一種基于偏移源的頻率合成技術(shù)分析

陳煥東，牛 旭，劉立青

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

頻率合成技術(shù)有超過60年的發(fā)展歷史，各種頻率合成技術(shù)層出不窮。據(jù)報道，美國Phase Matrix公司在2009年發(fā)布了一種新的基于偏移源的頻率合成技術(shù)開發(fā)的頻率合成器［1］，該頻率合成器相位噪聲和雜散信號指標都非常出色，使得基于偏移源的頻率合成技術(shù)在近幾年逐漸成為一個研究熱點。

分析基于偏移源的頻率合成技術(shù)的相位噪聲和雜散信號產(chǎn)生原理，并通過實際應(yīng)用加以驗證，對設(shè)計低相位噪聲和低雜散信號的頻率合成器有重要意義。

1 相位噪聲分析

1.1 PLL線性模型

PLL已經(jīng)成為使用最廣泛的頻率合成技術(shù)之一，幾乎所有的頻率合成器都使用PLL。PLL是一種負反饋系統(tǒng)，鎖定后鑒相器的2個輸入信號的相位φo/N和φi之間保持一個恒定的相位差φe。在鎖定后，可認為PLL是線性的，其線性模型如圖1所示。

圖1 PLL線性模型

PLL閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為:

實際應(yīng)用中，常用估算公式如下:

式中，ωn為PLL自然角頻率。

1.2 基于偏移源的PLL相位噪聲

如圖2所示，在PLL反饋支路中加入偏移源和混頻器構(gòu)成一種基于偏移源的PLL。除了偏移源，其他部分稱為主環(huán)。

圖2中PFD為鑒頻鑒相器，LF為環(huán)路濾波器。VCO信號fVCO、偏移源信號fos和鑒相信號fr之間的頻率關(guān)系為:

圖2 帶偏移源的PLL

假設(shè)PLL中各個部分為理想無噪聲，加入等效噪聲源建立相位噪聲模型［1］，對其進行相位噪聲分析，如圖3所示。

圖3 加入偏移源的PLL相位噪聲模型

圖3中，Δφo為系統(tǒng)輸出相位抖動;Δφos為偏移源fos的相位抖動;Δφi為參考源相位抖動;VnPD為PD引入的噪聲電壓;ΔφVCO、Δφnd分別為VCO和N分頻器的相位抖動。

由式(6)可以看出，經(jīng)過閉環(huán)響應(yīng)后，系統(tǒng)固有相位噪聲基底(ωm)惡化20lgN dB;加入偏移源后，偏移源相位噪聲(ωm)和環(huán)路分頻比N沒有關(guān)系。系統(tǒng)環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲由系統(tǒng)固有噪底、參考源相位噪聲、分頻比N和偏移源相位噪聲共同決定決定。

根據(jù)式(4)，如果fos和fVCO頻率非常接近，那么分頻比N就很小。根據(jù)式(6)，減小分頻比N后，系統(tǒng)固有相位噪聲基底就不再是決定系統(tǒng)相位噪聲的主要因素，偏移源相位噪聲成為決定系統(tǒng)相位噪聲的主要因素。

2 雜散信號分析

2.1 偏移源引入的雜散信號

頻率合成器中存在諸多非線性電路，如混頻器、分頻器和鑒相器等。當多種頻率信號通過非線性電路時會發(fā)生交調(diào)響應(yīng)，產(chǎn)生許多雜散信號，當雜散信號落入PLL環(huán)路帶寬內(nèi)時，雜散信號會惡化。

令雜散信號fspur為:

當n和m的絕對值越小，并且fspur小于環(huán)路帶寬時，雜散信號越惡劣。通常雜散信號出現(xiàn)在fVCO±fspur頻率上。

這種雜散信號主要是由于混頻器端口間隔離度有限，造成fVCO信號和fos信號在偏移源內(nèi)部發(fā)生交調(diào)響應(yīng)而產(chǎn)生雜散信號。當這種雜散信號在VCO輸出頻率距離偏移源的鑒相頻率整數(shù)倍頻率非常近的時候尤為明顯。在混頻器和偏移源之間加入一個反向隔離度高的放大器是降低這種雜散信號比較好的方法。此外，偏移源和主環(huán)在空間布局和電源方面也要采取嚴格的隔離措施，以減小相互間的干擾。

