毫米波頻率合成方式的若干基本方式淺析

謝瀟

摘 要 本文首先針對毫米波頻率源的性能指標(biāo)展開必要的分析，而后進(jìn)一步在此基礎(chǔ)之上，面向頻率合成的幾個(gè)主要基本方式加以討論。

關(guān)鍵詞 毫米波;頻率;合成;方式

當(dāng)前無線通信領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，直接給頻譜資源帶來壓力。多種新型技術(shù)工作頻率不斷提升，已經(jīng)進(jìn)入到毫米波的頻段之中，在這樣的技術(shù)背景推動(dòng)之下，相應(yīng)的頻率源等都會(huì)隨之做出調(diào)整。但是不容忽視的一個(gè)問題，是毫米波頻率與射頻頻率和微波低段頻率的特性差別較大，在合成技術(shù)方面無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)，相應(yīng)的性能和指標(biāo)等細(xì)節(jié)也存在差異。這就在明確考察指標(biāo)的基礎(chǔ)之上，對毫米波頻率合成方案進(jìn)行考察，才能為其加強(qiáng)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1頻率源的性能指標(biāo)分析

頻率源的性能指標(biāo)，在一定程度上是依賴于其應(yīng)用環(huán)境的，不同的應(yīng)用環(huán)境，對于性能會(huì)提出不同的要求。但同時(shí)，一個(gè)頻率源的指標(biāo)是包括多個(gè)細(xì)節(jié)項(xiàng)的，這些細(xì)節(jié)項(xiàng)之間存在短板特征，即某一個(gè)指標(biāo)的不達(dá)標(biāo)，會(huì)造成系統(tǒng)整體運(yùn)行水平不佳。在這樣的背景之下，可以重點(diǎn)從如下幾個(gè)方面加強(qiáng)對于毫米波頻率源指標(biāo)的落實(shí)。雖然不同應(yīng)用環(huán)境對于指標(biāo)的要求可能存在差異，但是仍然可以作為重要參考。

（1）頻率范圍：即系統(tǒng)需要明確輸出頻率的最小和最大值，這是衡量一個(gè)頻率源穩(wěn)定性的根基所在。

（2）頻率步進(jìn)：這是用于標(biāo)記兩個(gè)單點(diǎn)輸出頻率之間最小頻率間隔的指標(biāo)。對于目前商用的PLL芯片而言，其步進(jìn)取決于小數(shù)分頻的寄存器位數(shù)和鑒相頻率。而對于DDS頻率步進(jìn)來說，則主要受到參考時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)的影響，與PLL相比，DDS的步進(jìn)范圍要小得多。

（3）調(diào)頻時(shí)間：即所輸出的兩個(gè)單點(diǎn)頻率之間的過渡時(shí)間間隔。將PLL和DDS二者進(jìn)行對比，就可以發(fā)現(xiàn)DDS具有顯著優(yōu)勢。目前PLL的調(diào)頻時(shí)間要依賴環(huán)路鎖定時(shí)間而確定，其迭代特征明顯，所以對應(yīng)的需要時(shí)間也比較長，多保持在us數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。而DDS則依賴時(shí)鐘頻率和相位累加器的位數(shù)來確定調(diào)頻時(shí)間，因此其對應(yīng)的時(shí)間保持在ns數(shù)量級(jí)水平。

（4）輸出功率：該參數(shù)用以規(guī)定頻率源輸出功率的最小值，從而保證能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。除此以外，系統(tǒng)指標(biāo)通常也會(huì)對輸出功率的抖動(dòng)作出規(guī)定，要求其保持相對的平穩(wěn)狀態(tài)。

（5）雜散以及諧波：其中前者是指信號(hào)輸出頻率近端的干擾信號(hào)，而后者則是指輸出頻率的數(shù)倍頻率處的干擾信號(hào)。使用濾波器可以有效地將諧波信號(hào)進(jìn)行濾除，但是對于雜散信號(hào)，由于其存在于輸出頻率附近，因此難以有效用濾波器剔除，通常會(huì)考慮采用調(diào)整頻率規(guī)劃，以及優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)的方式才能實(shí)現(xiàn)控制。在PLL系統(tǒng)中，參考雜散比較常見，由電荷泵源的電流泄露和失配而產(chǎn)生，可以通過提升鑒相頻率、減小輸出頻率與鑒相頻率的余數(shù)等方式來實(shí)現(xiàn)控制。而在DDS系統(tǒng)中，源于參考時(shí)鐘的雜散，以及相位截?cái)嚯s散和相位幅度轉(zhuǎn)換雜散比較常見，除此以外，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)字信號(hào)也同樣會(huì)帶來雜散信號(hào)。對于此類問題，大多需要通過增大輸入時(shí)鐘頻率，或者使用輸出頻率的低頻段等手段進(jìn)行優(yōu)化。

