采用PLL技術的合成頻率源設計

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。而缺點是成本高、技術難度大。現(xiàn)代工程設計中對頻率源的頻率穩(wěn)定度、精確度、頻率范圍等技術指標的要求越來越高。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。
頻率合成是指將高精度和高穩(wěn)定度的標準信號頻率通過一系列的算術運算，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。
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，已被廣泛用于各種通信和雷達系統(tǒng)。筆者采用分頻鎖相頻率合成技術設計了1.8 GHz鎖相頻率源。

2 鎖相環(huán)技術的原理
實現(xiàn)頻率合成的方法可分為直接合成法與間接合成法。二種頻率合成技術的特點見表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，用來比較參考信號Ur(t)與壓控振蕩器輸出信號Uo(t)的相位，產(chǎn)生對應于這兩個信號相位差的誤差電壓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越低，直至二者的頻率相同、保持一個較小的剩余相差為止。下面介紹鎖相環(huán)工作的大致過程：
鎖相環(huán)路(PLL)和AGC、AFC電路一樣，也是一種反饋控制電路。它是一個相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻率的目的，從而實現(xiàn)了對信號的頻率漂移進行跟蹤。在達到同頻率的狀態(tài)下，兩個信號之間的穩(wěn)定相差亦可做得很小。
鑒相器是個相位比較裝置。它把輸入信號和壓控振蕩器的輸出信號Uo(t)的相位進行比較，產(chǎn)生對應于兩個信號相位差的誤差電壓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越低，使兩者的頻率相同、保持一個較小的剩余相差直至消除頻差而鎖定為止。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差就會一直變化，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外來基準信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來基準信號的相位保持某種特定關系，達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頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達到穩(wěn)定后，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值，這時環(huán)路就進入“鎖定”狀態(tài)。這就是鎖相環(huán)工作的大致過程。
鎖相源設計的技術難點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，以便采取相應的措施來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相位的隨機起伏。所謂頻率短期穩(wěn)定度，是指由隨機噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因為溫度、老化等引起的頻率慢漂移，則稱之為頻率長期穩(wěn)定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩(wěn)定度問題，頻率短期穩(wěn)定度一般用相位噪聲表示。
一個理想的正弦波信號可用下式表示：

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

在研究相位噪聲的測量時，由于考慮到振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠小于相位噪聲調(diào)制功率,所以，|ε(t)|＜＜Ao，通?？梢詫ⅵ?t)忽略不計，而主要是對j(t)進行測量，故可以得到：

對j(t)的測量，可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時的相位起伏為△j(t)，頻率起伏為△f(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對頻率起伏函數(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)定度也常用時域阿侖方差σ2y(2,t,t)及頻域相對單邊帶功率譜(簡稱功率譜)XXXX表征。
它們的定義為：

式中：XXXXX為為測量采樣時間XXX的相鄰二次測量測得的頻率平均值。

式中：PSSB(f)為一個相位噪聲調(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關等，它們都會不同程度地對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輸出信號功率比晶體振蕩器大，VCO遠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。因此倍頻器設計時應注意降低其內(nèi)部噪聲。
4.3 分頻器
當信號通過分頻器時，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 鎖相源的具體設計和實現(xiàn)
在該頻率源設計中，分頻鑒相器選用美國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。

鎖相源設計中的關鍵是環(huán)路濾波器的設計。最簡單、最廉價的低通濾波器就是基本的RC低通濾波器。這種濾波器沒有精確的截止頻率，典型的下降斜率是6 dB/lO倍頻程，因此電路的-3 dB點應設計成接近電流信號的基頻。較好解決方法是用一個三階RC濾波器，其原理如圖3。

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

6 測試數(shù)據(jù)
該鎖相源設計成功后筆者對其進行了測試，輸出頻率1 835 MHz，輸出功率-4.2 dBm，相位噪聲的測試結(jié)果如表2。

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

7 結(jié)束語
針對移動通信基站和直放站射頻子系統(tǒng)對本振源的要求設計了該頻率源。根據(jù)實驗結(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頻率點上相噪要好10 dB~20 dB、同時用在移頻模塊中相應相噪要好10 dB~20 dB。
該設計的成功進一步驗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，該方法設計簡單、可靠性高、抗干擾性強。