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1、锁相频率合成器的设计第一章 频率合成器概述1.1 频率合成器的概念及其发展 所谓频率合成，又称频率综合，简称频综，是由一个（或几个）具有低相噪、高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理，以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算，从而最终产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源1。频率合成技术起源于二十世纪三十年代 ，至今已有近七十年的历史。频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着现代军事、国防及无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器、电子测量仪器和电子对抗等电子系统对频率合成器提出了越来越高的要求。世界各国都非常重视频率合成
2、器的研究与应用，低相位噪声、高纯频谱、高速捷变和高输出频段的频率合成器已经成为频率合成发展的主要趋势。 对于频率合成器，主要有六项性能指标：频率范围、频率分辨能力、频率转换时间、频率准确度和频率的稳定度、相位噪声、频谱纯度。这六项指标影响着整个频率合成器的方案论证，成本估算，体积考虑和功耗等方面。其中相位噪声，频率转换时间为最的关键指标。这六项指标为是设计频率合成器的最基本的依据 7。 随着数字信号理论、计算机技术、DSP 技术及微电子技术的发展，在频率合成领域诞生了一种革命性的技术，这便是二十世纪七十年代出现的DDS(Direct Digital Synthesis)直接数字频率合成技术。1
3、971 年，J.Tierney 和 C.M.Rader 等人在数字频率合成器一文中首次提出了一种新型的频率合成技术数字频率合成(DDS)的概念3。从而揭开了频率合成技术发展的新篇章，这标志着频率合成技术迈进了第三代。DDS 技术是利用数字方式累加相位，再以相位和来查询正弦函数表得到正弦波的离散数字序列，最后经 D/A 变换形成模拟正弦波的频率合成方法。DDS 频率合成技术的优点是具有输出频率相对带宽高，频率分辨率高，频率转换时间快，频率变化时相位保持连续，任意形状的周期信号均可以合成，同时输出正交信号的能力，数字调制能力强，集成度高，体积小，控制方便，便于与计算机相连接。容易实现线性调频和其他
4、各种频率相位幅度调制，输出频率的稳定度及相噪等指标与系统时钟相当，全数字化便于单片集成等优良性能。因此在短短二三十年时间里，得到了飞速的发展和广泛的应用6。 另外，有一种典型的频率合成器称为混合式频率合成器（Hybrid Frequency Synthesis） ，如前所述，PLL 频率合成技术具有高频率、宽带、频谱质量好的优点，但是其频率切换速度低，只能达到微秒级。而DDS技术则具有高速频率捷变能力（可以达到纳秒级） 、高度的频率和相位分辨能力，但目前尚不能做到宽带，频谱纯度也不如PLL。在设计电路时经常要在带宽、频率精度、频率切换时间、相位噪声等要求中折衷考虑2。因此，出现了多种将两种技术
5、结合起来构成DDS与 PLL混合技术实现频率合成的方案，DDSPLL 频率合成就是以DDS作为 PLL 的参考源驱动 PLL的一类混合型频率合成技术.DDS 有输出步长小而又有较高相噪的优点，但同时又有杂散较多的缺点。而PLL 在输出步长小时，相位噪声差，但它对杂散的抑制性能良好。所以DDS与PLL 两种频率合成技术结合起来，取长补短，相得益彰，是一种非常合理的频率合成解决方案。因此DDSPLL 频率合成已经成为目前使用最为广泛的频率合成技术之一8。1.2 频率合成技术近况及其展望 近年来随着GSM、GPRS、3G、BlueTooth乃至已经提出标准的4G等移动通信以及LMDS、无线本地环路等
