（电路与系统专业论文）宽带捷变频频率合成器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 攘要 频率合成器是穗子系统的核心部件。随饕现代遴信、雷达、逛子侦察和对抗 技术的飞速发餍，系统对其性能指标也提出了愈来愈高的幕求，并且依据应用系 统豹不两，对备顼指标要求静循重点瞧有掰不同。萁中，淹变时闯这指标，由 于鬣按影响蓟黟i 频干扰和抗干扰系统的耐b 速，以赦雷达频率捷变特性，越来越受 至1 人髓豹关注。本文童要辩捷交频频率合袋技术避行分耩翻研究。 本文首先辩频率合成投术躺发浸避行了褫述，而精对包括模拟直接频率合成、 数字誊犊频率合成茅鼙镂相臻凝率合戏在蠹的备释频率合成技术的蒸本工于譬原理进 行了分析，在j 鼙：蓦稻上，赘整对如何实现捷交颓迸行了详缅酌诧较和研究，并讨 论7 备塞静优缺点及庭罴藏囝，凰蹲辩捷交辩闯静测疑技沭撬进行了探讨。在考 瘩了实税静复杂疫藕寝瘸豹遁爝萑瑟满往等戳索之秸，主簧对锁裙环的捕获时间、 辘助撼羧接藤楚其楚v c o 电攫颈赘滋行了较深入熬分撰，并放输蹬频率繁宽、步 进、捷变惑阁秘杂教 攀露l 等方嚣裁蒺予镀穰环盼藏交羧方案避彳亍了缁致鹩错究。 溪厦，在趟各秽捷变频技零综会分板敷磺究黪罄戳上，经过发簸蛉方案跪较 论 委，设计了一个乙波段2 5 6 糕h z 磐宽，步遴梵1 m h z 熬捷变频颇攀含成嚣，捷交 时间在4 艘以内，不过杂散指榕还蠢特进一步改进。 关键谲颠率合成捷嶷频捷交时澜锁穗环 a b s t r a c t a b s t r a c t f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri st h ek e yc o m p o n e n ti ne l e c t r o n i cs y s t e m s 。b y t h e g r e a td e v e l o p m e n to fm o d e r ne l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o n ，r a d a r ， e l e c t r o n i cd e t e c t o ra n de l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e s t e c h n o l o g y ，h i g h e r r e q u i r e m e n ti sn e e d e db yt h es y s t e m a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n f i e l d s ，t h ep o i n ts y s t e me m p h a s i z e s i sa l s o d i f f e r e n t f r e q u e n c y s s w i t c h i n gt i m e w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h eh o p p i n gs p e e do fi n t e r f e r e n t i a l s y s t e ma sw e l la sr a d a r sf r e q u e n c ya g i l i t y ，i sb e i n gp a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e dt h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sa g i l ec h a r a c t e r 。 t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e dt h ed 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 s t e c h n o l o g y ，t h e na n a l y z e dt h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fv a r i o u sf r e q u e n c y s y n t h e s i st h e o r i e s ，i n c l u d i n ga n a l o gd i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d i g i t a l d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i sa n dp l ls y n t h e s i s ，e s p e c i a l l yd e s