用于無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抑噪分頻頻率綜合器設(shè)計(jì)

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，成都 614000)

0 引言

無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，越來(lái)越多設(shè)備進(jìn)入到人們?nèi)粘Ｉ钪?，在該背景下，為了追求更高頻譜使用效率，增加可攜帶性，多模通信芯片集成了人們研究的重點(diǎn)。頻率綜合器是無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中重要組成部分，可為無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供穩(wěn)定頻率輸出，其性能直接影響通信設(shè)備整體性能。由于市場(chǎng)對(duì)無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求較高，就需調(diào)整整個(gè)協(xié)調(diào)器使用工藝成本，采用傳統(tǒng)協(xié)調(diào)器中的頻率綜合器需要有較高相位噪聲性能，才能滿足人們對(duì)高效率無(wú)線通信的要求[1]。然而，傳統(tǒng)系協(xié)調(diào)器不具備高品質(zhì)協(xié)調(diào)設(shè)備，無(wú)法抑制噪聲[2]。當(dāng)前應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)字多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)頻率綜合器則需要依據(jù)不同調(diào)制方式調(diào)整振動(dòng)信號(hào)，并在保證相位噪聲足夠低的情況下，接收惡化信號(hào)，因此，低相位抑噪分頻頻率綜合器設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)[3]。

用于無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抑噪分頻頻率綜合器設(shè)計(jì)中給出具體思路，針對(duì)傳統(tǒng)頻率綜合器缺點(diǎn)提出改進(jìn)方法，并依據(jù)綜合器特點(diǎn)分析其在無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

無(wú)線衛(wèi)星是指利用人造衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)站，在兩個(gè)或多個(gè)中轉(zhuǎn)站間進(jìn)行通信。依據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌跡，可將同步衛(wèi)星與非同步衛(wèi)星通過(guò)地球站、中轉(zhuǎn)站以及衛(wèi)星上下行鏈路，獲取傳輸信號(hào)，由于非同步衛(wèi)星信號(hào)覆蓋范圍是受到限制的，因此，無(wú)線通信衛(wèi)星之間需依靠星際鏈路連接，以此擴(kuò)大通信范圍。無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2 抑噪分頻頻率綜合器架構(gòu)及關(guān)鍵模塊電路設(shè)計(jì)

分頻頻率綜合器是無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)小型化的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)具有良好相位噪聲性能指標(biāo)。鎖相環(huán)路的基本組成是經(jīng)過(guò)鑒相器相位比較后，添加環(huán)路濾波器，輸出分頻頻率增和其的期望值[4]。由于鎖相環(huán)電路簡(jiǎn)單，具有窄帶濾波特性，因此，采用多層板進(jìn)行處理，可以更高效應(yīng)利用有效空間，實(shí)現(xiàn)較高相位噪聲，避免不必要干擾影響指標(biāo)。兼容多種協(xié)議多模無(wú)線、方便攜帶的無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成為市場(chǎng)主流，根據(jù)通信協(xié)議要求，給出所需設(shè)計(jì)頻率綜合器各項(xiàng)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)[5]。

設(shè)計(jì)的抑噪分頻頻率綜合器是應(yīng)用在高度集成的無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)協(xié)調(diào)器芯片之中的，因此，整個(gè)抑噪分頻頻率綜合器架構(gòu)如圖2所示。

圖2 抑噪分頻頻率綜合器架構(gòu)

整個(gè)架構(gòu)包括鎖相和自動(dòng)頻率校準(zhǔn)兩個(gè)部分，其中鎖相環(huán)路包括頻率分割器、計(jì)數(shù)器、預(yù)定標(biāo)器和管理工具。壓控振動(dòng)器工作在輸出頻率頻段上，通過(guò)頻率分割器產(chǎn)生正交信號(hào)[6]。具體表現(xiàn)為：頻率分割器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)二分頻提供給結(jié)構(gòu)不同等頻段，經(jīng)過(guò)四分頻后，擴(kuò)展頻率分割器。充分考慮可能會(huì)存在的振動(dòng)頻率范圍偏差，綜合分析噪聲整形效果以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，相應(yīng)環(huán)路濾波器也是三階的[7]。