6、无线接入的发展，同时加上合成孔径雷达、多普勒脉冲雷达等现代军事、国防、航空航天等在科技上的不断创新与进步，世界各国都非常重视频率合成器的发展。所有的这些社会需求以及微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的不断进步都刺激了频率合成技术的发展3。 就锁相环频率合成方面而言，随着各生产频率合成芯片的公司如 Qualcomm、ADI、NSC、Motorola、PSC 及 Cypress 等相继推出各自的优势产品，使得 PLL 频率合成的发展表现出以下趋势： 1、频率合成器芯片各项技术指标大大提高。以 PLL 频综为例，如美国国家半导体公司的LMX243X 频综芯片的噪声基底已达到219dBc/Hz
7、，还有如美国 PEREGEINE 公司的 PE3236，Qualcomm 公司的 Q3236 等等性能优良的频综芯片；同时，PLL 芯片的体积和功耗也越来越小；芯片的工作频率越来越高，如 ADI 公司在 Si 片上生产的 PLL频率合成芯片已能工作到 7GHz。 2、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，使得鉴相器的输出变为误差电流而不是误差电压。电荷泵锁相频率源具有低功耗、高速、低抖动、低成本等特点。理想的电荷泵具有无限大的环路增益，若不考虑压控振荡器的电压输入范围，则该环路具有无限大的频率牵引范围。由于电荷泵技术的使用，在锁相环路滤波设计时就可以采用无源的环路滤波器。这样的
8、结果是一方面锁相环仍然可以获得理想二阶环路滤波器的性能；另一方面它可以改善因环路滤波中存在有源器件而使相噪的恶化，视具体情况不同，一般来说有 38dB 的相噪改善。当然，环路中采用有源滤波来抑制杂散又另当别论。 3、小数（分数）分频(Fraction-N)频率合成器的崛起。整数分频 PLL 的步长和分辨率是一对矛盾。虽然 DDS 的步长和分辨率可做得很小，但输出频率不高，杂散很大。但现代的分数频率合成器则很好的解决了这个问题。由于采用全数字内插调制器，大大地抑制了量化噪声，同时也克服了传统模拟相位内插（API）的电路复杂、调试困难等缺点。分数锁相环具有宽带、低相噪、高分辨率等优良性能。如美国国
9、家半导体公司的 LMX2471Delta-Sigma Fractional-N RF/IF Dual，最高工作频率达3.6GHz,噪声基底达210 dBc/Hz，功耗 5.6mA2。 4、频综芯片的外围芯片技术指标也有很大的提高，这就进一步提高了频率合成器的性能和指标。如 VCO、晶体振荡器等的噪声性能也越来越高4。 在DDS 频综方面，目前生产 DDS 芯片公司主要有美国的 ADI、QualcommSciteg、电子科技大学硕士学位论文分数分频锁相环频率合成器的研究 7Standford、Harris 及 Synegy 等公司以及法国的 Omerga、Dassault 公司等。市场上性能优越
10、的DDS芯片也层出不穷， Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、 Q2230、 Q2334、Q2240、Q2368，其中 Q2368 的时钟频率 130MHz，分辨率 0.03Hz，杂散-76dBc， 变频时间 0.1s；Sciteq 公司也推出了系列化的 DDS 产品，其中 ADS-431 的时钟频率为1.6GHz，可正交输出，分辨率1Hz，杂散-45dBc，变频时间30ns；此外，美国Analog Device 公司也相继推出了他们的 DDS 系列：AD9850、AD9851，可以实现线性调频的AD9852，两路正交输出的 AD9854 以及以 DDS 为核心的 QPSK 调制器
11、 AD9853、数字上变频器 AD9856 和 AD9857。 AD9858 的时钟频率 1000MHz， 相躁147dBc/Hz， 杂散-84dBc 5 。此外， 在微波频段的频率合成中还有另外一种重要的技术， 那便是介质谐振器(DR)稳频的振荡器(DRO)。DR 的高 Q 特性使其充当了“微波晶振”的角色，故在微波频段的频率合成中通过使用 DRO 便能够极其容易地实现微波频率源的低相位噪声。 DR 兼具价格低廉与谐振频率温度系数可正可负的优良特性，这一特性可以大大提高 DRO 的频率温漂性能，在这一点上普通的晶振是无法实现的，因为普通晶振要想减小温漂只有采用 TCXO（TEMPERATUR
