，国内外已有部分公司将调制技术应用于频率合成产品。具有代表 性的是美国国家半导体公司的l m x 2 3 x x 、l m x 2 4 8 x 系列，飞利浦公司的 u m a l 0 系列，安捷伦公司a g i l e n t 8 6 4 8 型频率合成器。在研究方面，正尝试运 用多种手段进一步抑制杂散、噪声，提高频谱纯度。使多模分频器的分频比产生 随机抖动是经济、有效的方法，其相对瞬时相位差的模拟补偿方法具有更高的实 用价值。频率合成器中的整数和小数分频技术相辅相成，小数分频并不会完全取 代整数分频锁相环，但是小数分频的优势十分明显，将会深刻影响锁相环的技术 研发和市场份额【7 j 。 基于- 调制的小数频率合成技术的研究对低相噪，低杂散，高分辨率的微 波频率源的研制具有重要意义。 1 4 论文的主要工作及章节安排 本文主要是对基于- 调制的锁相式频率合成器进行分析研究；在此基础上 了解掌握小数分频锁相环设计方法，运用a d s 综合射频仿真软件分析相关电路 的性能，并以l m x 2 4 8 5 e 为核心对基于该技术的频率合成器进行了外围电路设 计与实现，并对硬件平台中重点模块的设计进行了详细的阐述。本文共分五章， 各章包含的主要工作如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了研究基于调制的s 波段频率合成器的背 景及意义，频率合成器的主要技术指标，以及国内外技术发展和研究现状。 第二章对锁相式频率合成器的基本结构及工作原理进行了介绍，着重分析了 传统整数分频锁相环和小数分频锁相环的基本原理与区别，分析了后者的技术性 能优势和不足，对小数分频锁相环的噪声性能做了详细推导。同时，对锁相环中 的重要模块环路滤波器的基本类型做了介绍。 第一章序论 第三章重点介绍了一调制技术的特性和噪声整形原理，阐述了该技术应用 于锁相式频率合成器的性能优势和技术原理，并运用a d s 对其降低小数频率合 成器的相位噪声和杂散的性能进行了建模仿真和分析。 第四章完成了锁相环系统电路的设计，并对影响系统性能的关键模块进行了 仿真分析，实现优了电路参数的优化设计。 第五章完成了锁相环电路系统性能的测试，对测试结果进行分析，并对方案 的改进阐述了自己的一些想法。 第六章是对全文的总结，以及对相关技术的展望。 作者在本文中的主要工作： 研究并阐述了频率合成器的发展过程，分析了基于调制的率合成器 的性能特点和技术优势。 介绍了调制的基本原理和将其运用为分频比控制器的锁相环的理论 分析和设计。 完成了基于调制的锁相式频率合成器的设计，仿真分析和硬件实现， 研究和实践结果表明，该频率合成器具有低相位噪声、低杂散、高分辨 率等优点。 6 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 第二章锁相式频率合成器 整数分频锁相环具有一般锁相环锁定相位的特性，它能将输出信号的频率锁 定在输入参考信号频率的整数倍。但是其存在的缺陷是输出信号频率只能以参考 频率的整数倍变化，如要提高锁相环的频率分辨率必须降低参考频率的大小，继 而使环路带宽降低，锁定时间延长，这些都将严重影响锁相环的性能。小数分频 是采用一种平均的思想来获得小数形式的分频比。每次改变分频比的分母，就可 以在不改变参考频率情况下得到较高的频率分辨率。从而解决了单环整数锁相环 中存在的高鉴相频率和高分辨率之间的矛盾。这样，通过提高鉴相频率既可以增 加环路带宽，加强反馈，加快频率转换时间，又可以降低与大分频比有关的相位 噪声，从而获得更好的噪声性能，提高频谱纯度。本章将对锁相式频率合成器的 基本结构及其工作原理进行研究。同时，通过对整数分频锁相环原理的分析指出 其固有问题，并对小数分频的工作原理做出具体分析。 2 。1 锁相环基本原理 单环数字锁相式频率合成器由鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l p f ) 、压控振荡 器( v c o ) 、程序分频器( 1 n ) 、参考分频器( 1 r ) 等五部分组成，其原理框图 如图2 1 所示。 图2 - 1 单环数字锁相式频率合成器 其中，参考频率f r 是由高稳定度、高精确度晶体振荡器经固定分频后得到的。 