2.2 DDS引入的雜散信號

為獲得微小頻率步進，往往要使用DDS。由于相位截斷，有限字長和DAC非線性等因素造成DDS雜散信號輸出的不確定性，因此在一些PLL+DDS的方案中，DDS雜散信號是一個困擾設(shè)計師的難題。將DDS輸出作為PFD的參考輸入，根據(jù)式(6)可知，DDS引入的雜散信號經(jīng)過閉環(huán)相應(yīng)后要惡化20lgN dB。采用偏移源后，環(huán)路分頻比得到大大減小，甚至為1，所以由DDS引入的雜散信號經(jīng)過閉環(huán)響應(yīng)后惡化很小或者是無惡化。DDS遠端雜散信號可以很輕松地被環(huán)路濾波器濾除。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 偏移源合成技術(shù)

偏移源可以是單一信號輸出或者是有一定帶寬的信號輸出。根據(jù)不同應(yīng)用偏移源的合成方式有很多種，可以采用PLL和梳狀譜發(fā)生器等。目的是獲得盡可能低的相位噪聲。

如果偏移源采用數(shù)字PLL，可以提高鑒相頻率，增大頻率步進，以降低環(huán)路分頻比，從而獲得低相位噪聲。要獲得更低的相位噪聲，可以采用模擬PLL。但無論是數(shù)字PLL還是模擬PLL在低相位噪聲和帶寬上相互制約，要獲得低相位噪聲往往難于實現(xiàn)較寬的帶寬。

采用梳狀譜發(fā)生器可以很輕松地獲得倍頻程的頻譜帶寬［3］和極低的相位噪聲。比如，使用梳狀譜發(fā)生器將100 MHz OCXO倍頻到4～8 GHz，倍頻次數(shù)40～80，相位噪聲理論惡化32 ～38 dB;OCXO在偏離載波100 kHz處相位噪聲為－170 dBc/Hz，所以經(jīng)過倍頻后8 GHz信號在偏離載波100 kHz處相位噪聲小于－130 dBc/Hz。

3.2 主環(huán)合成技術(shù)

因為主環(huán)的分頻比很小，噪底非常低，相位噪聲和雜散信號不再是主環(huán)要解決的主要問題。其參考輸入可用微小頻率步進對偏移源頻率間隔進行“填充”，從而連續(xù)覆蓋所需的輸出帶寬，實現(xiàn)寬帶小步進。鑒相器采用低噪底的 PLL芯片，例如ADF4002?；祛l器采用寬帶高隔離度的混頻器，以提高主環(huán)和偏移源之間的隔離度。在一些情況下，還必須加入D/A轉(zhuǎn)換進行頻率預(yù)選，避免發(fā)生錯鎖。要特別注意式(4)中主環(huán)和偏移源頻率之間的關(guān)系，正確設(shè)置主環(huán)的鑒相極性。

4 工程應(yīng)用

結(jié)合工程實踐，介紹一種基于偏移源的頻率合成技術(shù)設(shè)計的C頻段頻率合成器，主要指標要求如下:

輸出頻率范圍:4.6 ～5.4 GHz;

頻率步進:1 kHz;

相位噪聲:

≤－65 dBc/Hz(偏離載波0.1 kHz處);

≤－75 dBc/Hz(偏離載波1 kHz處);

≤－85 dBc/Hz(偏離載波10 kHz處);

≤－95 dBc/Hz(偏離載波100 kHz處);

雜散信號:≤－70 dBc。

C頻段頻率合成器方案如圖4所示。將10 MHz參考源分2路，一路5倍頻后作為偏移源的參考;另一路作為1 GHz DDS時鐘源的參考。偏移源信號和2.3～2.7 GHz的VCO輸出信號進行下混頻，混頻器使用HMC213，射頻端口和本振端口的隔離度大于40 dB?；祛l后的中頻信號IF先經(jīng)過一個低通濾波器LPF，濾除遠端的雜散信號，LPF采用LTCC低通濾波器LFCN－1800;然后IF信號和DDS輸出信號fdds在ADF4002內(nèi)部進行鎖相。最后經(jīng)2倍頻和濾波后輸出。由式(4)可得各頻率間關(guān)系:fVCO=fos±fdds× N 。fos取2.4 GHz或2.5 GHz;fDDS取50～100 MHz;當N的取值為1時，中頻IF為50～100 MHz;當 N的取值為2時，中頻 IF為100～200 MHz。