12、E COMPENSATION CRYSTAL OSCILLATORS温补晶振）或 OCXO（OVEN CONTROLLED CRYSTAL OSCILLATORS恒温晶振）,这将增加其实现的复杂性。用 GaAs-MESFET 做成的 DRO 在微波波段（10GHz），其相位噪声很容易做到-100-120dBc/Hz10KHz。DRO 的缺点是无法实现宽带多频点。但是 DRO 在点频工作时具有很大的优势，所以 DRO 频率合成器是一种具有很大发展与应用前景的微波频率源。 尽管上述各种频率合成技术各有优点， 但现在的频综发展趋势是将 DS、 PLL、 DDS、DRO、混频、倍频等技术合理组合使用，
13、这样使得频率合成器的相位噪声，杂散指标、跳频时间和输出频率范围等技术指标大大提高。如锁相环介质压控振荡器（PLL-DRVCO）可使相位躁声在很宽的付氏频率范围内保持很低。此外采用多环以及混频 PLL 也是减小相位躁声与杂散信号的常用方法。1.3 本文的主要研究内容和意义 频率源是任何电子系统必不可少的，并且在很大程度上决定了系统的性能，可称之为电子系统的心脏。频率合成器就是一个高性能的频率源，它可使得从大量频率中选择某一工作频率变得极其精确、迅速和方便。锁相合成技术是基于锁相环路的同步原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器，综合出大量离散频率的一种技术。锁相频率合成器技术性能越优，且集
14、成度高，可靠性能好，成本低廉，是目前工程应用中最为普遍的。在现代无线通信系统中，频率合成器的高相噪、小步长和低分辨率等指标是决定系统性能的一个关键性因素。高的相噪指标能提高系统的信噪比，降低临近信道干扰，增加信道之间的隔离度；小步长和低分辨率能提供较多的可用频点数。而锁相跳频源作为当今频率源的主流，可见研究其低噪声性能很有现实意义。第二章 锁相环的设计锁相环是一个相位自动控制系统，其基本框图如图 21，它主要由三部分构成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）。鉴相器是相位比较装置，用来检测输入信号瞬时相位i(t)与反馈瞬时相位o(t) 之间的相位差e(t) ，产生对应于两
15、信号相位差e(t)的误差电压Ud(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud(t)中的高频成分和噪声，以保证环路要求的性能，增加系统的稳定性7。压控振荡器守控制电压)uc(t)的控制，使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢，也就是使差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定。PDLPFVCOi(t)Ud(t)uc(t) o(t)图2-1锁相环路的基本构成锁相环是一个相位负反馈控制系统。它比较输入信号和压控振荡器输出频率之间的相位差，从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率，以达与输入信号同频。在环路开始工作时，通常输入信号的频率与压控振荡器未加控制电压时的振荡频率是不同的，由于两信号之间存在固有频差
16、，他们之间的相位差势必一直在变化，会不断地变到超过 2，而鉴相器的特性是以 2为周期，结果鉴相器输出的误差电压就在某一范围内摆动。在这种误差电压控制下，压控振荡器的频率也就在相应的范之内变化。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，便有可能在这个频率上稳定下来（当然只有在一定的条件下才可能这样）。达到稳定之后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相位差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入锁定状态。2.1鉴相器（PD）的设计鉴相器是一个相位控制比较器， 用来检测输入瞬时相位i(t)与反馈瞬时相位o(t)之间的相位差e(t)。而输出的误差电压Ud(t)是相位差e(t)