v c o 输出信号频率f o 经程序n 分频，得到f n ，它与的关系为： ， l n2 鼍(2-1) 鉴相器p d 比较两输入信号脉冲与f n 脉冲的相位，输出一个代表相位误差 ( p 。的误差电压v d ： y d = 瓦( p e( 2 2 ) 其中亿为鉴相器的鉴相增益或鉴相灵敏度： 7 第二章锁相式频率合成器 k = 挈伏弧度( 2 3 ) a 环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是抑制由鉴相器产生的纹波与噪声。 它决定环路的阶数，对环路的参数及动态特性等有很大的影响。 压控振荡器v c o 是一种振荡频率受电压控制的振荡器，当v c o 的控制电 压v c ( t ) 为： v c ( t ) = v c o + 屹( f )( 2 - 4 ) 相应地，v c o 的输出信号角频率为： c o o ( t ) = 呢+ c o e ( t )( 2 5 ) 其中，w 。o 是对应于直流电压v 。o 的角频率。 令 k 。= 鬻脚( 秒呐 ( 2 - 6 ) 式中，k 。称为v c o 的压控灵敏度或压控增益。 于是，v c o 的输出信号为： t ， u o ( f ) = u oc o s c o o t + + i 氏。v e ( t ) d t ( 2 - 7 ) i 可见v c o 的振荡频率会朝着减小控制电压的方向变化。当误差电压v d 经过 环路滤波器之后，加载到压控振荡器上，使v c o 的振荡频率朝着减小，即减小 输入信号脉冲与f n 脉冲的相位差的方向变化，最终使两信号相差为零，v c o 的振荡频率等于输入信号频率。 当环路锁定后，v c o 的输出信号频率f o 满足： f o = n x z( 2 8 ) 根据单环数字锁相式频率合成器的工作原理，当环路锁定后，环路线性化数 学模型如图2 2 所示。 图2 - 2 环路线性化相位数学模型 图中各量均为拉氏变换表示，其中f ( s ) 为环路滤波器的传输函数。 根据信号分析理论，a 点至d 点的开环传输函数为： 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 ，、巧f ( s ) 。 丁( s ) 2 篙 a 点全d 点的闭环传输函数为： h ：盟：竺坠坐! ! ! 竺型 竹 )1 + k 4 k 。f ( s ) ( s ) a 点至c 点的闭环传输函数为： 胖鬻= 器= n h ( s ，哆u jl + k k 。，t j ) j a 点至正点的闭环传输函数为： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) = 1 一日0 )( 2 - 1 2 ) 由式( 2 9 ) 至( 2 1 2 ) 可见，各种传输函数的特性均取决于f ( s ) ，即环路滤 波器的传输特性。 2 2 环路滤波器 环路滤波器是锁相式频率合成器中的关键模块，它的性能在很大程度上确定 了整个锁相环的整体性能，如环路稳定性、锁定时间、频谱纯度等等。常用的环 路滤波器有r c 比例积分滤波器，无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三 种。 r c 积分滤波器是结构最为简单的低通滤波器，其电路图结构如下( 图2 3 ) 。 图2 3r c 积分滤波器 r c 积分滤波器的传递函数如式( 2 1 3 ) ，其中t 1 = r c 是时间常数。 1 1 2 而 ( 2 1 3 ) 无源比例积分滤波器的基本结构如图2 4 所示，与r c 积分滤波器相比，增 加了一个与电容串联的电阻，这样就增加了一个可调参数，其传递函数为式 ( 2 1 4 ) 。 9 第二章锁相式频率合成器 。三工。 图2 - 4 无源比例积分滤波器 驯2 畿 ( 2 1 4 ) 式中了l = ( r 1 + 恐) c ；r 2 = r 2 c 。 有源比例积分滤波器中含有运算放大器，典型电路如图2 5 所示，他的传递 函数为式( 2 1 5 ) 。 图2 - 5 有源比例积分滤波器 f ( j 国) ：一a 毕 1 + ，缈q 式中1 = ( r + 觚+ 是) c ，吃= 恐c ，a 是运算放大器的开环增益。 2 。3 鉴频鉴相器 ( 2 1 5 ) 鉴频鉴相器( p f d ) 是锁相环中的重要部分。