現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)

1、 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù) 講座講座教師教師 劉光祜劉光祜 Liu GuanghuLiu Guanghu 第一章第一章 頻率合成器基本指標頻率合成器基本指標頻率合成頻率合成由一個參考頻率參考頻率通過電路技術(shù)產(chǎn)生一個或多個頻率信號的 技術(shù)。參考頻率源參考頻率源高穩(wěn)定、高純頻譜基準源基準源，一般是XO、TCXO、OCXO 一、頻率合成器主要指標一、頻率合成器主要指標1、單邊帶相位噪聲、單邊帶相位噪聲 L（fm）（1）基本概念：）基本概念：n因噪聲對輸出頻率隨機調(diào)角造成輸出頻率的瞬時隨機抖動（短期頻率穩(wěn)定度），主譜兩側(cè)產(chǎn)生噪聲邊帶；n在時域，可用阿侖方差表征這種短期頻率穩(wěn)定度；n

2、在頻域，可用相位噪聲表征瞬時頻率穩(wěn)定度；n短穩(wěn)與相噪可以換算Ulrich L.Rohde:【Microwave and Wireless Synthesizers Theory and Design】n相位噪聲單位：dBc/Hz Hz。n L（fm）與基帶上相位噪聲與基帶上相位噪聲（t）功率譜密度的關(guān)系：功率譜密度的關(guān)系： fm付氏頻率，付氏頻率，fm即基帶相位噪聲的頻率基帶相位噪聲的頻率 dBmdBmfLdBfS 3 圖圖2是相位噪聲在是相位噪聲在RF上的測量方法上的測量方法RF上的單邊帶相位噪聲上的單邊帶相位噪聲（2）LC反饋振蕩器關(guān)于相位噪聲的反饋振蕩器關(guān)于相位噪聲的Leeson模型及結(jié)

3、論模型及結(jié)論2021mLmmSS mmSS LmQ20 mS 幾點分析：幾點分析：（半帶寬）時，（半帶寬）時，* * 推論推論 ：振蕩器后接高：振蕩器后接高QH諧振器可使諧振器帶外諧振器可使諧振器帶外 振蕩管振蕩管 應(yīng)采用低噪聲管，且應(yīng)采用低噪聲管，且fc（閃爍噪聲）要低（閃爍噪聲）要低。低和高低和高QL振蕩器相位噪聲譜（冪律譜）的區(qū)別振蕩器相位噪聲譜（冪律譜）的區(qū)別: mLSQ mS 虛線表明，加入高虛線表明，加入高QH諧振器能改善振蕩器的相位噪聲諧振器能改善振蕩器的相位噪聲相位噪聲的重要性（舉例）相位噪聲的重要性（舉例）（1）接收機本振相噪因“倒易混頻”進入中頻通帶；（2）AMTI/PD雷

4、達中載波相噪會降低“改善因子”；（3）復(fù)雜數(shù)字調(diào)制（如QAM）接收機中，本征相噪下降，誤碼率增加2、非諧波雜散、非諧波雜散（1）基本概念：）基本概念： * 除輸出頻率之外的其它寄生信號（不含噪聲）相對于主譜的最大功率。 *單位：dBc； *雜散一般是以寄生調(diào)頻邊帶形式產(chǎn)生（見圖六b）.（2）產(chǎn)生雜散的原因：）產(chǎn)生雜散的原因： * PLL頻綜：鑒相雜散，分數(shù)雜散； * DDS頻綜：原因、成分復(fù)雜； *混頻的組合干擾； *時鐘寄生調(diào)頻； *電源50Hz寄生調(diào)頻。圖 六a 相位噪聲圖 六b 鑒相雜散（3）強調(diào)雜散抑制指標的意義）強調(diào)雜散抑制指標的意義3、跳頻時間、跳頻時間（1）基本概念：）基本概念：