17、的函数。即：Ud(t)=fe(t) 其中函数fe(t)称为鉴相特性。 由此可以看出鉴相器在锁相环中起误差敏感元件作用。常用的正弦鉴相器可用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型,如图2-2(a)所示；鉴相器的数学模型，如图2-2(b)所示。 LPFudsin+Ui(t)U0(t)ud(t)-2(t)+1(t)e(t) 图2-2(a ) 图2-2（b）2.2 压控振荡器（VCO）的设计压控振荡器是一个电压频率变换装置， 它的振荡频率应随输入控制电压uc(t)线性的变化7。即： v(t)=o+Kouc(t)其中v(t)是压控振荡器的瞬时角频率；Ko为压控灵敏度，单位是rad/s.V, o是环内压控振
18、荡器的自由振荡角频率,它也是环路的一个重要参数。 实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围压控灵敏度会下降。压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率，而是相位。其传输函数为： o(t)=KOuc(t)/s上式包含一个积分算子 1/s，这是相位与 角频率之间的积分关系形成的。这个积分是压 控振荡器固有的，因此通常称压控振荡是 PLL 中的固有积分环节。这个积分作用在路中起着相当重要的作用。uc(t) 0图2-3压控曲线实际应用中的压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围压控灵敏度会下降。上图中的实线是实际的压控
19、曲线。压控振荡器的输出是反馈到鉴相器上，对鉴相器输出误差电压uc(t)起作用的不是其频率，而是相位8。2.3 环路滤波器(LPF)的设计环路滤波器具有低通特性，它可以起到低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用9。环路滤波器是一个线性电路，由电阻、电容、电感（有时还包括运算放大器）组成，在时域分析中可用一个传输算子F(p)来表示，其中p(d/dt)是微分算子；在频域分析中可用传输函数F(s)表示，其中s(j+)是复频率；若用sj=代入F(s)就得到它的频率响应F(j),故环路滤波器模型可表示如下图: Ud(t) F(p) Uc(t) ud(s) F(s) uc(s) 图 2
20、-4环路滤波器的模型 环路滤波器有无源滤波器和有源滤波器两种类型，常用的环路滤波器有 RC积分滤波器、无源比例积分滤源波器和有源比例积分滤波器。系统采用的环路结构是四阶无源环，如图24。由于电荷泵输出电压最高输出只有 2.5V，低于输出频率所需的调谐电压，所以在 3 R 3 C 极点前加了一级运放，以保证足够大的压控电压，同时还增强了两级环路滤波器之间的隔离度。 图2-5 4阶无源滤波器 环路滤波器的阻抗Z（s）定义为VCO的输出电压除以PLL的电荷泵电流： 定义时间常数T1、T2、T3、T4： T1（R2C2C1）/A0 T2R2C2 T3T1T31 T4T1T41 A0C1C2+C3+C4
21、 （T31、T41必须小于1）开环增益G(s): K电荷泵增益，Kvco VCO增益相位裕量定义为180度减去前向环路增益（G(s)/N）相位：=180+arctan(WcT2)-arctan(WcT1)- arctan(WcT3)-arctan(WcT4)近似求解得： T2=由于是近似解，通常考虑取一优化因子 T2= 带入上式，可求得T1: T1=由理论推导知，当环路带宽为Wc前向环路增益等于1时可得A0： A0= 其中A=1+R6/R5 各元件值计算： 2.4 环路的相位模型的设计前面已分别得到了环路的三个基本部件的模型，按图 21 的环路结构，将这三个模型连接起来得到环路的模型，如图2-
22、6所示；udsinF(s)KO/s1(t) ud(t) uc(t) 2(t)+- 图2-6锁相环路的相位模型由图上明显看到，这是一个相位负反馈的误差控制系统。输入相位1(t)与反馈的输出相位2(t)进行比较，得到误差相位e(t)，由误差相位产生误差电压ud(t),误差电压经过环路滤波器F(s)的过滤得到控制电压uc(t),控制电压加到压控振荡器上使之产生频率偏移，来跟踪输入信号频率i(t)。在uc(t)的作用下，输出频率v(t)向输入频率i(t)靠拢，一旦达到相等时，若满足一定的条件，环路就能稳定下来，达到锁定。锁定之后，被控的压控振荡器频率与输入信号频率相等，两者之间维持一定的稳态相位差10