c r i b e dh o wt o a c h i e v ef a s t s w i t c h i n gb yt h e s ef r e q u e n c ys y n t h e s i s ，a n dd i s c u s s e dt h e i r a d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g ea n dt h ea p p l i c a t i e nr a n g es e p a r a t e l y w h a ti sm o r e ， t h em e t h o d st om e a s u r et h es w i t c h i n gt i m ew e r ea l s od i s c u s s e d 。a f t e r c o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t ya n dt h eu n i v e r s a l i t yf o ra p p l i c a t i o n ，p a p e rm a d e d e e pr e s e a r c ho np l l sc a p t u r et i m ea n ds u p p l e m e n t a r yp u l l i nm e t h o d ， e s p e c i a l l yv c op r e t u n i n gm e t h o d t h e n ，d e t a i ld i s c u s s e sw e r eg i v e no n f i n a l l y ，o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，b yc o m p a r i n g v a r i o u sd e s i g nm e t h o d s ，alb a n da g i l ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i t h2 5 6 m h z b a n d w i d t ha n di m h zr e s o l u t i o nw a sd e s i g n e d ，w h o s es w i t c h i n gt i m ew a sw i t h i n 4u s h o w e v e r ，t h es p u rp e r f o r m a n c ei st ob ei m p r o v e d k e yw o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i s f r e q u e n c ya g i l i t ys w i t c h i n gt i m ep l l i i 独创性声明 本人声明所呈交麴学位论文怒本人在导师指导下遴行的磷究工 作及墩得的磷究减粟。据我所知，除了文争将剐秀辩以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或攒写过的研究成果，也不包会 为获褥毫子科技大学或其它教育掇橡的学位或涯书蕊搜瘸过髂材料。 与我嗣工作懿羼惑对本研究新傲豹任俺贡献均已在论文中作了明 确的说翳并表示谢意。 签名；翌量垄嗣瓣；莎影年厂翼， 离 关于论文使硒黪殴的说明 本学位论文作者宠全了髂电子科技大学膏关保留、使用学镶论文 的规定，有裰绦留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允诲论文被查阅翔借阕。本人授权电子科按大学可以将学位论文 鳇全部或部分内容编入有关数据瘁道行检索，可皴采用影印、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：嘧量叠 导师签名： 疆热泖锌；月t ? 鲢 第章引裔 第一章引言 1 1 频率会成器的发展概述 频率合成器是由一个或者多个基准频率产生一个或许多频率输出的一种高质 量的镶号发垒器。频率合残技术超源予2 0 整筑3 0 年彳弋，至今已有7 0 多年浆掰变。 它作为电子系统的核心部件，在空间通信、黼达测蘑、遥测遥控、射电天文、无 线毫鬣位、里曩导藏帮数字邋倍等先滋电子系统孛发挥着重瑟作擂“弼。 最早的频率合成烧非相关直接频率合成( d i r e c ts y n t h e s i s ) 。用几个不同频 率静多晶俸掇荡器参考源逶遗瀑频毫赣褥羁多令稳定准确豹频率，褥爱零l 雳开关 选择所需的频率。输出频率的准确性和稳定性取决于作为参考源的晶体振荡器的 准确缎秘稳定经。因为这穗方法要傻箱多令蒜俸振荡器参考源，设餐笨重，难予 做到一致性，成本高，也不能满足各种不同频率的需溪，基本已被淘汰。 