5、頻綜從f1跳至f2，在誤差范圍內(nèi)所需時間，數(shù)量級：sms；（2）跳頻時間的重要性：）跳頻時間的重要性：捷變頻體制；（3）跳頻時間測量：）跳頻時間測量：調(diào)制域分析儀、信號分析儀、存貯示波器；二、頻率合成器的其他指標二、頻率合成器的其他指標4、頻率漂移、頻率漂移（1）頻率溫漂頻率溫漂 ppm（106）（工作溫度范圍）（2）頻率時漂（老化率）頻率時漂（老化率） ppm/時間長期頻率穩(wěn)定度 頻率漂移由頻率合成器的參考源唯一確定。5、輸出頻率和分辨率（步長）、輸出頻率和分辨率（步長） 窄帶源、寬帶源、點頻源6、諧波抑制、諧波抑制 諧波是波形指標，并非寄生雜散7、輸出功率及功率波動、輸出功率及功率波動 功

6、率波動指標較高時，需要穩(wěn)幅8、跳頻方式：、跳頻方式：串口、并口9、負載牽引：、負載牽引：輸出口指標對負載的敏感度，可用隔離器輸出消除。 第二章第二章 直接頻率合成（直接頻率合成（DS） 直接頻率合成是只采用非線性單元電路（混頻、分頻、倍頻等）實現(xiàn)頻率合成的技術(shù)。一、放大器對輸出相噪的影響一、放大器對輸出相噪的影響1、加性噪聲會引起的放大器相位噪聲、加性噪聲會引起的放大器相位噪聲 放大器的相噪基底放大器的相噪基底（圖八的分析結(jié)論）：siPFkTS對數(shù)表示：對數(shù)表示：dBmdBdBdBmsiPF174S分析分析：F siP SF 放大器噪聲系數(shù)；Psi 放大器輸入功率T 2、閃爍噪聲、閃爍噪聲 （

7、1/ fc噪聲） 閃爍噪聲成因復(fù)雜，它使近端相噪基底抬高?？紤]fc時的近似公式：mcsiffPFkTS1二、混頻器輸出的相位噪聲二、混頻器輸出的相位噪聲LSI SL和不相關(guān)， 二者功率譜密度相加 mmmfSfSfSLSI 幾點分析：幾點分析： * 混頻器輸出相噪由相噪差的一路決定； * 兩輸入信號相噪相同時，輸出相噪惡化3dB； * 混頻是提高頻綜輸出頻率而不惡化相噪的重要手段。三、倍頻器輸出的相位噪聲三、倍頻器輸出的相位噪聲分析圖12，理想倍頻時：NfLfLmimlg200倍頻器件：倍頻器件： *集成倍頻器（有源、無源） *分立元件：二、三極管、變?nèi)莨?、SRD；一個問題一個問題：20lgN的

8、惡化是否不能超越？否四、分頻器輸出的相位噪聲四、分頻器輸出的相位噪聲圖13示例： A整體倍頻 B倍頻鏈中插入窄帶濾波(高Q) CPLL倍頻由圖14，理想理想分頻時： NfLfLmimlg200分頻器存在底噪（觸發(fā)相位噪聲），導(dǎo)致相噪的降低可能達不到上述值圖十五 某集成分頻器的底噪五、直接頻率合成器舉例五、直接頻率合成器舉例功能：功能：5MHz參考源，輸出：4080MHz，1Hz步長缺點：缺點：設(shè)備量極大如改用新技術(shù)如改用新技術(shù)DDS（1片）+單片機，設(shè)備大大簡化圖十六 直接頻率合成器實例第三章第三章 鎖相頻率合成（鎖相頻率合成（PLL FS）一、數(shù)字分頻一、數(shù)字分頻PLL頻率合成器基本原理頻率

9、合成器基本原理圖十七 基本PLL頻率合成框圖 缺點：缺點： * 單模前置分頻提高了輸出頻率，但使分辨率降低(分辨率為VfPD)； * 采用電壓輸出PFD，存在死區(qū)、且對LF要求高。二、二、PLL FS IC主流技術(shù)之一主流技術(shù)之一 雙模前置分頻雙模前置分頻（吞脈沖技術(shù)）（吞脈沖技術(shù)）圖十八 雙模分頻PLL頻率合成器框圖 PDVfAPBf *分辨率分辨率: 仍為fPD， *常用p/p+1：4/5，8/9，16/17，32/33，64/65 *單片F(xiàn)S IC已高達8GHz以上。BA三、三、PLL FS IC主流技術(shù)之二主流技術(shù)之二 電荷泵輸出電荷泵輸出PFD圖十九 電荷泵輸出PFD示意圖采用電荷泵

