帶有分布式鎖相環(huán)的相控陣的系統(tǒng)級(jí)LO相位噪聲模型

　　摘要

　　對(duì)于數(shù)字波束成形相控陣，要生成LO，通常會(huì)考慮的實(shí)現(xiàn)方法是向分布于天線陣列中的一系列鎖相環(huán)分配常用基準(zhǔn)頻率。對(duì)于這些分布式鎖相環(huán)，目前文獻(xiàn)中還沒有充分記錄用于評(píng)估組合相位噪聲性能的方法。

　　在分布式系統(tǒng)中，共同噪聲源是相關(guān)的，而分布式噪聲源如果不相關(guān)，在RF信號(hào)組合時(shí)就會(huì)降低。對(duì)于系統(tǒng)中的大部分組件，這都可以非常直觀地加以評(píng)估。對(duì)于鎖相環(huán)，環(huán)路中的每個(gè)組件都有與之相關(guān)聯(lián)的噪聲傳遞函數(shù)，它們的貢獻(xiàn)是控制環(huán)路以及任何頻率轉(zhuǎn)換的函數(shù)。這會(huì)在嘗試評(píng)估組合相位噪聲輸出時(shí)增加復(fù)雜性。本文基于已知的鎖相環(huán)建模方法，以及對(duì)相關(guān)和不相關(guān)貢獻(xiàn)因素的評(píng)估，提出了跟蹤不同頻率偏移下的分布式PLL貢獻(xiàn)的方法。

　　簡(jiǎn)介

　　對(duì)于任何無線電系統(tǒng)，都需要為接收器和激勵(lì)器精心設(shè)計(jì)本地振蕩器(LO)生成的實(shí)現(xiàn)方法。隨著數(shù)字波束成形在相控陣天線系統(tǒng)中不斷普及，需要在大量分布式接收器和激勵(lì)器中分配LO信號(hào)和基準(zhǔn)頻率，這讓設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。

　　在系統(tǒng)架構(gòu)層面需要權(quán)衡的因素包括，分配所需的LO頻率或分配較低的頻率基準(zhǔn)，以及在靠近使用點(diǎn)的物理位置產(chǎn)生所需的LO。通過鎖相環(huán)從本地產(chǎn)生LO是一種高度集成的現(xiàn)成選項(xiàng)。下一個(gè)挑戰(zhàn)是評(píng)估來自各種分布式組件以及集中式組件的系統(tǒng)級(jí)相位噪聲。

　　采用分布式鎖相環(huán)的系統(tǒng)如圖1所示。常用基準(zhǔn)頻率被分配至多個(gè)鎖相環(huán)，各產(chǎn)生一個(gè)輸出頻率。圖1a中的LO輸出被假設(shè)為圖1b的混頻器的LO輸入。

　　圖1.分布式鎖相環(huán)系統(tǒng)。每個(gè)振蕩器都被鎖相到一個(gè)共同的參考振蕩器上。從1到N的LO信號(hào)都應(yīng)用到相控陣中所示的混頻器的LO端口上。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是跟蹤分布式系統(tǒng)的噪聲貢獻(xiàn)、了解相關(guān)和不相關(guān)的噪聲源，并估計(jì)整體的系統(tǒng)噪聲。在鎖相環(huán)中，這個(gè)挑戰(zhàn)變得更加嚴(yán)峻，因?yàn)樵肼晜鬟f函數(shù)都是鎖相環(huán)中的頻率轉(zhuǎn)換和環(huán)路帶寬設(shè)置的函數(shù)。

　　動(dòng)機(jī)：組合鎖相環(huán)測(cè)量示例

　　圖2所示為針對(duì)組合鎖相環(huán)的測(cè)量示例。這些數(shù)據(jù)是通過組合來自多個(gè)ADRV9009收發(fā)器的發(fā)射輸出獲得的。圖中所示為單個(gè)IC、兩個(gè)組合IC和四個(gè)組合IC的情況。對(duì)于這個(gè)數(shù)據(jù)集，在IC組合之后，可以看到明顯的10logN改進(jìn)。為了達(dá)到這個(gè)結(jié)果，需要采用一個(gè)低噪聲晶體振蕩器參考源。下一節(jié)建模的動(dòng)機(jī)是推導(dǎo)出一種方法，以計(jì)算在具有許多分布式收發(fā)器的大型陣列中，更廣泛地說是在具有分布式鎖相環(huán)的任何架構(gòu)中，這種測(cè)量結(jié)果會(huì)如何變化。