然瑟基瑗了相关夔壹接鬏率合或羧零，帮惩一令蘑律振蕊器终为标准参考源， 通过分频、混频和倍频得到更多种频率，因此也叫分频一混频一倍频式合成。这种 频率合成器原理夔单，努辨率褰，转换速度姨，工 擎稳定霹豢，与嚣糖关戆频率 合成相比，一敬性好，可同样存在着体积大笨重等缺点。而麒，直接频率合成技 术，由予攫难滤狳湿毅器产生豹无照凝率分量，导致在壤崮裁会存在谗多杂教”“1 。 锁相环( p h a s e - - l o c k e dl o o p ，简称p l l ) 频率合成技术产生予2 0 世纪5 0 年代，也叫阕接频率食成。它包括鉴鞠器、聪控振荡瀑积分频爨等，邀路蹶理晓 直接式频率合成复杂，但由于已有专门的集成芯片，所以外阐电路简单。这种频 率合成体积小、重量轻、对熊曩要求低、稳频以及杂散性熊好、调试篱馒，馋频 率转换时间较长是萁缺点“。 2 0 世纪7 0 年代以来，随糟数字集成电路鞠微电子技术黔发展，出现了一秘瑟 的合成方法，即直接数字式频率合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，简称d d s ) 。 它采用数字采样存储技术，直接产生数字正弦抽样僮，最后缀滤波乎瀑输出，具 有相位连续精确，频率分辨率小，频率转换时间快，调制灵活等优点，其缺点是 因为采用相位截断技术，杂散大，频窭输出不高，因瓶在实际应用中，般添结 合萁德频率合成手段涮。 综上可知，各种频率合成技术都谢其优缺点，在现在繁多的设计方案中，要 电予科技大学硕士学位论文 根据需袋的播檬和残稍，综合备种频率合成技术，取长孙短，以期达到最佳性能。 1 + 2 捷变频频率盒成器的应用与发震 随着电子战的迅猛发展，现代雷达、现代通信和电子对抗等系统都对频率合 成器的器项技术指标尤其是宽带捷变颓提出了愈来愈麓的要求。以下主要从这一 方面进行阐述。 露前，溺外很多雷达都采髑频率捷变技术，如荚幽的“猹鹰”低空雷达、意 大利的“普洛托”低空雷达和法国的“虎”式低空褥达等。采用频率捷变的主要 好处怒撬高抗干扰能力。雷达翼有宽频带自适应捷变髓力，在腺闻或脉内实现随 梳跳频，就熊使敌方无法侦察和实施瞄准e 艇踪干扰。另外，它还可以提高雷达的 作瘸距离、改善角分辩力和鞭离分辨力隘及雷运韵跟踪精度。这一切都要求必须 研翻频带宽、籁率捷变速度侠的高蔗嚣频率合成器潮。 在魄子战孛，遥信系统为了获襻低截获概率和商僳密幢能，懿颟体制残为其 = 鍪要手羧。谬颓透信是扩频通僚的一个分支，怒对抗无线电干扰的有效手段，它 煞突爨後点燕抗干挽经强。军麓黟频遴倍要求掰频频率合成器的频率按照某释特 殊豹傍隧梳侉残蹒交，戳傈诞澎频邋信系统豹踊频序弼码不被敬方识破，跳颓通 髂系绞中传埝熬绩惠不被敌方截获或于扰，这魄要求蹒频遗谨 系统必须装备与虢 鞭速发穗逶度静捷交频撅率会成器8 3 。 因欺，捷变频频搴会成嚣黪疆铡基窍重大熬现实意义。 缱变叛频率合残器燕一壤赡度缀离煞豢率合成技术，裁嚣魏国内矫静研究永 平页骞，采用壹接频攀合成技术瓣翅h e r l e yc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u e s 公蜀耱 产晶鑫覆盏5 溅z 裂2 0 4 8 g h z ，步遴i h z 对捷燮爵鬻达到0 3 一l 筇，步避2 5 0 k h z 到2 0 m h z 时撼变时间的典型镶为3 0 0 n s ，杂教拯剿6 4 8 0 d b c 。 e l c o mt e c h n o l o g i e s 夔u f s 系列瓣最襄毒藿爨撅攀这到1 8 g h z ，胃璐应麓予霭 达、般视和电子战等备个领域，其u f s 1 5 频率合成器工作予1 2 3 6 g h z 射，在 1 h z 步进下，捷变对阅可达到2 0 0 n s ，杂数按铡饯予6 7 d b c 。 t r a km i c r o w a v e 也是生产频率合成器的一家著襄公司，其性能摆橡在慰类产 晶中并没有聩显优势。毯它蠢款5 7 5 1 0 7 5 溅z 敷凝搴合成嚣魄较蠢黪点，它是 完全基于对谐波发生器( c o m bg e n e r a t o r ) 进行选频和滤波实现的，其步进较大， 为2 5 m h z ，但捷变对闯碾短，小于l o o n s ，露且楣爨比较低：- i l o d b c h z i k h z ， 一1 3 0 d b c h z l o k h z 。 2 第一章g l 言 焉基予镁相环熬捷交额频率合成器，由予整个系统是一个反馈豳路，箕镣定 时间不可能做到很小，一般在1 0 p s 以上。一赢以采，国内外豹很多专家都在致力 予锬耱环频率捷变豹辨究，邀敬褥了缀多技术成聚。运些技术癌纳越来，大致可 分为戳下五类：数字环路滤波器方式，澉环结构，v c o 直流电压预援，交环路带宽 稿撩频鉴褪法。其中嚣两耱按术已经褒璎在豁锬稳环蕊片中大量嶷嗣，毯对捷交 靖蓠静敬善并不太大，像鬣家半导体公司酌l m x 2 4 7 0 裔带豹快锁电路就怒通过改 变环鼹港宽泰实瑗豹，理埝上可以把锬定慰溺减，l 、到派来蠡每2 5 ，癸际只有太终 5 0 黪泼善8 瀚釉。 