它负责检测输入信号与v c o 分频后的反馈信号之间的频率差及相位差，并产生相应的误差电压信号启动电荷 泵。在锁相环的应用过程中，共出现了四种类型的鉴频鉴相器悄j ：从模拟乘法器 到异或门及j k 触发器，直至鉴频鉴相器。 鉴频鉴相器的优势在于，能够同时对相位和频率进行检测。典型的鉴频鉴相 器如图2 6 所示，该电路主要由两个d 触发器和一个与非门组成，d 触发端分别 接电源，时钟信号为两输入，与非门的输出控制触发器的复位，输出分别为两d 1 0 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 触发器的输出。两个输入信号分别为锁相环的输入参考信号f 0 和输出反馈信号 。，输出信号分别为u p 和d n 信号。 图2 - 6 典型鉴频鉴相器电路结构 鉴频鉴相器应用于锁相环并工作于鉴频状态时，其工作原理简要如下： ( 1 ) e f f v c 。：当采f 出现高电平时，输出信号u p 生成高电平，理想情况下其 持续时间视两信号所差相位而定，即当。同时出现高电平时，两d 触发器复位， u p 恢复低电平。而u p 信号的高电平阶段，开启电荷泵电源通路，使其对滤波 器进行充电，从而导致滤波器对v c o 的控制电压升高，进而控制v c o 频率升 高。分频后的反馈信号f v 。频率增加，两输入信号相位误差减小，形成反馈过程， 直至相位误差接近为零。 ( 2 ) 。f f v 。时，u p 产生宽度不断增大的脉冲；当f 啬 良。b 缸 o ：得到u p 信号的上升沿并产生脉冲，理想情况下，d n 信号始 终为零。这样，仅开关s w l 闭合，即电荷泵的上支路导通，通过电流源对滤波 器的电容充电。充电过程使得滤波器的输出控制电压升高，从而增大v c o 的输 出频率。当u p 信号的上升沿结束时，s w l 打开，即电荷泵中无电流导通，滤波 器电压保持不变，充电过程结束。 ( 2 ) f 0 氏o ：d n 信号得到正向脉冲，u p 信号保持低电平( 依然是理想情况 下的分析) 。开关s w 2 闭合，s w l 断开，电流源使电荷泵的下支路导通，滤波 器的电容对电荷泵放电。与( 1 ) 中的过程相反，滤波器由于不断的放电，其电 压即v c o 的控制电压逐渐降低，使得v c o 输出频率降低以适应电压的变化。 当d n 信号的上升沿结束时，s w 2 打开，即电荷泵中无电流导通，滤波器电压 保持不变，放电过程结束。 ( 3 ) f 备= f v 。：这种工作状态在理想情况下的结果是，u p 和d n 信号均为低 电平，电荷泵中无电流导通，电荷泵不工作。理想情况下，电荷泵工作于不同状 态下，滤波器的充放电，对v c o 的控制电压v c 。r l 变化曲线可以由图2 1 1 中看出， 充电时电压呈阶梯上升，放电相反。与p f d 略有不同的是，在p f d 进行鉴相工 作时，电荷泵的工作原理与在p f d 鉴频时是基本相同的。当参考信号的相位超 前于反馈信号时，电荷泵工作于状态( 1 ) ；当参考信号滞后于反馈信号时，电荷 泵工作于状态( 2 ) ；两信号相位误差接近于零时，电荷泵不工作( 状态( 3 ) ) 。 第二章锁相式频率合成器 蹿e 醴 。t a 电荷泵对滤波器充电b 电荷泵对滤波器放电c 电荷泵不工作 图2 1 l 电荷泵在不同工作状态下，滤波器输出的控制电压v c t r l 随时间变化的曲线 2 5 压控振荡器 v c o 是锁相环中的高频器件，在直流供电条件下，v c o 的输出频率 ( 丘= 2 n - c o 。删) 随控制电压的线性变化： c o o t ( t ) = c o o + ( f )( 2 1 6 ) 其中，表示当，为0 时的输出频率，氏表示v c o 的增益。 相位噪声、调谐范围，以及功耗等，都是v c o 设计中必须考虑的因素。常 见的v c o 包括环形振荡器和l c 振荡器，前者节省面积成本、易于集成，后者 噪声性能好。基本的l c v c o 的电路如图2 1 2 所示。 2 6 分频器 图2 1 2 基本的l c v c o 电路图 2 6 1 整数分频器 锁相环是可以实现两个信号相位同步的自动控制系统，是一种相位跟踪装 1 4 基于调制的s 波段频率合成器的设计与实现 置。