　　圖2.兩個(gè)組合鎖相環(huán)的相位噪聲測(cè)量

　　鎖相環(huán)模型

　　鎖相環(huán)中的噪聲建模已有充分的文檔記錄。1-5圖3所示為輸出相位噪聲圖。在這種類型的圖中，設(shè)計(jì)師可以快速評(píng)估環(huán)路中每個(gè)組件的噪聲貢獻(xiàn)，而這些貢獻(xiàn)因素累計(jì)起來即可決定整體的噪聲性能。模型參數(shù)設(shè)置為代表圖2所示的數(shù)據(jù)，源振蕩器用于估算將大量IC組合在一起時(shí)的相位噪聲。

　　要檢驗(yàn)分布式鎖相環(huán)的效果，首先要從PLL模型導(dǎo)出參考貢獻(xiàn)和其余PLL組件的貢獻(xiàn)。

　　圖3.典型的鎖相環(huán)相位噪聲分析，顯示所有組件的噪聲貢獻(xiàn)?？傇肼暿撬胸暙I(xiàn)因素的總和。

　　將已知的PLL模型擴(kuò)展為分布式PLL模型

　　下文將介紹為具有多個(gè)分布式鎖相環(huán)的系統(tǒng)計(jì)算組合相位噪聲的過程。這種方法的前提是能夠?qū)⒖颊袷幤鞯脑肼曍暙I(xiàn)與VCO和環(huán)路組件的噪聲貢獻(xiàn)分離開來。圖4所示為一個(gè)假設(shè)的分布式示例，一個(gè)參考振蕩器對(duì)應(yīng)多個(gè)PLL。這個(gè)計(jì)算假設(shè)了一個(gè)無噪聲分布，這不切實(shí)際，但可以用來說明原理。假設(shè)分布式PLL的噪聲貢獻(xiàn)是不相關(guān)的，并減少10logN，其中N表示分布式PLL的數(shù)量。隨著通道增加，噪聲在較大偏移頻率下得到改善，對(duì)于大型分布系統(tǒng)，噪聲變得幾乎完全由參考振蕩器主導(dǎo)。

　　圖4.開始采用分布式鎖相環(huán)相位噪聲建模方法：從鎖相環(huán)模型中提取參考振蕩器和鎖相環(huán)中除參考振蕩器外的所有其他組件的相位噪聲貢獻(xiàn)。作為分布式鎖相環(huán)數(shù)量的函數(shù)，組合相位噪聲假設(shè)參考噪聲是相關(guān)的，而分布在多個(gè)PLL之間的噪聲貢獻(xiàn)是不相關(guān)的。

　　圖4所示的示例簡(jiǎn)化了對(duì)參考振蕩器分布的假設(shè)。在真正的系統(tǒng)分析中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該考慮參考振蕩器分布中的噪聲貢獻(xiàn)，它們會(huì)降低總體結(jié)果。但是，像這樣的簡(jiǎn)化分析是非常有用的，能夠讓人了解架構(gòu)方面的權(quán)衡會(huì)如何影響系統(tǒng)的總體相位噪聲性能。接下來我們來看看分布系統(tǒng)中相位噪聲的影響。

　　參考分布中的相位噪聲說明

　　接下來將評(píng)估兩個(gè)分布選項(xiàng)示例。考慮的第一種情況如圖5所示。在這個(gè)示例中，選擇了一個(gè)常用于快速調(diào)諧VCO頻率的寬帶PLL。參考信號(hào)的分布是通過時(shí)鐘PLL IC實(shí)現(xiàn)的，這種IC也常用于簡(jiǎn)化數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路(如JESD接口)的時(shí)序限制。左下角顯示了各個(gè)貢獻(xiàn)因素。這些貢獻(xiàn)因素位于器件的頻率，并未調(diào)整到輸出頻率。右下角的相位噪聲圖顯示了不同數(shù)量的分布式PLL的系統(tǒng)級(jí)相位噪聲。

　　圖5.分布中具有PLL IC的分布式寬帶PLL。

　　該模型的有些特性值得注意。假設(shè)采用一個(gè)高性能晶體振蕩器，標(biāo)稱頻率為100 MHz，中央振蕩器的單個(gè)貢獻(xiàn)因素反映在可用的較高端晶體振蕩器上，雖然不一定是最好、最昂貴的可用選擇。雖然中央振蕩器輸出實(shí)際上會(huì)扇出到有限數(shù)量的分布式PLL，但這些PLL會(huì)再次按某個(gè)實(shí)際限值扇出并重復(fù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的完整分布。對(duì)于本例中的分布貢獻(xiàn)，假設(shè)有16個(gè)分布組件，然后假設(shè)它們會(huì)再次扇出。左下角所示的分布電路的單個(gè)貢獻(xiàn)是不含參考振蕩器貢獻(xiàn)的PLL組件的噪聲。本例中的分布假設(shè)與源振蕩器同頻率，并根據(jù)該函數(shù)可用的典型IC來選擇噪聲貢獻(xiàn)因素。