23、。2.5 分数分频器锁相频率合成器的设计锁相频率合成器的基本特性是，每当可编程分频器的分频比改变1时，得到德输出频率增量为参考频率fr。若需要提高频率的分辨力，就必须降低参考频率，这就要引起环路带宽的降低，环路带宽的降低对噪声和频率转换时间是不利的，我们设想，假设可编程分频器能提供分数的分频比，每次改变某位分数，就能在不降低参考频率的情况下提高参考频率分辨力了，可是，数字分频器本身无法实现分数分频。实际上，利用整数分频的数字分频器可以采用一种平均的方法完成分数分频。 其主要的技术指标为：（1）频率合成器输出频率范围为5001000MHz； （2）频率合成器频率分辨力为105Hz； (3) 频率
24、合成器单边带相位噪声-85dBc1kHzHz （4）频率合成器杂散抑制70dB本论文的创新点就是在原来的分数分频锁相频率合成器的基础上加了一块芯片LMX2470来实现降低相位噪声，频率分辨率高。第三章 分数分频锁相环频率合成器的整体电路及功能分析3.1整体电路频率合成器原理图如图所示。由于输出频率范围10001900MHz，选用RF环路，晶振采用20MHz温补晶振IQTCXO253，VCO选用ZCOMM公司的V590ME01。鉴相频率确定为 5MHz，虽说 LMX2470的参考频率可以达到30MHz，鉴相频率可选为20MHz 或10MHz，但是在设计环路滤波器时，使得某些电容值很大，以至于很难
25、实现。频率步径为10MHz。分辨率为1.2Hz、1.25kHz、2.5kHz分别进行测试。图3-3 电路原理图3.1.1 LMX2470简介LMX2470是美国国家半导体公司新推出的高性能、低功耗、双锁相环芯片，其主要特点有：超低功耗（4.1mA） ；低相位噪声；低分数杂散；双模前置分频比可编程（主环P16/17/20/21，副环P16/17 或8/9） ；12Bit和22Bit 可选分数分频模；4阶可编程调制器；工作频率高，主环分数 N 分频达 2.6GHz，副环整数 N 分频达800MHz14。LMX2470 芯片设有22 位的模数供选择，可支持高比较频率，其正常相位噪音为 -210dBc
26、/Hz。装设于其电路板上的晶体倍频器可将时钟频率加大一倍，以提供更高的比较频率，确保正常相位噪音为 -213dBc/Hz。这款芯片的分数低假信号不超过 -90dBc。 这款芯片的delta-sigma 调制功能能将频带内的噪音及假信号驱逐出环路带宽范围之外。等级较高的调制器可以将更多噪音及假信号驱至高频区，然后由环路滤波器进行滤波。LMX2470 芯片可让用户将调制器设定至第 4 级。 第四章 结论分辨率为 1.2Hz 时，分数分母设置为 4194303，分子取 1。环路滤波器参数如下(调试后)： C1=1.3nF C2=153.9nF C3=3.9nF C4=6.6nFR2=220 R3=1
27、60 R4=160用HP8564 测试合成器的相位噪声和杂散指标如下(在1050.000MHz 测试)：相位噪声：90dBc/Hz1kHz -84dBc/Hz10KHz 95dBc/Hz50KHz 108dBc/Hz100KHz杂散（非谐波）：由于仪器的分辨率原因，观察不到杂散。 分辨率为1.25kHz时，分数分母设置为4000，分子取1。环路滤波器参数如下：C1=5.6nF C2=153.9nF C3=5.6nF C4=7nFR2=220 R3=240 R4=160用HP8564 测试合成器的相位噪声和杂散指标如下表二所示：分子1，分母4000，分辨率1.25K，相位噪声最好模式时，环路参数
28、稍有改变 表二(MHz)200k/100k (-dBc/Hz)100k/50k20k/10k 2k/1k 10k/1.25k 10k/2.5k 1010.00125107.393.580.289.537.243.81010.00125107.494.680.189.539.042.71020.00125107.494.380.889.539.542.31030.00125108.495.281.190.843.541.81040.00125108.494.880.390.545.042.01050.00125108.895.180.689.348.041.81060.00125108.995.