（6）相位噪聲：從根本上看，這個(gè)概念是信號(hào)在頻域上的一種度量，多表現(xiàn)為時(shí)鐘抖動(dòng)。對于PLL系統(tǒng)而言，其相位噪聲多源于參考信號(hào)、鑒相器、壓控振蕩器和電荷泵等幾個(gè)方面，而DDS系統(tǒng)中，這一方面的問題則源于參考時(shí)鐘和數(shù)模轉(zhuǎn)換器兩個(gè)方面。相比之下，DDS系統(tǒng)更能實(shí)現(xiàn)對于相位噪聲問題的優(yōu)化[1]。

2頻率合成的基本方式淺議

在對相關(guān)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了了解的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步可以對混合頻率合成的基本方式加強(qiáng)剖析。傳統(tǒng)的單純對信號(hào)進(jìn)行簡單運(yùn)算操作就進(jìn)行輸出的方式，在當(dāng)前已經(jīng)不再適用，PLL和DDS成為新的基本工作單元。就技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r而言，常見的混合模式包括如下幾種：

2.1 環(huán)內(nèi)混頻式合成

此種方式是將混頻器放在PLL環(huán)內(nèi)，使VCO與DDS二者的輸出頻率進(jìn)行混頻，從而在合成器輸出中引入DDS頻率，使合成器能夠以相對較小的頻率步進(jìn)運(yùn)行，達(dá)到優(yōu)化PLL步進(jìn)的整體目標(biāo)。其輸出頻率參見式（1）。

此種合成方式，環(huán)路變頻時(shí)間由DDS控制，本身就是一種對于PLL調(diào)頻時(shí)間的優(yōu)化。但是此種合成結(jié)構(gòu)對于環(huán)內(nèi)帶通濾波器的要求比較高，必須引起注意。

2.2 環(huán)外混頻式合成

此種合成方式是將混頻器放置于PLL環(huán)外，讓VCO輸出頻率與DDS輸出頻率實(shí)現(xiàn)混頻輸出。此種方式與環(huán)內(nèi)方式相似，其步進(jìn)和變頻時(shí)間均由DDS進(jìn)行確定。其輸出頻率與環(huán)內(nèi)混頻方案保持一致。

并且此種結(jié)構(gòu)對于環(huán)外BPF要求同樣較高。而雜散和噪聲，也會(huì)因?yàn)镈DS而直接疊加在輸出信號(hào)中，并無法通過環(huán)內(nèi)濾波器的參與而實(shí)現(xiàn)有效剔除。因此此種方案的噪聲，是DDS和PLL雙方的疊加，相對而言比較嚴(yán)重。

2.3 環(huán)內(nèi)分頻式合成

這是將DDS直接作為環(huán)內(nèi)分頻器進(jìn)行使用的工作方式，其輸出頻率參見式（2）。

在式（2）中，將DDS的相位累加器位數(shù)定義為N，其頻率控制字用K表示，則DDS可以實(shí)現(xiàn)對于頻率步進(jìn)的控制，并且使得PLL的頻率步進(jìn)得到優(yōu)化。對于此種方案而言，PLL的輸出頻率會(huì)受到DDS的制約，并且DDS的輸出噪聲和雜散也會(huì)浸入到PLL體系之中。總體來說，環(huán)路帶寬外的噪聲會(huì)有所改善，但是帶寬內(nèi)的噪聲卻會(huì)惡化。

2.4 直接激勵(lì)式合成

此種合成方案，是將DDS作為PLL的參考源加以使用，對應(yīng)的輸出頻率參見式（3）。

式（3）中，頻率步進(jìn)問題由DDS和PLL兩個(gè)方面共同實(shí)現(xiàn)控制，這種狀態(tài)是對于DDS優(yōu)質(zhì)步進(jìn)的一個(gè)抑制，但是如果將此種方式的步進(jìn)與PLL進(jìn)行對比，則可以發(fā)現(xiàn)仍然存在優(yōu)勝之處。此種方案的調(diào)頻時(shí)間由PLL確定，環(huán)路帶寬外的噪聲和雜散等問題，可以通過濾波器進(jìn)行改善，而對于環(huán)路帶寬內(nèi)的噪聲和雜散等問題，則會(huì)經(jīng)過PLL倍增到輸出信號(hào)[2]。

3結(jié)束語

實(shí)際工作中，為了適應(yīng)具體的需求，還需要依據(jù)情況來對不同的方案合理取舍，優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能充分利用DDS和PLL二者的優(yōu)勢，產(chǎn)出更為合理高效的頻率合成方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 胥鑫.微波毫米波雷達(dá)頻率源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[2] 詹銘周.小型毫米波頻率合成技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.