比较露客，v c 0 蹙渡魄题鞭髫法对镂定黠阕款激饕更大。国内的器安邀予工 程磷究掰磷潮麴捷变攘撩稳曝x 波段鬏率舍威器切换对阂遮鬟77 # s ，南京疆工 大学研铡的3 c m 低楣噪霉达频率综会爨的频率捷变越阅小予1 5 筘“”1 。 1 ，3 本论文的主要研究工作 本论文主要探讨研究宽带捷变频频率合成实现的关键技术，并设计一个l 波 段2 5 6 m h z 带宽，步避为i m h z 的捷变频率合成器来验诞。 酋先对频率合成技术的基本原理和应用进行分析，着重对模拟直接频率台成、 数字誊攘频率含成和锁相环频率合成如何实现宽频帮捷变颓进行详细酶比较研 究，讨论其各自的优缺点及应用范阐。同时对捷变时间的测量技术也避行探讨。 然后在考虑了实现豹复杂发和斑鞠的邋用往灵活性等阂豢之嚣，主要对镄相 环的捕获时间、辅助捕获措施尤其魑v c o 电压预置进行较深入的分析，并从输出 频率带宽、疹遴、捷变时间藕杂散猕稍等方面藏基于锬稻环鹃捷交颓方案避行舔 致韵研究。 最螽，遥避反复的方案论诞，设计一个l 波段2 5 6 m h z 带煮，多迸为i m h z ，捷 变对阂5 脚戳肉盼德变颡频率含成器，并对样机进行 疆试，总蹈测试数据同时给出 方案改进意见。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章频率合成理论 所谓频率合成，就是将一个具有低相噪、高精度和高稳定度等综合指标的参 考频率经过混频、倍频或分频等电路对其进行加、减、乘、除等运算，从而产生 大量具有几乎同样精度与稳定度的频率，又称频率综合，简称频综。它主要包括 以下技术指标； 频率精确度：振荡器工作频率偏离标称频率的程度 频率稳定度： 1 ) 2 ) 长期稳定度指振荡器的老化和元器件的性能变化以及环境条件改变导 致的频率的慢变化。常用一定时间内的相对变化来表示。 短期稳定度与长期稳定度相比，在较小的时间内考查频率源的稳定度。 时域常用阿伦方差来表征，以等，芦( 或m s ) 为单位；频域般用相位噪 声来表征。 相位噪声z 简称相嗓，它可以看成是各种类型的随机噪声信号对相位的调制作用。 从频域表现来看，频谱不再是一根离散的谱线，而带有一定的宽度。通常用偏离 中心频率某处的单位带宽内噪声能量与中心频率能量的比值来表示，以 d b c h z 国k t t z ( 或m h z ) 为单位。相噪是合成频率源最重要的技术指标，它直接影 响现代电子系统的性能，例如影响雷达的改善因子，影响接收机的检测能力，影 响通讯质量等。相位噪声的大小与输出频率有关，按每倍频程恶化6 c l b ，即按2 0 l g 恶化，为倍频次数。 杂散抑制：在频率合成过程中产生的不需要频率分量，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。一般用与输出信号功率的比值表示，单位是 d b c 。它也是合成频率源的一项重要技术指标，杂散越小越好，一般要求一6 0 d b c ， 优质的频率源杂散能达到优于一8 0 d b c 。 频率步进：合成频率源的输出频率是不连续的，通常把相邻两个频率点的间距叫 频率步进。 捷变时间：指台成器从相对稳定的工作频率变化到另一指定的工作频率，并且达 捷变时间：指合成器从相对稳定的工作频率变化到另一指定的工作频率，并且达 d 第二章频率合成理论 到稳定工 乍条件所需静对瓣。这墨存在一个行么潮撅翠稳怒，般溺辎链差或者 频率灌来定义，例如把新建立起来的频率相位比蒺准频率相位差0 1 r a d 时的时间 称之羚捷变黠阂。 其中，栩噪、杂散、步长、捷变时间等四项技术指标怒合成频率源中缳重要 的技术媸栋，窀钔骢黟繇锺往决定了合成频率源的好爨。 譬期的巅按频率合成技术依靠大鬓酌晶体、滤波器、瀹频器等硬件完成颏率 的合成，可以实现灏辫捷变，儇热积大、难予集成；隧之爨觋驺锬穗黪p l l 凝率 合成器其裔频带宽、杂散低、菊稷控等优点，但频率转换辩间较长，步长不翁做 褥缀小；近筝采发展迅速酌畿接数字频率合成技术d d s 较好娥鳃决了捷变砖阕霸 步妖瀚矛盛，毽输澎频率又太低蔼鬣频谱躐度不篙。翔栗酸黉求能安糯频率掇交 灏夸劳遴豌颓，又癸求宽频带麓频率输出，则鹱绦食备静技术来解决。频率会或 器发展黥主娶憝势是秣辐像噪声、离缝额谱、高速捷受霸搿输出颓段，英獒棒表 现为：不断撼鬻p l l 芯片工干筝频率鞠d d s 的时锋频率，不断邋漩小p l l 莉d d s 零 囊的祭款势黪蠛翅噪，魁l 鉴橱器漆懑采鬟壤溅型窀稿泵技术代替镥统豹魄压鍪； 并大鬟使爝小数分壤技术( f r a c t i o n a l - n j ，锌对，j 、数分频穗位褡偿滟不使又撬出 了另步 糖小数分频频率会艘方法：芑一矗谴测频攀会戏；褒微波频段灼频攀台成 中萼l 入凑惑奄懿舟屡谐振器( 拧釉稳羰的振荡器国渤。 以下将分剐对模攫嶷接频零会戏、锬掇坯频率蠢成穆蕊接数字频率合成逮三 秘会成技拳i 麸稽分攒。 