10、PD后的PLL相位模型：圖二十 電荷泵PLL頻綜相位模型典型環(huán)路濾波器：其中：21211CCCCRTc222CRT 333CRT RRKfA1圖二十一 三環(huán)路濾波器LF的傳遞函數(shù)因電荷泵而成為阻抗函數(shù)： sIsVsZdc環(huán)路傳輸： 213112200111TTSTSTCNSSTkkkNsHsTAd 結(jié)論：采用電荷泵結(jié)論：采用電荷泵PD，無源無源LF也使也使PLL成為成為4階階二型二型PLL。關(guān)于設(shè)計方法：關(guān)于設(shè)計方法：軟件： * ADI Sim PLL * NSC Easy PLL資料： *NSC AN 1001 * Dean Banerjee: NSC PLL performance, Si

11、mulation and Design 關(guān)于單片關(guān)于單片PLL FS的跳頻送數(shù)方式的跳頻送數(shù)方式 一般為三線（一般為三線（CLOCK，DATA，LE）串口送數(shù)）串口送數(shù) 四、輸出相位噪聲估算四、輸出相位噪聲估算圖二十二 PLL頻綜輸出相噪示意圖PLL FS的相噪：的相噪： NfHzPNfLPDmlg20lg10)1 (例：采用ADF4106， MHzfPD1 MHzfV1000 Hz/dBc)Hz(PN2191 其中其中fPD鑒相頻率N對fPD的倍頻值PN(1Hz)： 鑒相器的1Hz歸一化低噪則： Hz/dBclglgfLm99110002010102196 相噪差的VCO對環(huán)路帶寬內(nèi)相噪仍存

12、在影響.環(huán)路帶寬以外的相噪主要由環(huán)路帶寬以外的相噪主要由VCO的相噪決定。的相噪決定。 五、主要雜散與跳頻時間五、主要雜散與跳頻時間 鑒相雜散鑒相雜散IN-PLL-FS的最主要雜散； 分數(shù)雜散分數(shù)雜散FN-PLL-FS的最主要雜散； 跳頻時間跳頻時間 環(huán)路帶寬wn 增加， 減小，但上述兩種雜散會增加 ； PLL FS的跳頻時間一般數(shù)十s以上wn選取原則：選取原則： PDnf（IN-PLL） 2分fc（FN-PLL） 六、采用電壓輸出型六、采用電壓輸出型PD的頻率合成器的頻率合成器無阻尼振蕩頻率無阻尼振蕩頻率 110 Nkkn 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) 22 n )121( 一般取圖二十三應(yīng)用應(yīng)用：*

13、PLL FS IC的典型產(chǎn)品PE3236 *模擬PLL：采用分立的PFD，其底噪可低至-230dBc/Hz以下；七、分數(shù)分頻鎖相頻率合成（七、分數(shù)分頻鎖相頻率合成（FN-PLL-FS） PLL FS主流技術(shù)之三主流技術(shù)之三公式：公式： PDvfMkNf 分子取值分子取值 MK0 步長步長 MfPD圖二十四特點：特點：* 步長fPD，實現(xiàn)了細步長，但并未降低相噪(仍用22頁公式)； * 分數(shù)雜散出現(xiàn)，可能很靠近主譜線（距主譜最近值為 ） MfPD2 圖二十五 某FS-PLL-FS的分數(shù)雜散實例*具有快鎖功能的FN-FS，可實現(xiàn)20s；*有各種減小分數(shù)雜散的措施與專利，-調(diào)制技術(shù)；*單片F(xiàn)N PL

14、L FS 已可工作在6GHz第四章第四章 直接數(shù)字頻率合成（直接數(shù)字頻率合成（DDS）一、一、DDS基本原理基本原理 DDS基本思想基本思想：從相位概念出發(fā)來完成數(shù)字波形合成；圖二十六 DDS基本原理框圖原理：原理：信號周期相位為2，每個時鐘相位累加一次；最小相位增量 N22 完成2相位（一周期）經(jīng)過的時鐘個數(shù)kknNN2222 FCW=k 時，每次累加相位增量Nk22 DDS輸出信號的周期cLkfnT10 輸出頻率輸出頻率 二、二、DDS的特點的特點1、低相位噪聲低相位噪聲 *DDS實為特殊小數(shù)分頻器； *近端相噪由時鐘相噪決定，在DDS底噪之上還可因分頻而優(yōu)化； *DDS底噪可低達-150