基本锁相环系统产生的输出信号需要在频率和相位上与参考信号同步，其框 图如图2 1 3 所示： j- 7 f 三竺l 7 l ! ：竺l7 l ：厂一 2 1 3 基本锁相环框图 鉴相器是相位比较器，它把输出信号u o ( t ) 和参考信号u 的相位进行比较， 产生两信号相位差的误差信号u d ( t ) 。 环路滤波器的作用是屡出误差电压u d ( t ) 中的高频分量和噪声分量，以保证 环路所要求的性能，增加系统稳定性。 压控振荡器是一个电压频率变换器，它的输出频率所控制电压u 。( t ) 控制， 使压控振荡器的频率想参考信号的频率靠近，也就是使误差频率越来越低，直至 消除频率差。 根据三个基本元器件的原理，分析整个锁相环的工作原理。首先鉴相器把输 出信号u o ( t ) 和参考信号u r ( t ) 的相位进行比较，产生一个反映两信号相位差大小 的误差电压u d ( t ) 。u d ( t ) 经过环路滤波器的低通滤波，得到控制电压u 。( t ) 。u 。( t ) 调整v c o 的频率想参考信号的频率靠近，直至最后两者频率相等，相位差恒定， 即实现了锁定。因为锁相环是一个自动相位跟踪系统，因而等锁相环锁定时，不 存在输入信号和输出信号之间的频率差，而只存在一个很小的稳态相位差。 给基本锁相环的反馈回路添加一个n 分频器就可以工程一个基本的单环锁 相频率合成器。其原理图如图2 1 4 ： 2 1 4 单环锁相频率合成器原理框图 在单环锁相频率合成器中，鉴相器不是直接比较参考信号和输出信号，而是 比较输出信号经过分频后的信号。在环路锁定时，鉴相器两输入端的信号频率相 同，即 f r e z = 厶 ( 2 1 7 ) 由图可知： 厶= 五 ( 2 1 8 ) 第二章锁相式频率合成器 联立( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 两式可得： z = 聊 ( 2 1 9 ) 如果将输入参考信号经过m 分频后再加至鉴相器，则输出频率为： f o = f n m ) l e l ( 2 - 2 0 ) 此时，鉴相器的工作频率是。a m 。这种锁相环的输出频率只能是鉴相频率 的整数倍，因此也被称为整数锁相环。 这样，我们就得到了一种从单个参考频率获得大量离散频点的方法。如果用 一个可编程分频器来实现n 分频，就可以很容易地通过改变n 来使输出频率得 到改变。根据锁相环的基本原理及线性化模型分析可知，它具有以下几个基本特 占 、 1 ) 锁定特性：环路对输入的固定频率锁定以后，两个信号的频率差为零， 两者之间只存在一个很小的稳态相位误差； 2 ) 载波跟踪特性：锁相环路能跟踪输入信号频率载波的缓慢变化，无论输 入锁相环路的信号是己调制或未调制的，只要信号中包含载波频率成份，既是输 入信号暂时消失，输出信号也能保持对输入信号的锁定； 3 ) 调制跟踪特性：锁相环路能跟踪输入信号频率的变化，所以环路具有调 制跟踪特性，在这种情况下，只要让环路有适当宽度的低频通带，压控振荡器输 出信号的频率与相位就能跟踪输入调频或调相信号的频率与相位的变化； 4 ) 低门限特性：由于环路中有鉴相特性的固有非线性，这就使得它在噪声 作用下，同样存在门限效应。但是锁相环路不像一般非线性器件那样，门限取决 于输入信噪比，其门限是由环路信噪比决定的。一般环路的通频带总比环路输入 端的前置通频带窄的多，因而环路信噪比明显高于输入信噪比，环路能在低输入 信噪比条件下工作，即具有低门限的优良特性。因此只要将环路设计成窄带，就 可以把淹没在噪声中的微弱信号提取出来。这样，环路用于解调调频、调相信号 时，可以取得门限扩展的效果。用于解调数字调制信号时可使误码率降低。 但是，整数锁相环最大的缺点是频率分辨步长只能是鉴相器的工作频率的整 数倍。在要求较小步长时检测器工作频率也较低，而合成器的多项指标，如锁定 速度，噪声特性等等都要求使用较高的检测器工作频率。这使整数合成器的使用 范围受到了严重的限制。 2 6 2 小数分频器 小数频率合成器的工作原理如图2 1 5 ，通常使用n ( n + i ) 的可变分频器，其 工作原理描述如下：使可变分频器的分频比按一定规律在n 和n + i 之间变化， v c o 输出经分频器分频后与参考频率进行比较，所产生的频差转化为电压控制 1 6 基于调