基于鎖相環(huán)的頻率綜合器技術(shù)探討

張心澤 周金亮

【摘 要】隨著微波通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)通信設(shè)備的要求也越來越高。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，基于鎖相環(huán)的頻率綜合器具有頻率穩(wěn)定度高、使用靈活、控制方便、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高電子系統(tǒng)的控制效果具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)基于鎖相環(huán)的頻率綜合器技術(shù)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】鎖相環(huán)；頻率綜合器；鑒頻鑒相器；晶體振蕩器

21世紀(jì)是信息技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代，以微電子為基礎(chǔ)的電子技術(shù)是推動(dòng)信息技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻率綜合器在射電天文、衛(wèi)星導(dǎo)航、通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)測(cè)量等電子信息通信領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。在這些先進(jìn)的電子系統(tǒng)中，高質(zhì)量的頻率綜合器是不可或缺的。頻率綜合器的性能在很大程度上牽制了電子系統(tǒng)的性能，因此，各類電子系統(tǒng)對(duì)頻率綜合器的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和分辨率提出越來越高的要求。如何設(shè)計(jì)出寬頻帶、高分辨率、低相噪、低成本以及高穩(wěn)定性的頻率綜合器，早已成為了當(dāng)今研究的熱門課題。

一、鎖相環(huán)及頻率綜合器簡(jiǎn)介

（一）鎖相環(huán)

最基本的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)主要包括鑒相器、低通濾波器、VCO等，輸入信號(hào)由晶體振蕩器提供，輸出信號(hào)可以直接或間接的作為收發(fā)系統(tǒng)中的本振信號(hào)。雖然單個(gè)VCO電路便可以通過自身振蕩產(chǎn)生頻率信號(hào)，但容易受到PVT的影響，使振蕩頻率發(fā)生改變，直接影響到收發(fā)機(jī)的調(diào)制和解調(diào)過程，產(chǎn)生很高的誤碼率甚至使系統(tǒng)無法正常工作。晶體振蕩器可以保持較高的頻率穩(wěn)定度，其中石英振蕩器的頻率穩(wěn)定度在-25ppm到+25ppm范圍內(nèi)。研究人員將VCO和晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，便提出了鎖相環(huán)的概念。

（二）頻率綜合器

頻率綜合器也可以稱為頻率合成器，其實(shí)質(zhì)就是發(fā)射機(jī)的激勵(lì)信號(hào)源。頻率合成是指由一個(gè)或多個(gè)頻率穩(wěn)定度很高的參考信號(hào)源通過頻率域的線性運(yùn)算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度的大量頻率的過程。頻率綜合器應(yīng)用較多的技術(shù)如下：第一，直接頻率合成技術(shù)，利用采樣定理通過查表的方法產(chǎn)生波形，其優(yōu)點(diǎn)是頻率切換響應(yīng)快、分辨力較高、相位連續(xù)等，缺點(diǎn)是輸出頻率范圍有限、輸出雜散大；第二，鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，它利用鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的加、減、乘、除，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、可合成任意頻率，缺點(diǎn)是頻率切換響應(yīng)慢。

二、基于鎖相環(huán)的頻率綜合器技術(shù)

基于鎖相環(huán)的頻率綜合器是目前最為廣泛的一種頻率綜合器，基于鎖相環(huán)的頻率綜合器的基本結(jié)構(gòu)主要由鑒頻鑒相器、分頻器、壓控振蕩器、晶體振蕩器和環(huán)路濾波器等構(gòu)成，其基本原理如圖1所示。晶體振蕩器產(chǎn)生的高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的輸出頻率作為鑒頻鑒相器的參考時(shí)鐘信號(hào)，決定了頻率綜合器輸出頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。壓控振蕩器工作在鎖相環(huán)頻率綜合器的最高頻率，是鎖相環(huán)頻率綜合器的重要模塊。

