WCDMA無線直放站的∑-Δ小數(shù)分頻鎖相環(huán)設(shè)計

王吉平,陽金梅,覃遠年,田克純

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林 541004）

WCDMA無線直放站的∑-Δ小數(shù)分頻鎖相環(huán)設(shè)計

王吉平,陽金梅,覃遠年,田克純

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林 541004）

根據(jù)WCDMA無線直放站鎖相環(huán)的特點,結(jié)合∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán)噪聲低、分辨率高、步進小的優(yōu)點,給出了一種適用于WCDMA無線直放站的基于∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán),并采用ADS工具對系統(tǒng)進行了仿真。仿真證明了基于∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻的WCDMA無線直放站鎖相環(huán)模型的正確性,對WCDMA無線直放站鎖相環(huán)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

WCDMA;無線直放站;∑-Δ調(diào)制;三階無源環(huán)路濾波器;小數(shù)分頻;鎖相環(huán)設(shè)計

1 引 言

鎖相部分在直放站中被稱為系統(tǒng)的“心臟”,其作用是產(chǎn)生一個或多個穩(wěn)定、精確的射頻信號,通過對頻率合成器的設(shè)置可以改變信號的頻率以滿足不同信道的要求?！?Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相頻率合成技術(shù)與現(xiàn)用的整數(shù)頻率合成技術(shù)相比可達到無限小的精度、較小的相位噪聲性能和更快的鎖定時間,正好解決了目前WCDMA無線直放站鎖相環(huán)頻率步進小和精度高的瓶頸。為此,本文給出一種使用∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán)技術(shù)來設(shè)計WCDMA無線直放站鎖相環(huán)的新方法。

2 WCDMA無線直放站本振部分的技術(shù)要求

WCDMA無線直放站對本振的要求:兩個不同的輸出頻段（上行:1 760～1 820 MHz;下行:2 300～2 360 MHz）,頻率增量為200 kHz,頻率誤差應(yīng)小于等于±0.01 ppm,對于頻率穩(wěn)定度（包括長期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度）、雜散抑制、相位噪聲以及跳頻時間等都沒有提出具體的要求,如表1所示。但是相位噪聲指標實際上間接影響EVM、PCDE等重要指標,良好的雜散抑制可以減小混頻后的其它非線性產(chǎn)物。最后是本振功率和本振隔離的考慮,由于所選混頻器要求高本振驅(qū)動（+17 dBm）,混頻器的泵源如果達不到要求,就會造成混頻器實際性能下降,如變頻損耗的增加、本振的隔離度降低等。

表1 WCDMA本振設(shè)計技術(shù)指標Table 1 Design technical specifications of WCDMA LO

3 ∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán)的工作原理

如圖1所示,小數(shù)分頻[1-2]對于整數(shù)分頻而言增加了F寄存器、加法器、相位累加器和脈沖清除器。小數(shù)部分以二進制的形式存儲在F寄存器中,小數(shù)部分與相位累加器的數(shù)值在加法器中相加,并返回相位累加器。只要這種相加超前了1個周期,累加器的值到了十進制數(shù)“1”就會溢出,并且會發(fā)出一個脈沖清除命令,于是就清除了一個周期,在特定的周期中N+1個VCO脈沖被分頻。由于累加器求和相同的小數(shù)部分,其溢出對應(yīng)于VCO相位誤差超過2π,因此,必須在一個參考循環(huán)內(nèi)改變分頻比為N+1以消除VCO的相位差。周期性改變分頻比使VCO相位誤差呈鋸齒波變化,從而形成嚴重的小數(shù)雜散,必須加以濾除,用∑-Δ調(diào)制技術(shù)對小數(shù)雜散進行處理能得到比較理想的效果。

∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻頻率合成器是對傳統(tǒng)的小數(shù)分頻頻率合成器中的小數(shù)分頻器加以改進,高階∑-Δ調(diào)制器會對量化噪聲進行多次微分計算,使得量化噪聲更多轉(zhuǎn)向了頻率的高端,對小數(shù)雜散的抑制更好。相對于整數(shù)分頻頻率合成器的鑒相頻率會低很多,這樣會提高相位噪聲的指標。缺點是:壓控振蕩器輸出一般會產(chǎn)生比較大并且數(shù)目比較多的小數(shù)雜散。而∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán)將能減小小數(shù)分頻所產(chǎn)生的雜散問題且電路易于集成。因此本文提出一種使用∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán)技術(shù)來設(shè)計WCDMA無線直放站鎖相環(huán)的新方法,其模型由電荷泵鎖相環(huán)、鑒相器（PFD）、環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）和分頻器幾部分組成。

圖1 小數(shù)分頻鎖相環(huán)的環(huán)路基本組成Fig.1 Basic composition of decimal fractional frequency phase-locked loop

4 基于ADS的PLL設(shè)計與仿真

利用ADS中的元件庫和參考自帶相關(guān)的例子,建立PLL環(huán)路時域瞬態(tài)響應(yīng)電路模型[4-5],如圖2所示。

圖2 ADS設(shè)計的無線直放站鎖相環(huán)電路Fig.2 ADS design of a wireless repeater PLL circuit

該系統(tǒng)各個參數(shù)的設(shè)定為:10MHz的溫控振蕩器（VCO）,外部參考源12 MHz。VCO輸出要達到2 300 MHz,射頻信號輸出頻率見公式（1）:

式中,INT是整數(shù)分頻,FRAC是小數(shù)分頻,MOD是模數(shù)。

鑒相器頻率為

式中,REFIN是輸入的參考頻率,D是RF參考倍頻數(shù),R前置分頻數(shù)。因此可得該系統(tǒng)的各個參數(shù)為:MOD=60,FPDF=12MHz,INT=191,FRAC=40。

4.1 鑒相器

鑒相器采用電荷泵輸出的鑒相器。該類型鎖相環(huán)的鑒相器采用了既可以鑒相又可以鑒頻的鑒頻鑒相器（PFD）,鎖相環(huán)路可以獲得幾乎無限的捕獲帶寬,同時由于其采用電流源輸出,克服了電壓輸出型鑒頻鑒相器增益變化的問題。在本系統(tǒng)模型建立中,鑒相器采用ADS提供的元件PhaseFreqDetCP來實現(xiàn),設(shè)置其輸出電流為5mA,頻率步進值為200 kHz。

4.2 環(huán)路濾波器

本次設(shè)計采用的是無源三階環(huán)路濾波器,環(huán)路帶寬為10 kHz,相位裕度在45℃～-50℃,1 MHz處的雜散為-70 dB。由于頻率步進值為200 kHz,根據(jù)工程經(jīng)驗環(huán)路帶寬為步進頻率的1/20,因此環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬為10 kHz。相位裕度直接關(guān)系系統(tǒng)的穩(wěn)定性,理想的相位裕度為45℃。

根據(jù)該電路環(huán)路濾波器的開環(huán)和閉環(huán)特性,可以得到該三階無源濾波器的相位裕度為49.632°,1MHz處的雜散為-82.77 dB,符合設(shè)計要求。將優(yōu)化得到的參數(shù)代入PLL環(huán)路時域瞬態(tài)響應(yīng)電路模型。

4.3 壓控振蕩器

壓控振蕩器是振蕩頻率受到一個外加輸入電壓控制的振蕩器。本設(shè)計采用的是10 MHz的溫控振蕩器,小數(shù)分頻部分用DSM模塊構(gòu)建,通過改變DSM輸入直流的參數(shù)實現(xiàn)小數(shù)部分的改變,從而使得最后的輸出電壓可鎖定2.3～2.36 GHz頻段。

WCDMA無線直放站鎖相環(huán)部分模型構(gòu)建完,將各個參數(shù)設(shè)定好,最后的仿真結(jié)果如圖3所示。

為體現(xiàn)小數(shù)分頻的精度,本次設(shè)計采用合成2.30 GHz的本振信號。

采用外部10 MHz壓控溫補晶振（VCTCXO）合成2.30 GHz本振,整數(shù)分頻N=191,小數(shù)分頻為mean（dN）=2/3,即DSM模塊的輸入電壓設(shè)為2/3 V。