2 。1 模拟煮接频攀合成技术 模拟直接频率台成一般幽一个或几个随稳迩、高纯度的鼎体参考源，通过分 频、浚频、绩壤农滤波，产生务耱凝率，箨逶j 遣毫子瑟关辩掰霈要豹频率谶行选 择输出。按参考源的数目分为相关和非相关装激。非栩关方式使用多个晶体参考 源，频窭稳定度魏糖嶷统一起塞复杂露雉，藏本意。薅相关方式只傻建一个参考 源，因_ 搿合成器的输幽频率莳该参考源唯一决定，现在绝大多数都采用这种方贰。 褶关合成方式燕簧又霹默分为薅瓣； i ) 直接对参考源进行分频、倍颓和漓频。 2 ) 秘麓参考源产夔一系列谐波，用v c o 域滤波爨进纡逸频。 畿然还有被混频法，三瀛灏法，敝溉频一分频法等，详细论述觅参考文献c 3 j 。 瀚2 一l 怒一个直接颓率合成鹃典型框鹬。它宠由个参考源产焱鼷个潮定频 5 电子科技大学硕士学位论文 率，然后通过两路开关来选频，其中一路倍频之后送到混频器， 混频器，输出信号为混频的和或差。 ，= n o 1 fj ，、s t ，is 4 另一路直接送到 ( 2 1 ) 图2 1 直接频率合成原理框图 总的来说，模拟直接频率合成器的优点是频率切换速度快，通过选择合适的 电路结构和元器件，相位噪声指标也能做得比较好。但由于其采用了大量的混频 器分频器等非线性器件，如果滤波不好，容易产生很多杂散，可以说，这种频率 合成的杂散抑制很大程度上取决于滤波器的性能。 2 2 锁相环频率合成技术 2 2 1 锁相环理论分析 2 2 1 1 锁相环的基本原理 锁相环是一个负反馈相位控制系统，其功能是使输出信号的瞬时相位跟踪输 入信号的瞬时相位的变化，实现相位的自动锁定。模拟锁相环和数字锁相环，都 会包括三个基本组成部分：鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) 。其 结构如图2 2 所示，下面以模拟锁相环为例简要介绍各个部分及其原理“。 图2 2 锁相环路的基本构成 6 第二章频率合成理论 2 2 。1 ，1 蒸本结构 鉴桕器( p d ) 鐾楣嚣黪孩0 蹩令象法器，热圈2 - - s 鞭示，它翔来梭瓣输入信号穗位爨( f ) 与反馈信号相位致) 之间的相位差见) ，从蕊产生与之对应的误蓑毫压哟( f ) ，实 现橱披一电压憝转换。浚竣入髂号缸，= 致c o s c o o t + a a t ) 】，输穗薅号 材。( f ) = u 。c o s c o d + o o ( t ) 】。姆貅，( f ) 和拉。( o 相象劳滤搏离频分黻压，褥到误差魄压 与鞠位差的关系为 “d o ) = k as i n 见( f ) ( 2 2 ) 式中，k 。- 三。k 。u , u o ，先签捐器瓣签褪灵敏疫，在线淫攘德模燮下，冀攀键为 上 v r a d 。 掰， 裾。 霹2 3 模拟乘法器侔为鉴糖器 环路滤波器( l f ) 环骚滤波嚣共磐骶逶黪瞧，它对整个鄂路程戆起骜决定毪瀚佟爝。环路滤波 器是一个线性咆路，般由逛熙、瓤蜜可能还蠢运舞敖大器缓戏。窀豹输入怒鉴 提器麴埝越魄鹾u 。秘) ，宅滤除墩压中豹薅频残分秘噪声，取出平均分豢筇。( ) 去控制压控振荡器的频率。环路滤波嚣可以改蛰控制彀压的凝谱缝度，提糍系统 稳定牲。 常见的环路滤波器如图2 4 示，露r c 积分滤波爨、炙源例骥分滤波嚣以 及有源蹴例积分滤波器三转m 3 。 e r 卫，e 哥 ( a ) 简单r e 滤波嚣 ( b ) 无源比例积分滤波器 ( 。) 商源拢恻积分滤波器 图2 4 常用的环路滤波嚣 1 ) 简单r c 滤波器，其传递函数为 7 逸子科技大学硕士学位论文 黔鬻2 惫2 熹 q ) 式中辩润常数f = r c 。 2 ) 无源比例积分滤波器，其传递函数为 即，= 鬻= 熹1 = 志c 。叫 式中对闯常数f ，= r 1 c ，f ：一r 2 c ，一般f 2 奠。它比r c 滤波器多了一个独立的 可调参数“。 3 ) 有澡比铡积分滤波黪，当遥放滤是联想条终辩，其技递函数毙 盼嚣= 一字一等 s ， 式中时间常数t = r ，c ，f 。= 震：c 。由于运放的增盏越大越接近理想的情况，故在 设计时常逸释增益较高的运放。 环路滤波器的主要指标跫带宽、直流爝链和高频增益，它由滤波器的酎阗常 数和滤波器的类型决定。简单r c 滤波器的高频增益为零。眈例积分滤波器在高频 时有一定增藏，这对锁相环的撼获特性有利，而且其传递戳数中引入了一个零点， 这有刹于增加环路的稳定健。当然，有源滤波器由于采用了运放，会弓l 超功耗增 加、噪声恶化、体积增大以及调节难度加大等一系列问题。 艨该指嬲，在霹前应霜酶小型频率合成器电路中，广泛采用电流泵型数字式鉴 频鉴相器嘲，其输出为数字的电流信号j ( f ) ，j o ) 的鼹度反映了两输入信号的相位 差债，极性辩反映了两输入信号酶褶位差的正受。程鉴穗器之后静环路滤波器将 电流信号转变为电压，控制v c o 的变化。电荷泵输出的环路滤波器熬本结构如图2 5 骈示。 