采用PLL技術(shù)的合成頻率源設(shè)計(jì)

1 引言
頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟,其性能直接影響整個(gè)電子系統(tǒng)的功能，成為非常重要的部件。
頻率源分為二大類：自激振蕩源和合成頻率源。常見(jiàn)的自激振蕩源有晶體振蕩器、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器、壓控振蕩器、YIG振蕩器和波形發(fā)生器等。這些頻率源的輸出頻率范圍、調(diào)諧帶寬、近端相噪等各不相同。合成頻率源的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高,尤其是相位噪聲低，有的甚至比原子鐘的相噪還低，使用靈活、控制方便、性能優(yōu)越。而缺點(diǎn)是成本高、技術(shù)難度大?，F(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、精確度、頻率范圍等技術(shù)指標(biāo)的要求越來(lái)越高。要滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的這些要求在很多情況下必須使用頻率合成技術(shù)。
頻率合成是指將高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率通過(guò)一系列的算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生具有相同穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)。
鎖相式頻率源具有頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于各種通信和雷達(dá)系統(tǒng)。筆者采用分頻鎖相頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了1.8 GHz鎖相頻率源。

2 鎖相環(huán)技術(shù)的原理
實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法可分為直接合成法與間接合成法。二種頻率合成技術(shù)的特點(diǎn)見(jiàn)表l。

鎖相環(huán)(PLL)是由鑒相器(PD),環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成的自動(dòng)相位控制系統(tǒng)。如圖1所示。

其中鑒相器是相位比較裝置，用來(lái)比較參考信號(hào)Ur(t)與壓控振蕩器輸出信號(hào)Uo(t)的相位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Ue(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差信號(hào)Ue(t)中的高頻成分及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo(t)的控制，使振蕩頻率向參考頻率靠攏，二者的差拍頻率越來(lái)越低，直至二者的頻率相同、保持一個(gè)較小的剩余相差為止。下面介紹鎖相環(huán)工作的大致過(guò)程：
鎖相環(huán)路(PLL)和AGC、AFC電路一樣，也是一種反饋控制電路。它是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的相位，以達(dá)到與參考信號(hào)同頻率的目的，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的頻率漂移進(jìn)行跟蹤。在達(dá)到同頻率的狀態(tài)下，兩個(gè)信號(hào)之間的穩(wěn)定相差亦可做得很小。
鑒相器是個(gè)相位比較裝置。它把輸入信號(hào)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Ue(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓、Ue(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo(t)的控制，使振蕩頻率向參考頻率靠攏，二者的差拍頻率越來(lái)越低，使兩者的頻率相同、保持一個(gè)較小的剩余相差直至消除頻差而鎖定為止。在環(huán)路開(kāi)始工作時(shí)，如果輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號(hào)之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差就會(huì)一直變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。所以，鎖相就是壓控振蕩器被一個(gè)外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)控制，使得壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位和外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)的相位保持某種特定關(guān)系，達(dá)到相位同步或相位鎖定的目的。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來(lái)。達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的頻差為零，相差不再隨時(shí)間變化，誤差電壓為一固定值，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。這就是鎖相環(huán)工作的大致過(guò)程。
鎖相源設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)是如何盡量降低相位噪聲。下面介紹相位噪聲的基本概念和產(chǎn)生的原因，以便采取相應(yīng)的措施來(lái)減少頻率源的相位噪聲。

3 相位噪聲的概念及其表征
相位噪聲一般是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號(hào)相位的隨機(jī)起伏。所謂頻率短期穩(wěn)定度，是指由隨機(jī)噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因?yàn)闇囟?、老化等引起的頻率慢漂移，則稱之為頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩(wěn)定度問(wèn)題，頻率短期穩(wěn)定度一般用相位噪聲表示。
一個(gè)理想的正弦波信號(hào)可用下式表示：

式中，V(t)為信號(hào)瞬時(shí)幅度，Ao為標(biāo)稱值幅度,fo為標(biāo)稱值頻率。此時(shí)信號(hào)的頻譜為一線譜。但是由于任何一個(gè)信號(hào)源都存在著各種不同的噪聲,每種噪聲分量各不相同,使得實(shí)際的輸出成為：

在研究相位噪聲的測(cè)量時(shí)，由于考慮到振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率,所以，|ε(t)|＜＜Ao，通常可以將ε(t)忽略不計(jì)，而主要是對(duì)j(t)進(jìn)行測(cè)量，故可以得到：

對(duì)j(t)的測(cè)量，可以用各種類型的譜密度來(lái)表示。顯然此時(shí)的相位起伏為△j(t)，頻率起伏為△f(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對(duì)頻率起伏函數(shù)為：

由于相位噪聲j(t)的存在，使頻率源的頻率不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定度也常用時(shí)域阿侖方差σ2y(2,t,t)及頻域相對(duì)單邊帶功率譜(簡(jiǎn)稱功率譜)XXXX表征。
它們的定義為：