29、480.890.346.041.51070.00125109.195.880.589.544.341.81080.00125109.695.780.388.241.241.51090.00125108.495.580.188.940.341.81100.00125108.896.280.089.538.041.21110.00125109.196.280.489.037.541.31120.00125108.996.781.089.736.041.21130.00125109.396.380.791.335.640.81140.00125109.697.880.687.435.240.3115
30、0.00125109.996.780.288.735.439.61160.00125109.496.880.186.236.240.01170.00125108.895.880.786.535.839.71180.00125109.197.480.690.437.740.0由表可知， 相位噪声：86dBc/Hz1kHz -80dBc/Hz10KHz 95dBc/Hz50KHz 107dBc/Hz100KHz杂散（非谐波）： 35dBc分辨率为 2.5kHz 时，分数分母设置为 4000，分子取 2。环路滤波器参数如下：C1=6.7nF C2=154.7nF C3=6nF C4=9.2nFR2=
31、220 R3=330 R4=160用 HP8564 测试合成器的相位噪声和杂散指标如下表三所示：分子2，分母4000，分辨率2.5K，相位噪声最好模式时，环路参数稍有改变表三(MHz)200k/100k100k/50k20k/10k2k/1k10k/2.5k10k/5k1000.0025108.393.580.289.537.243.81010.0025108.494.680.189.539.042.71020.0025108.494.380.889.539.542.31030.0025108.495.281.190.843.541.81040.0025108.494.880.390.545.
32、042.01050.0025108.895.180.689.348.041.81060.0025108.995.480.890.346.041.51070.0025109.195.880.589.544.341.81080.0025109.695.780.388.241.241.51090.0025108.495.580.188.940.341.81100.0025108.896.280.089.538.041.21110.0025109.196.280.489.037.541.31120.0025108.996.781.089.736.041.21130.0025109.396.380.79
33、1.335.640.81140.0025109.697.880.687.435.240.31150.0025109.996.780.288.735.439.61160.0025109.496.880.186.236.240.01170.0025108.895.880.786.535.839.71180.0025109.197.480.690.437.740.0由表可知，相位噪声：88dBc/Hz1kHz -80dBc/Hz10KHz 95dBc/Hz50KHz 108dBc/Hz100KHz杂散（非谐波）：35dBc由上面的指标可见，跳频源的设计和调试取得了很好的结果。由分数分频锁相环的原理可
34、知，分子为1时，其一阶分数杂散占主导作用，分子为2时，其二阶分数杂散占主导作用，由以上结果可知，这一结论也得到了很好的证实。参考文献1胡宴如，耿苏燕。高频电子线路M北京：高等教育出版社，2004.122张肃文，陆兆熊.高频电子线路M.北京：高等教育出版社，1993年.51-553童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001年.121-130.4阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1998年.211-213.5张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2005年.1-9.6樊昌信，张甫翊，徐炳祥等.通信原理M.北京：国防工业出版社，200
35、1年.7王家礼、孙璐。频率合成技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2009,098张有正、陈尚勤、周正中.频率合成器M.北京：人民邮电出版社，1984.15-18.9张肃文。高频电子线路M.北京：高等教育出版社，2004.1110沈伟慈。高频电路M.西安：西安电子科技大学出版社，2000,511Egan,Willam F.,Frequency Synthesis by Phase Lock John Wiley&Sons，1981.12Holmes,J.K.,Coherent Spread Spectrum Systems, John Wiley&Sons，1982.13 H.C.Burger, “Wahre Und Scheinbare Intensittsverteilung In Spektrallinien. II.”,Z.Phys. 81 (1933) 428.14王德凡、兰海峰、刘佑华.MOTOROLA大规模集成电路锁相环频率合成器器件J.1987.3，1987.6.15张冠百锁相与频率合成技术M北京：电子工业出版社，1995：34-75