图2 - 5 觅源二阶环路滤波器 8 第二颦簇率含戒疆论 涯毪攘荡器( v c o ) 压拄振荡器是个电压频率变换装置，其振荡频率皮随输入控制电压“。( f ) 线性交化，即应有交换关系 ，o ) = m 。+ k v u 。( f ) 式中戤，器) 怒篷控掇荡器静瓣辩焦凝率； h z 矿。 实隧应髑参鹣嚣控攘荡器数控蠹l 特性( 如图2 6 示) 只蠢有限的线性控 铡范围，超爨这个蕊爨焉控铡灵敏度 将会下降。 在锬提环黪中，v c o 敕辕蹬终戈攫 相器的输入，在鉴相嚣中起作用的是 其瞬对糕位，蔼不是突l 频率甜，( f ) 。即 ( 2 6 ) 舀为压掩灵敏霞，苹位鼯m h z v 躐者 l 7 国 0 “ a 墅2 - - 6 压按擞荡嚣的按彀 特靛 。 ) d r = o o t 毪( f f( 2 i 晦( r ) d r o o t + k , 一? ) 毪( f f ( 一? o o ( t ) = 置，【“。( f v f = ! 立”。 ( 2 8 ) 尹 戏申p 建微分雾予，这鼹相经与焦频率之阉黪辍分关系形成豹。这个积分环繁是 v c o 固有的，因 | 墩通常称v c o 是p l l 中的固有瑕分环节。这个积分佟月程珏鼹中起 饕重骚的作用。 2 2 。 + 。2 锬提蝰黪豹王传攥理 即 将前面所述三个都件连犊越来，得到锁桷环钓完攘的数学模型如图2 7 所示。 爨娩厂八毽e _ 二= = 融k 了： 雄国氩 。 巳：芭兰l 口 黧2 7 镂穰环踺黪攘健搂鹫 穰攒上鹭静褥位模黧，不雅等出环路附劝态方程 晓9 ) 。谚( f ) 一e a t ) ：9 ) 一甄挺。! 燮s i n o a t ) ( 2 9 ) p 9 电子科技太学硕士学位论文 p 坟) = p o d ( t ) 一k f ( p ) s i n 幺( ) ( 2 一i 0 ) 式中，k = k ，k d ，p 见( f ) 为瞬时频差，p o , ( f ) = 绒为输入固有频差， r e ( p ) s i n 0 , ( t ) 是控制瞧压材。秘) 热至v c o 骥弓 起掇荡频率瓯提对于叁由掇荡频 率0 9 的频差，称为控制频差。 予是动悫方程 2 - 1 0 ) 可表示成熟f 关系： 瞬时频差= 网有频麓一控制频差 这个关系式农耀合环鼹啦任何时候郡是成立的。 猩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，因此环路 的瞬辩频差就等于输入的固蠢频差。在撼获过程中，控制作用逐渐增强，控制频 差逐渐加大。因为固有频差径输入阐定频率的条件下是不变酌，故瞬时频麓逐渐 减小。最后环路的控制作用邋使振荡频率q 等于输入频率娥，控制频差与输入的 固有频差相抵消，最终环路的瞬时频差等予零，环路锁定“8 。 2 。2 。 。2 锁相甄螅噪声分掇 环路实际工作时，参考源以及环路的各个部件如鉴相器、环路滤波器、v c o 等都会贡献嗓声，免分援方蠖，只考毖环爨鲶三令主要嗓声源：参考漯噪声筑。， 鉴相器噪声学。，v c o 噪声吼，得出噪声相位模型如图2 - - 8 所示。 婊；最， 鬻2 8 镁穗环路扮嗓声模燮 由图2 - - 8 可写出环路的开环传递函数为 科。( 5 ) ：g j p ( s ) s 式中髟为近似线性燮趣特一陵瓣斜率，即鉴樱灌盏，零使是v t a d 。 对于参考源噪声，其闭环传递函数为 拱国：丝塑 1 + 1 t o ( s ) 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 分别代入式( 2 一1 1 ) 髯代入( 2 l o ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 1 2 ) ，知整 第二章频率合成理论 个环路对参考源而言相当于一个低遴滤波器，如图2 - - 9 ( a ) 示，图中眈秀环鼹港 宽。鹱栩器噪声分析同此。 对予v c o 嗓声，其传递函数为 纵加再南 寤上戏躲，锁褪环路辩予v c o 噪声其有离遥滤波特性， l 露( 砖 ，、 0 ( 2 1 3 ) 翔图2 9 ( b ) 示。 坟( 的 吱 搿 蛲 国 ( a ) 除v c 0 外所有噪声源的传函特性( b ) v c o 噪声的传豳特性 图2 9 辏辎环静臻声遭滤特链 交上覆分析籍环路黯参考滚瓣福链啜声帮鎏相器豹激压礤声有低遗过滤佟菊， 褥对v c o 静籀彼臻声筵| j 有商通过滤佟用。“。 2 2 ，1 3 锁相坏的凡_ 个重婺概念 环路自然谐振频鬻；对于一个理想二阶环，其误差传递函数可以鸟成 。2 露p 。矗i 壶而 旺叫4 遮墨，被称夯环路鑫然谐攘频率，掌为隧怒鞠子，它稻蹩决定环貉滤波毪能和 撼获一燃能的嚣个黧要参数。 环路潦薄潜宽；繇路襟声带宽淆抚表示，萁定义式如下： 砚= i 好g 矿d s - - r l 曩( 歹2 万) 1 2 够 ( 2 1 5 ) 嚣必耀繇技遂溪数。最爱获了繇籍对澡声麓李牵锱传溪。玩傻越夺，说羁环潞 对噪声熬滤波辘力越焱。 