式中：XXXXX為為測(cè)量采樣時(shí)間XXX的相鄰二次測(cè)量測(cè)得的頻率平均值。

式中：PSSB(f)為一個(gè)相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度，P0為載波功率。

4 系統(tǒng)各組成部件相位噪聲分析
鎖相環(huán)頻率合成器主要由倍頻器、放大器、分頻器、混頻器、鑒相器、振蕩器等基本電路組成，還包括輔助捕獲電路、跳頻控制電路和電子開(kāi)關(guān)等，它們都會(huì)不同程度地對(duì)頻率合成器引入噪聲。
4.1 振蕩器
振蕩器的噪聲主要決定于諧振電路的有載Q1值、諧振電路噪聲以及振蕩器件本身的噪聲。振蕩器噪聲主要由4部分組成:
(1)由閃爍噪聲調(diào)頻產(chǎn)生的相位噪聲。
(2)由散彈噪聲和熱噪聲調(diào)頻產(chǎn)生的相位噪聲。
(3)由閃爍噪聲調(diào)相產(chǎn)生的相位噪聲。
(4)由散彈噪聲和熱噪聲調(diào)相產(chǎn)生的相位噪聲即白噪聲。
VCO相位噪聲與晶體振蕩器相比有兩點(diǎn)不同：其一VCO諧振回路Q值低，VCO工作頻帶越寬，Q值越低；其二VCO諧振回路存在變?nèi)荻O管，它具有與振蕩器件一樣的噪聲。此外，VCO相位噪聲還與壓控調(diào)諧靈敏度成正比關(guān)系。
由于諧振回路Q值低，因此寬帶調(diào)諧VCO近端相噪較差，比沒(méi)有電壓控制電抗電路的振蕩器高出20 dB～40 dB。但由于VCO輸出信號(hào)功率比晶體振蕩器大，VCO遠(yuǎn)端相位噪聲反而比晶體振蕩器倍頻后相位噪聲低。
4.2 外部噪聲
N倍頻后，外部噪聲將提高20lgNdB，折算到器件輸入端的內(nèi)部噪聲也將提高20lgNdB。因此倍頻器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意降低其內(nèi)部噪聲。
4.3 分頻器
當(dāng)信號(hào)通過(guò)分頻器時(shí)，輸入端的噪聲通常要減小20lgNdB，如果分頻系數(shù)很高或輸入信號(hào)相位噪聲極低則最低限度的噪聲決定于分頻器噪聲以及接在分頻器后的有源電路的噪聲。

5 鎖相源的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
在該頻率源設(shè)計(jì)中，分頻鑒相器選用美國(guó)ADI公司的ADF4118；壓控振蕩器VCO選用M/A-COM公司的ML08l100-01850；環(huán)路濾波器采用三階RC低通濾波電路組成，其電路原理如圖2所示。

鎖相源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)。最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)的低通濾波器就是基本的RC低通濾波器。這種濾波器沒(méi)有精確的截止頻率，典型的下降斜率是6 dB/lO倍頻程，因此電路的-3 dB點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)成接近電流信號(hào)的基頻。較好解決方法是用一個(gè)三階RC濾波器，其原理如圖3。

當(dāng)鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器通頻帶較窄且捕捉帶也較窄時(shí)，利用鎖相環(huán)良好的跟蹤特性，可實(shí)現(xiàn)高頻率輸入信號(hào)的窄帶濾波；可在幾十赫茲的頻率上實(shí)現(xiàn)幾十赫茲甚至幾兆赫茲的濾波，從而將混入輸入信號(hào)中的噪聲和干擾濾掉，這是其他濾波器難以做到的。

6 測(cè)試數(shù)據(jù)
該鎖相源設(shè)計(jì)成功后筆者對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，輸出頻率1 835 MHz，輸出功率-4.2 dBm，相位噪聲的測(cè)試結(jié)果如表2。

由表2數(shù)據(jù)可得在輸入頻率為1 835 MHz時(shí)，輸出功率為-4.2 dBm，相位噪聲為-75 dBc/KHz，雜散抑制為-85 dBc，完全符合預(yù)期設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。

7 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)移動(dòng)通信基站和直放站射頻子系統(tǒng)對(duì)本振源的要求設(shè)計(jì)了該頻率源。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用ADI公司的鎖相環(huán)(ADF4118)得到的鎖相源與相關(guān)資料介紹的使用飛思卡爾公司MCl45系列鎖相環(huán)的鎖相源相比，在1 835 MHz頻率點(diǎn)上相噪要好10 dB~20 dB、同時(shí)用在移頻模塊中相應(yīng)相噪要好10 dB~20 dB。
該設(shè)計(jì)的成功進(jìn)一步驗(yàn)證鎖相頻率源具有頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，該方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)。