2.1 壓控振動(dòng)器

壓控振蕩器負(fù)責(zé)電壓輸入元件參數(shù)輸入時(shí)，在工作狀態(tài)下對(duì)輸出頻率與輸入電壓函數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO)，進(jìn)行頻率振蕩的有效控制，壓控振蕩器對(duì)電壓輸出頻率與輸入電壓起到了良好的穩(wěn)定作用[8]。課題研究選用MAOC-114850型號(hào)壓控振蕩器，主要負(fù)責(zé)為高容量數(shù)字無(wú)線電應(yīng)用提供點(diǎn)到某個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)的無(wú)線電，無(wú)需任何外部組件匹配。壓控振蕩器在輸出過(guò)程中，具有噪聲低、輸出量少的特點(diǎn)，MAOC-114850型號(hào)震蕩器采用 5 mm符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛封裝，該封裝具有低引腳電感，封裝內(nèi)兼容260℃回流溫度具有良好的熱路徑，被廣泛地應(yīng)用到無(wú)線電通信結(jié)構(gòu)當(dāng)中[9]。LC壓控振蕩器原理電路如圖3所示。

圖3 LC壓控振蕩器原理電路

LC壓控振蕩器電路形成原理是將壓控可變電抗元件插入輸入頻率原件中，振蕩回路圖中T是晶體管，具有諧振頻率的作用；L是回路電感與變?nèi)荻O管C連接而成諧振電路；C1、C2、Cv為回路電容,Cv為變?nèi)荻O管反向偏置時(shí)呈現(xiàn)出的容量;C1、C2通常比Cv大得多。當(dāng)輸入控制電壓u改變時(shí)，Cv隨之變化，振蕩頻率發(fā)生改變[10]。

壓控振蕩器通過(guò)控制輸入電壓來(lái)穩(wěn)定振蕩頻率，在實(shí)際應(yīng)用中十分廣泛，可以應(yīng)用在訊號(hào)產(chǎn)生器、頻率合成器和鎖相回路等。高頻壓控振蕩器通過(guò)壓控振蕩器的輸入產(chǎn)生不同的調(diào)制信號(hào)，電壓控制頻率部分在可變電容二極管C和電感L、電感形成諧振電路[11]。如果提高反向偏置造成變?nèi)荻O管電容變小，并改變兩導(dǎo)體表面的長(zhǎng)度距離，形成LC電路的諧振頻率，不利于電壓控制；相反，當(dāng)反向偏置電壓降低時(shí)，二極管的電容變大，諧振頻率降低。低頻壓控振蕩器的頻率可以通過(guò)改變電容器的充電速率，使產(chǎn)生的電流源在電壓控制范圍之內(nèi)。

2.2 預(yù)分頻器

使用洛捷MB506 直插/DIP8 超高頻預(yù)分頻器芯片作為預(yù)分頻器的核心芯片，8-bit控制計(jì)數(shù)器的分頻比覆蓋范圍較大，而無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)頻率綜合器整個(gè)分頻效果要求較高，預(yù)分頻器滿足了結(jié)構(gòu)通信要求。高速同步數(shù)字電路在工作時(shí)最高頻率為1.6 GHz，而相同頻率下，電路經(jīng)過(guò)多次4分頻操作，降低了頻率綜合器的頻率效果，為減小功耗和面積，需定制數(shù)字電路[12]。

在高速應(yīng)用中為減少功耗，預(yù)分頻器使用了電流模式邏輯結(jié)構(gòu)的方式，采用非邏輯的電阻負(fù)載D觸發(fā)器，有效減小了電容，使該頻率提高響應(yīng)速度。為控制輸出擺幅大小，采用有尾電流源非邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，加快了整個(gè)4/5預(yù)分頻器速度[13]。由于預(yù)分頻器存在固有的自諧振頻率，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需將預(yù)分頻器自諧振頻率設(shè)定在500 MHz左右，促進(jìn)該頻率綜合器快速輸出擺幅驅(qū)動(dòng)的頻率。頻率綜合器設(shè)計(jì)不僅降低了功耗，還對(duì)綜合器頻率起到了穩(wěn)定作用。

2.3 環(huán)路濾波器

在無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用中，由于需要全集成的分頻頻率綜合器，根據(jù)環(huán)路濾波器的片上集成設(shè)計(jì)要求，采用三階無(wú)源環(huán)路濾波器如圖4所示。

圖4 三階環(huán)路濾波器

圖4中，C1是環(huán)路濾波器的第一個(gè)極點(diǎn)，R1與C1起到共同改善相位裕度的作用；C2是環(huán)路濾波器的第二個(gè)極點(diǎn)；抑制整數(shù)和分?jǐn)?shù)的雜散分布；C3是環(huán)路濾波器的第三個(gè)極點(diǎn)，由于無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的高通相位噪聲，造成整個(gè)分頻綜合器所輸出噪聲程度達(dá)到極點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先針對(duì)環(huán)路濾波器的噪聲問(wèn)題，盡可能地增加R1的值，這樣可以有效地減小C1的值，進(jìn)而抑噪制聲，提高整個(gè)頻率綜合器性能。