环路带宽：通常来说，季巴游环传递函数的3 d b 带宽所对艨的霜频率称为环路帑宽， 溺鸭。或者国。表示，孀频率表示就是 嘏或者六。而事实上，环路带宽的表述并 不统一，院蠡说辩于壤怒赣分滤波器来说，膏 1 1 电子科技大学硕士学位论文 毒= 阢+ 师 ( 2 - - 1 6 ) 由上式知，如果已知f 的值，环路带宽眈与之比为一常数， 来表示环路带宽。 而对应用于电荷泵输出环路来说，环路带宽通常表示为 缈。= 2 f 国。 注意，在本论文中，如无特别说明，环路带宽一般指的是以。 因此经常用峨 ( 2 1 7 ) 相位裕量：由于锁相环是一个反馈控制系统，它一定存在是否稳定的问题。根据 奈奎斯特准则，设反馈系统是开环稳定的，如其对数幅频特性过零点时，开环传 递函数的相角滞后或超前不足万，则系统在闭环时是稳定的，否则不稳定。 从稳定条件来看，要求2 0 1 9 l h 。( - ，h = 0 时，1 0 ( ) 1 = 1 a r g h 。( ，国) l 工作频繁斡限铡。 这是d d s 的主臻缺点之一，是其应用受到限制的主要阑素。报据d d s 的结 构秘工终爨理，d d s 熬工传频率显然受到嚣传速度麴限制，主要是攒r o m 襄d a c 的速度限制。目前，国内能买到的d d s 产晶最高时钟频率大概为3 g h z 左右， 但功耗大，价硌器贵。 8 ) 相位噪声性能。 ， 扶理谂上讲，辕篷痿号戆相噪会对参考簿镑信号蛉携啜毒2 0 l g 譬d b 豹改 j 。 善。但在实际工程中，必须要考虑包括相位累加器、r o m 和d a c 等在内的蒜部 件澡声往能的影响。 9 ) 杂散抑制差。 1 7 电子科技大学硕士学髓论文 2 3 。3d d s 杂散分析 d d s 袈教睡平獒主要来源蠢： 1 ) 辩累攘嚣戆禧位涟行岱像。邋鬻，菇r 褥到一定懿频率分辨率，耀佼鬃热 爨黝锭数取褥缀大，褥受体积瑚成零限剥，r o m 约容量遴小予2 。鞭她在 寻址r o m 瓣，汉翊鬃攘嚣张链痔列懿裹是佼去蚤氆，露含去嚣= n a 位，霞 藤会产生误楚。它引起竣出信噪比蠢所下降。分褫缱累表明 e ) 。2 ”5 ( 2 - - 2 7 ) 2 ) 攥度鬃纯误差。一个骥发筐只骞穗蠢黢长豹珑糁滚才能精确袭示。瓣实器 d d s 中，r o m 存糍的波形横点的蠛凄绽码由鸯限位二进剑数表示，这撵d d s 蛇 输爨波形裁襻在螺度量织误麓，鼓恧产生鹫繁杂敖信号。幅度量豫熬僮数越大， 由r o m 蠛度爨化误差所造成的杂敞就会越小。 3 ) d a cj 线靛积时锋绩号靛瀵潺。d a c 熬 线性是缀难鞭溯瓣。枣予d a c 懿泄 漏，造成厶与工之间的甄调，这样就在f p 。_ - j 乙+ 够l ( p , q 一仉l 皿) 赴出现谐波臻号。它们藩到n y q u i s t 带竟是澎成了蠢害的款散叛率，凝率懿位 置可以确定，但幅度难以确定。d a c 的非线性实际上已成为d d s 杂散的主要来 源，特别是随着时姥鲠率勰提高，这个闻愿已交褥越来越碟显“o 。 必了降低d d s 杂效、提蠢其频谱纯度，可激取的措施如下“； i ) 采餍看英龋体振荡器僚主振源，邋过救大、融福来得掰疆l 电平的甜钟信 号，或者遵过舞| | 生栽戆裹速毙较器来褥鹫t t l 电擎黪瓣耱信号。 2 ) 耱强对龟源豹去藕，鬈繁游韭嚣孛镑蓿弩静澄清及辐射。注意印铺板露线， 将模拟电源与数字鬯溅、模拟地奄数字遗分辨，稼虫模拟信号与数字僖号 之闽黪鼙撬。 3 ) d d s 输出德号翔果嚣要接凝，为了游狳蠖度量健谈差号 起戆杂数，哥在d d s 簸密爱烟疆蔽旗，莓淡受好戆孝露案调柩杂教售号。 4 ) 选月低甥噪d d s 器馋。 2 4 蒸于锁相环和d o s 的频率台成技术 锁相式频率合成技术具有工作频率离、频带宽、频谱纯簿优点，但频率转换 1 8 第二章频率合成理论 薅阗较长，悉且频率分辨率不褰；d d s 羽其有摄裹静频率分辨率窝辍短豹频率转换 时间，但工作频段受限，如果把两者组合起来，取长补短，能获得使用硬件少、 电路麓攀、功糕低等傀熹，势霹瀵是宽謦菝搴扩震懿嚣要。戳下分缀凡释镞稳嚣 和d d s 组合的常用方式“”。 2 4 1d d s 直接激励p l l d d s 壹搂激藏p l l 豹覆壤框鎏羹瘸2 - - 1 3 所示。在这释缀合方案孛，i ) d s 传麦 p l l 的激励源，p l l 作为跟踪倍频锁相环，当锁相环锁定时，频率合成器的输出频 率及分辨率霹以表示冀 工= m = 等五= 足( 2 - - 2 8 ) 钆= 等一 ( 2 均) 式中m 为p l l 的分频数，工为d d s 的时钟频率，彭为d d s 的频率接制字，为 d d s 黪耀蕴累攘嚣字长，弩为合藏嚣赣窭餐号静鬏牵分辨率。壹式( 2 2 9 ) 鲡 由于d d s 的频率分辨率非常高，所以合成器仍能获得较高的分辨率。 图2 - - 1 3d d s 直接激励p l l 艨理框图 为了能够实现连续覆盖，d d s 的工作带宽应该满足 嚣警( 2 - - 3 0 ) 这里，b w d 璐是d d s 熬王终豢宽，m 妇是p l l 豹最小分菝院。 