圖3 PLL環(huán)路時域瞬態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果Fig.3 PLL transient response in time-domain

仿真結(jié)果顯示鎖定頻率與理想頻率很接近,誤差是幾赫。該頻率偏差與200 kHz的步進相比很小。VCO鎖定時電壓為0.8 mV。通過改變DSM輸入電壓可以得到2.3～2.36 GHz頻段的輸出頻率。

5 估算相位噪聲

在環(huán)路帶寬之內(nèi),PLL輸出信號的相位噪聲[6]主要由參考源、鑒相器（電荷泵）和分頻器決定;而在環(huán)路之外,相位噪聲主要由VCO決定。換句話說,環(huán)路對參考源、鑒相器（電荷泵）和分頻器的相位噪聲呈低通特性,而對VCO本身的相位噪聲呈高通特性。該相位噪聲結(jié)果如圖4所示,可知該系統(tǒng)的相位噪聲為-94.065 dBc/Hz@10 kHz,基本符合設(shè)計要求。

圖4 相位噪聲仿真圖Fig.4 Simulation of phase noise figure

6 結(jié) 論

上述分析和仿真結(jié)果證明,WCDMA無線直放站鎖相環(huán)采用∑-Δ調(diào)制改進小數(shù)分頻和電荷泵鑒相器,具有相位噪聲低、步進小、可工作在較高的鑒相頻率等優(yōu)勢,在未來的4G通信系統(tǒng)及中繼設(shè)備如WCDMA無線直放站中具有很好的應(yīng)用前景。但是,WCDMA無線直放站的∑-Δ調(diào)制小數(shù)分頻鎖相環(huán)因為需要額外的雜散補償,從而需要更大的功耗,且與整數(shù)分頻鎖相環(huán)相比價格偏高。因此,怎樣盡量降低其成本和功耗也是一項嶄新的課題。

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Design of Sigma-Delta Fractional-N PLL for WCDMA Wireless Repeater

WANG Ji-ping,YANG Jin-mei,QIN Yuan-nian,TIAN Ke-chun
（College of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China）

According to the characteristics of PLL for WCDMA wireless repeater and advantages of low noise,high resolution,small steps of∑-Δmodulated fractional-N PLL,a∑-Δmodulated fractional-based PLL for WCDMA wireless repeater isproposed,and the system is simulated by ADS.Simulation results show that WCDMA wireless repeater PLL model based on the∑-Δmodulated fractional-N is correct,and it has some significance to the WCDMA w ireless repeater PLL design.

WCDMA;wireless repeater;sigma-delta modulation;third-order passive loop filter;dicimal fractional frequency;PLL design

The National Natural Science Foundation of China（No.NF010103）;Research Project of Education Department of Guangxi（No.200708MS005）;The Natural Science Foundation of Guangxi（No.0832245）

TN911.8

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.023

1001-893X（2010）11-0110-04

2010-05-06;

2010-10-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（NF010103）;廣西教育廳科研項目（200708MS005）;廣西自然科學(xué)基金資助項目（0832245）

王吉平（1977-）,男,四川內(nèi)江人,講師,主要研究領(lǐng)域為無線通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng);

WANG Ji-ping was born in Neijiang,Sichuan Province,in 1977.He is now a lecturer.His research interests include wireless communication systems,mobile communication systems.

Email:w jp21@guet.edu.cn

陽金梅（1987-）,女,廣西桂林人,本科生,主要研究方向微波射頻;

YANG Jin-mei was born in Guilin,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1987.She is now an undergraduate student.Her research direction is microwave radio.

覃遠年（1971-）,男,廣西昭平人,高級實驗師,主要研究領(lǐng)域為無線通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)、UWB技術(shù);

QIN Yuan-nian was born in Zhaoping,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1971.He is now a senior Technician.His research interests include wireless communications systems,mobile communication systems,UWB technology.

田克純（1950-）,男,河南嵩縣人,教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域為無線通信系統(tǒng)、軟件無線電技術(shù)。

TIAN Ke-chun was born in Songxian,Henan Province,in 1950.He is now a professor and also the superrisor of graduate students.His research interests include wireless communications systems,software radio technology.