3 抑噪分頻頻率綜合器性能設(shè)計(jì)

抑噪分頻頻率綜合器的主要性能就是消除抑制噪聲，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于頻率綜合器的抑制相位噪聲和其他雜散音波要求比較高，需要能快速抑制噪聲，而對(duì)于頻率切換時(shí)間以及體積等指標(biāo)要求較少，因此在設(shè)計(jì)時(shí)抑噪分頻頻率綜合器的就是滿足相噪、雜散和頻率步進(jìn)的作用。

頻率綜合器輸出功能主要有兩種：一種為整數(shù)分頻頻率綜合器，通過(guò)參考時(shí)鐘頻率，最后輸出的頻率是時(shí)鐘頻率的整數(shù)倍，被廣泛地應(yīng)用到M收音機(jī)、TV接收機(jī)等類似設(shè)備中；另一種為分?jǐn)?shù)分頻頻率綜合器，在輸出頻率中是參考頻率的N·f倍，其中N是整數(shù)部分，f是分?jǐn)?shù)部分，分?jǐn)?shù)分頻頻率綜合器與整數(shù)分頻相反，需要參考時(shí)鐘信號(hào)的頻率。

分頻實(shí)現(xiàn)方式波形示意圖如圖5所示。

圖5 分頻實(shí)現(xiàn)方式波形示意圖

分頻頻綜在功能設(shè)計(jì)上，采用控制模塊控制分頻器的分頻比，采用多種類的分頻比得到優(yōu)異的分頻效果。頻率綜合器的頻率范圍由相同的通信協(xié)議確定，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中存在工序誤差，因此得出的頻率調(diào)諧范圍大于通信協(xié)議中的范圍，且定壓控振蕩器的最小振蕩頻率也由實(shí)際頻率調(diào)諧范圍確定。對(duì)于不同架構(gòu)的接收發(fā)射機(jī)，它們的頻率范圍也不相同，例如零中頻接收機(jī)的工作頻帶范圍符合協(xié)議規(guī)定，而超外差接收機(jī)需要根據(jù)工作頻率作出相應(yīng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧[14]。

根據(jù)通信協(xié)議中的信道間隔及晶振參考頻率確定整數(shù)分頻頻率綜合器的跳頻間隔，根據(jù)數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器的位數(shù)以及晶振頻率來(lái)確定小數(shù)分頻頻率綜合器的調(diào)頻間隔。通信協(xié)議還規(guī)范了頻率的精度，且允許中頻率綜合器，例如發(fā)射機(jī)的頻率精度出現(xiàn)存在較小的誤差[15]。在PLL鎖定時(shí)間的確定中，跳頻的通信標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸給頻率綜合器，鎖定時(shí)間的確定以跳頻的開(kāi)始為確定時(shí)間，跳頻結(jié)束則按照輸出頻率進(jìn)入頻率精度所要求范圍。

整數(shù)分頻鎖相環(huán)的鎖定過(guò)程需要滿足分頻時(shí)鐘和輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘的頻率相等、相位對(duì)齊等。分?jǐn)?shù)分頻鎖相環(huán)在環(huán)路鎖定之后，輸出時(shí)鐘和參考時(shí)鐘的頻率固定不變。分頻器時(shí)鐘在分頻比受到調(diào)制器控制下，促使分頻器時(shí)鐘不停改變，造成其邊沿難與分頻器時(shí)鐘邊沿保持一致。因此環(huán)路鎖定之后，分頻器時(shí)鐘邊沿在參考時(shí)鐘邊沿附近不停擺動(dòng)，使分頻器時(shí)鐘邊沿平均值與參考時(shí)鐘邊沿對(duì)齊。因此，分?jǐn)?shù)分頻在鎖定過(guò)程與整數(shù)分頻鎖定過(guò)程不同，是一種頻率相等、相位對(duì)齊動(dòng)態(tài)鎖定方式。依據(jù)該方式，實(shí)現(xiàn)分頻頻率綜合器抑噪效果設(shè)計(jì)。

4 測(cè)試結(jié)果

用ADI公司提供的SIMPLL3.0軟件測(cè)試用于無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抑噪分頻頻率綜合器，通過(guò)分析相位噪聲，可研究綜合器分頻效果。

4.1 頻率綜合器技術(shù)規(guī)格

頻率綜合器技術(shù)規(guī)格如表1所示。

表1 頻率綜合器技術(shù)規(guī)格

4.2 雜散諧波調(diào)制

雜散諧波是分頻頻率綜合器主要問(wèn)題，對(duì)于分頻頻率綜合器的分頻頻綜，其雜散諧波成因主要有兩個(gè)，分別是綜合器非線性和寄生耦合。雖然綜合器具有隨機(jī)和噪聲整形作用，但其輸出量化噪聲諧波基本沒(méi)有明顯分頻毛刺，如圖6(a)所示；然而其平方項(xiàng)卻有可能存在豐富分頻毛刺，如圖6(b)所示。