该组合方粲的优点在于由于合成器的分辨率由d b s 决定，p l l 可以工作在较高 麴鉴穰频率上，这对掇毫会戚器熬频率转换籍孪霹舂裂。赣窭僚号豹稳住臻声鞫杂 散性能在环路带宽以外主要由v c o 决定；在环路带宽以内，主蒙会有以下情况。1 1 ) 由提缀裁甄误潍弓l 起瓣象教经p l l 爱，淫度增臻2 0 1 9 m ，镶瓷主频经嚣不 1 9 电子科投大学硕士学位论文 变。 2 ) 幅度量化引起的杂散经环路非线性转换成调相杂波，因为m 次倍频不会影 响到调幅信譬的诵翻指数，所戳不会有2 0 1 9 m 的恶化。在实际应用中，可 在进锁相环之前加硬限幅器宋抑制调幅杂波。 3 ) 由d a c 非线往雩i 超的杂散，经环路嫠颓后，幅蕨增加2 0 l g m ，偏离主频位 ：鬣不变。 4 ) 输出频点相位嗓声取决于d d s 稻嗓和p l l 鉴褶耩本身的嗓感。 2 。4 。2 环外混频 d d s 环外混频是漾简单的d d s p l l 缎合方案，它是由d d s 输出与p l l 输出相混 精再滤波输密，其原理框图翔图2 - - 1 4 所示。 警环路锁定时，频率合成嚣的输出信号为 f 。， e m ，t 一m 等( 2 - - 3 1 ) 二 式中 ，为p l l 的分频数，为p l l 的撩相频率，工为d d s 的时镑频率，彭为i ) d s 敬频率按铡字，帮炎d i ) s 豹楣佼累翔嚣亭长。 图2 一1 4 环外漫频d d s p l l 原理棰圈 为了得到连续的频攀覆靛，要求d d s 输出带宽必须大子等予参考频率，即 露职燃五 ( 2 3 2 ) 由上述可知，当频率合成嚣在同d d s 带宽内进行频率转换时，频率转换时 阅由d d s 决定；当频率转抉超过同一i ) d s 带宽时，凝攀转换对阆出p 魄决定，密 于此方案p l l 鉴相频率可以取得较高，因而频率转换时间可以做到较短。 合成器输出信号的榴位嗓声性能主疆由p l l 和d d s 输出信号摆谯噪声共同决 定。由于p l l 鉴相频率较高，使得环内分频次数m 可以大为降低。敝p l l 输出相 嗓会t e 较好，加之d d s 的相位噤声一般部很低，所以这种方索的输出栩位噪声性 能较好。杂散则难要有d d s 输出杂散和混频杂散，必须小心选择d d s 茅口p l l 的工 作频率，以减小杂散分羹。 2 0 第二章频率合成理论 2 4 3 内插混频 内插混频的原理框图如图2 - - 1 5 所示。当环路锁定时，其输出频率为 五= m ，缸= m 似等( 2 - - 3 3 ) 式中m 为p l l 的分频数，为p l l 的鉴相频率，正为d d s 的时钟频率，k 为d d s 的频率控制字，为d d s 的相位累加器字长。 图2 1 5 内插混频d d s p l l 原理框图 要保证得到连续的频率覆盖，要求d d s 输出带宽必须大于等于参考频率，即 占工 ( 2 3 4 ) 此方案与环外混频的不同在于，输出频率厶直接由v c o 产生，d d s 与工混频 后，直接与工鉴相进入环路。p l l 对混频杂散会有滤波作用，从而降低了对带通滤 波器的压力。 2 4 4d d s 用作p l l 的小数程序分频器 d d s 与p l l 组合能实现小数分频的功能m 1 ， 环路锁定时，有如下关系： ! 坠五：， _ jr 从而有 具体框图如图2 1 6 所示。 ( 2 3 5 ) z = 华 c z 咄) 式中，为p l l 的鉴相频率，k 为d d s 的频率控制字，n 为d d s 的相位累加器字长。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 6d d s 实现小数分频 这种方案的限制在于，要求无 国，环路就不能通过捕获进入同步状态，故 a c o p = 陋i 一( 3 - - 8 ) 当起始频差a c o l 、锁定频差( t 0 1 ) 、环路 带宽( 纯) 秘爨尼因子( f ) 都毒关蓉。赵始频差越大、镂定频差越小，切换时 | 、酲越长：蓼路繁宽越窄，切换簿润越长；隧恁闲子瓣影穗鬓l l 并不热式孛繇示这么 简单，必须小心选取，其值过大萋珏过小酆不利予快遮蟛频。 显然式( 3 2 1 ) 魄较繁琐，翅暴不誊助诗箨捉熬诿，运算起采缀不方馕。露 通过仿真可以知道，最优跳频时间农棚倥裕量必4 8 。时取褥。融此，秀跟握式( 2 1 7 ) 、( 2 1 9 ) 、( 3 2 1 ) ，霹以褥剩跳频时藏粒一个比较越攀实用熬公式 蜘掣g l 聋勋( 3 - - 2 2 ) s f = 毒冬 ( 3 2 3 ) ，2 一1 式中，& 的攀搜必拶，五= 尝，是环路带突黪频率表零形式，莛攀位戈醛 z ，铲 如式( 3 - - 2 3 ) 所示，为最终锁定频麓和起始频羞的比慎。 缓设起娥羧差势5 0 m h z ，镆定熬矮终频莲海1 0 k h z ，璎鼹带竟毅工= h v