（一）鑒頻鑒相器

鑒頻鑒相器根據(jù)處理信號(hào)的不同可以分為模擬和數(shù)字鑒頻鑒相器兩大類，其中，模擬鑒頻鑒相器的缺陷是存在著零點(diǎn)漂移、窄鑒相鑒頻范圍等，而數(shù)字鑒頻鑒相器則不存在零點(diǎn)漂移，抗干擾能力很強(qiáng)。鑒頻鑒相器主要作用是比較晶體振蕩器的輸出參考頻率fref和分頻器的輸出頻率fdiv的頻率和相位，產(chǎn)生兩信號(hào)的電壓誤差信號(hào)。當(dāng)鎖相環(huán)開始工作時(shí)，若fref與fdiv相差比較大時(shí)，鑒頻鑒相器與環(huán)路濾波器共同工作，改變壓控振蕩器的控制電壓，當(dāng)兩個(gè)頻率足夠接近時(shí)，鑒頻鑒相器進(jìn)行兩個(gè)信號(hào)的相位比較。

（二）分頻器

分頻器是鎖相環(huán)頻率綜合器中工作在最高頻率的子電路，利用分頻系數(shù)N把壓控振蕩器輸出的信號(hào)變?yōu)樵瓉淼腘倍，然后與來自石英晶體振蕩器的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較。在低頻應(yīng)用中，可以通過可編程數(shù)字計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)可編程分頻系數(shù)N，但是它不適應(yīng)于高頻應(yīng)用，CMOS工藝技術(shù)下，數(shù)字計(jì)數(shù)器的最高工作頻率會(huì)受到限制。高頻鎖相環(huán)頻率綜合器又是射頻系統(tǒng)不可缺少的電路之一，通過加入高頻多模預(yù)置分頻器可以解決高速壓控振蕩器和低速數(shù)字計(jì)數(shù)器之間的速度問題。

（三）晶體振蕩器

鎖相振蕩源具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、易于集成等突出優(yōu)點(diǎn)，因而成為通信、雷達(dá)、武器制導(dǎo)和電子測(cè)量?jī)x器等系統(tǒng)的核心部件。為了提高頻率穩(wěn)定度，經(jīng)常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它不能滿足頻率個(gè)數(shù)多的要求，因此，目前大量采用頻率合成技術(shù)。通過對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，可從一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。

（四）壓控振蕩器

壓控振蕩器是鎖相環(huán)系統(tǒng)的核心電路，它是鎖相環(huán)系統(tǒng)工作頻率最高的電路。隨著壓控振蕩器的發(fā)展的不斷進(jìn)步，對(duì)其集成度的要求越來越高，其小面積和簡(jiǎn)單化的使用為設(shè)計(jì)者帶來了很大的方便。鎖相環(huán)的核心電路模塊是壓控振蕩器，其性能指標(biāo)直接影響鎖相環(huán)的性能指標(biāo)，同時(shí)調(diào)諧范圍寬、相位噪聲低和節(jié)省成本等是壓控振蕩器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（五）環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器的主要作用是濾除環(huán)路中的低頻噪聲，減小加在壓控振蕩器上的噪聲電壓，同時(shí)建立鎖相環(huán)頻率綜合器的動(dòng)態(tài)特性；環(huán)路濾波器的階數(shù)由其極點(diǎn)的個(gè)數(shù)決定，由于壓控振蕩器會(huì)在零頻率處引入一個(gè)極點(diǎn)，因此整個(gè)鎖相環(huán)頻率綜合器的階數(shù)比環(huán)路濾波器的階數(shù)大一個(gè)。為了獲得較高精度的輸出信號(hào)頻率，同時(shí)防止參考信號(hào)的泄漏，必須使用帶寬很窄的濾波器。

三、結(jié)束語

總而言之，鎖相環(huán)頻率綜合器廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域中，其本身就是一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)、模、射頻混合系統(tǒng)。鎖相環(huán)頻綜器的輸出可以作為各種收發(fā)機(jī)的本地振蕩信號(hào)，還可以完成調(diào)制、解調(diào)和載波恢復(fù)等功能，因此，不斷完善基于鎖相環(huán)的頻率綜合器技術(shù)具有重要意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]梁亮.低電壓CMOS分?jǐn)?shù)分頻鎖相環(huán)頻率綜合器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2016.