圖6 非線性引起的雜散諧波

分頻頻率綜合器穩(wěn)定性需從非線性引起的雜散諧波方面進(jìn)行考慮，正常狀態(tài)下所有極點(diǎn)都在一定范圍內(nèi)，平方項(xiàng)下穩(wěn)定性是指綜合器中累加器不能飽和溢出。

4.3 相位噪聲

調(diào)制雜散諧波后設(shè)置相位噪聲，分別對(duì)2 GHz和2.5 GHz鎖相環(huán)相位噪聲進(jìn)行分析，如表2和表3所示。

表2 2 GHz鎖相環(huán)相位噪聲

表3 2.5 GHz鎖相環(huán)相位噪聲

針對(duì)2 GHz和2.5 GHz鎖相環(huán)相位噪聲基底研究如圖7所示。

圖7 2 GHz和2.5 GHz鎖相環(huán)相位噪聲基底

由圖7(a)可知：當(dāng)振動(dòng)頻率為1 M時(shí)，環(huán)路濾波器的相位噪聲為-133 dBc；參考源的相位噪聲為-75 dBc；壓控振動(dòng)器的相位噪聲為-69 dBc。當(dāng)振動(dòng)頻率為100 M時(shí)，環(huán)路濾波器的相位噪聲為0；參考源的相位噪聲與壓控振動(dòng)器的相位噪聲一致，都為-155 dBc。由圖7(b)可知：當(dāng)振動(dòng)頻率為100 k時(shí)，環(huán)路濾波器的相位噪聲為-135 dBc；參考源的相位噪聲為-91 dBc；壓控振動(dòng)器的相位噪聲為-67 dBc。當(dāng)振動(dòng)頻率為10 M時(shí)，環(huán)路濾波器的相位噪聲為-140.5；參考源的相位噪聲為-120 dBc；壓控振動(dòng)器的相位噪聲為-83 dBc。

綜上所述：隨著振動(dòng)頻率增加，環(huán)路濾波器的相位噪聲會(huì)消失，而參考源與壓控振蕩器相位噪聲隨著振動(dòng)頻率增加而逐漸下降。為了對(duì)比兩種綜合器在不同相位噪聲下的分頻效果，需選擇100 K和10 M下的壓控振蕩器相位噪聲下進(jìn)行對(duì)比分析。

2 GHz和2.5 GHz下壓控振蕩器相位噪聲最高點(diǎn)是在振動(dòng)頻率為100 K時(shí)，最高相位噪聲依次為-60 dBc、-67 dBc；最低點(diǎn)是在振動(dòng)頻率為10 M時(shí)，相位噪聲依次為-85 dBc、-83 dBc。以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將兩種綜合器的分頻效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4、表5所示。

由表4、5可知，在不同振動(dòng)頻率下抑噪分頻頻率綜合器分頻效果較好，始終維持在90%以上，而傳統(tǒng)綜合器分頻效果較差，始終低于50%，由此可知，用于無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抑噪分頻頻率綜合器具有良好分頻效果。

表4 2 GHz振動(dòng)頻率下兩種綜合器的分頻效果

表5 2.5 GHz振動(dòng)頻率下兩種綜合器的分頻效果

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)應(yīng)用于無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抑噪分頻頻率綜合器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)、功能兩方面對(duì)頻率綜合器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從通信協(xié)議到電路性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換，確定頻率綜合器各項(xiàng)性能指標(biāo)。對(duì)比和總結(jié)已有分頻頻率綜合器，由對(duì)比結(jié)果可知，該綜合器抑噪效果好，能夠通過(guò)環(huán)路擴(kuò)展輸出頻率范圍。從穩(wěn)定性角度出發(fā)，分析環(huán)路中摻雜原因，使相位噪聲滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)要求。

隨著無(wú)線衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷優(yōu)化，需對(duì)設(shè)計(jì)的抑噪分頻頻率綜合器展開(kāi)深入研究?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面改進(jìn)結(jié)構(gòu)：

1)采用片外濾波器，增加設(shè)計(jì)自由度；

2)分?jǐn)?shù)雜散抑制，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)線性度；

3)保證各級(jí)之間驅(qū)動(dòng)電路和輸出消耗電流一致，保證結(jié)構(gòu)具有低功耗優(yōu)勢(shì)。