圖4 C頻段頻率合成器方案

如果環(huán)路帶寬取3 MHz，最終主環(huán)頻率合成后在0.1～100 kHz處的相位噪聲(ωm)主要由fos的相位噪聲(ωm)，fdds的相位噪聲(ωm)N2和主環(huán)噪底(ωm)N2三部分相迭加而成。

偏移源采用低噪底PLL芯片ADF4106去鎖一個2.4～2.5 GHz的低相位噪聲 CRO，鑒相頻率取50 MHz，環(huán)路帶寬取20 kHz。偏移源的實測相位噪聲( ωm)如表1所 示，其中( ωm)N2為 －135 dBc/Hz。

表1 C頻段頻率合成器各部分相位噪聲理論迭加

主環(huán)采用低噪底PLL芯片ADF4002，其噪底為－222 dBc/Hz;當環(huán)路分頻比N為2，鑒相頻率為100 MHz時，主環(huán)噪底(ωm)N2為:

DDS窄帶輸出無雜散信號動態(tài)范圍(SFDR)小于 －90 dBc［2］，主環(huán)分頻比最大為 2，所以 DDS 雜散信號對系統(tǒng)的影響可以忽略;分別在混頻器和偏移源之間，混頻器和 VCO之間加入一級放大器HMC308，其增益為18 dB，輸出壓縮點大于17 dBm，反向隔離度為35 dB;一方面可以將fVCO信號放大至混頻器本振信號要求的信號強度，另一方面很容易提高主環(huán)和偏移源間的隔離度;此外對主環(huán)和偏移源之間從空間布局和PCB布局上進行嚴格的分腔隔離設(shè)計，以減小相互間的干擾，實測雜散信號≤ －70 dBc。

5 性能測試結(jié)果分析

完成調(diào)試后對C頻段頻率合成器進行測試，實測主環(huán)輸出相位噪聲(ωm)的結(jié)果如表2所示。

表2 C頻段頻率合成器相位噪聲對比

可以看出實測結(jié)果和理論迭加結(jié)果一致，這表明采用偏移源的頻率合成方案，系統(tǒng)噪底非常低，在這種情況下系統(tǒng)噪底不再是決定相位噪聲的主要因素，其相位噪聲主要由偏移源相位噪聲決定。2倍頻后系統(tǒng)輸出相位噪聲(ωm)如表2所示，系統(tǒng)輸出相位噪聲測試結(jié)果遠優(yōu)于指標要求。此外，雜散信號≤－70 dBc。采用基于偏移源的頻率合成技術(shù)實現(xiàn)了低相位噪聲，低雜散信號設(shè)計。

6 結(jié)束語

采用基于偏移源的頻率合成技術(shù)，可以大大降低主環(huán)的環(huán)路分頻比，從而降低主環(huán)的噪底，這是該技術(shù)的核心。在毫米波段，偏移源采用取樣脈沖鎖相技術(shù)，在偏離載波100 kHz處相位噪聲已經(jīng)做到－105 dBc/Hz。綜上所述，采用基于偏移源的頻率合成技在低相位噪聲和低雜散設(shè)計上有明顯的優(yōu)勢。 ■

［1］QuickSynTM Microwave Frequency Synthesizer. Phase Matrix Inc［S］，2009.

［2］AD9912 Datasheet.Analog Device Inc［S］，2007.

［3］楊新功，宋慶輝.超寬帶低相位噪聲頻率合成器的實現(xiàn)［J］.無線電通信技術(shù)，2006，32(3):39 －41.

［4］白居憲.低噪聲頻率合成［M］.西安:西安交通大學出版社，1995.

［5］胡麗格，楊志國，閔 潔.一種L波段的小步進頻率合成器［J］.無線電工程，2007，37(6):60－61.

［6］溫明艷.多環(huán)頻率合成器抗干擾研究［J］.無線電通信技術(shù)，2002，28(5):29－31.