15、dBc/Hz，它決定了DDS輸出的遠端相噪。2、輸出頻率不高輸出頻率不高（Niquist準則）工程上， ， 已高達數(shù)GHz；3、雜散復(fù)雜雜散復(fù)雜 雜散指標與輸出帶寬有關(guān)，可用分段濾波抑制雜散。4、快跳頻，相位連續(xù)跳頻、快跳頻，相位連續(xù)跳頻 全并口時，可小于100ns，控頻碼經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸入時，可達s量級。kfnfTfNCLKCLK 2100cff4 . 00 cf分辯率：分辯率： NCLKf2圖二十七 AD9858雜散與輸出帶寬的關(guān)系 Nfc0f使用體會：使用體會： * 高雜散常出現(xiàn)在 附近越小于 fc*正確選取輸出頻段，可減小雜散；*改變 fc， ，可有意外收獲；，雜散越??；*第五章 微波頻率

16、合成方案綜述一、跳頻源一、跳頻源1、基本PLL方案（1）采用IN-PLL-FS芯片圖二十八 整數(shù)分頻基本環(huán)頻率合成框圖（2）采用FN-PLL-FS芯片圖二十九 分數(shù)分頻基本環(huán)頻率合成器框圖 2、混頻、混頻PLL方案（方案（M/N環(huán)，相加環(huán)）環(huán)，相加環(huán)）（1）PLL內(nèi)下混頻圖三十 PLL內(nèi)下混頻方框圖 *雜散輸出相對下面的方案較少，但需要VCO的頻率高，VCO指標差些。 *要注意本振泄漏，產(chǎn)生雜散。(2)PLL外上混頻圖三十一 PLL環(huán)外上混頻方框圖* 因混頻器在PLL外，輸出雜散因而很多，要認真分析，避免在帶內(nèi)出現(xiàn)；* VCO頻率低，其相噪指標較高，成本可能低些。圖三十三 DDS+PLL常用方

17、案 輸出： NfkfcN 20特點：特點：細步長，跳頻時間長，通帶內(nèi)雜散惡化N lg20 (2)PLL內(nèi)插DDS圖三十四PLL內(nèi)插DDS方案輸出： DDSPDffNf 0NN 特點：特點： * 細步長，DDS雜散不惡化，為定值時，可實現(xiàn)快頻，變化可實現(xiàn)寬帶輸出。N 4、DDS+PLL方案方案 (1)DDS作為PLL參考源*(3)DDS作為作為PLL的程序分頻器的程序分頻器輸出輸出： PDfKNf20 特點：特點：細步長，低相噪，但 圖三十五 作PLL的程序分頻方案maxmaxcoff 5、多、多PLL頻率合成頻率合成儀器中常用。例：HP8662A，7個PLL， Hz1 . 0/MHz1280k

18、Hz10 of例一：用分頻產(chǎn)生低位環(huán)例一：用分頻產(chǎn)生低位環(huán)圖三十六 雙PLL方案一輸出： MfNfNfPDAPDBo 特點：特點：細步長，但倍頻值仍不大。例二：低位環(huán)用較小的例二：低位環(huán)用較小的fPD輸出：PDBBPDABofNfNf 二、點頻源二、點頻源 1、所有跳頻源均可實現(xiàn)點頻源； 2、采用PLL方案時，用高Q VCOVCXO，CRO，DRO； 3、晶振倍頻/倍頻鏈圖三十六 雙PLL方案一 第六章第六章 設(shè)計實例設(shè)計實例輸入?yún)⒖迹篗Hz10 Rf，TCXO；輸出頻率： MHz329031900 f步 長： 1k Hz 相位噪聲： 95dBc/Hz10kHz dBdBm110 P1dB方案：方案： * 用AD4252實現(xiàn)1kHz步長(PLL1) * 用AD4106產(chǎn)生點頻（PLL2)，fV2=3GHz，4fR作為f * PLL1環(huán)內(nèi)下混頻 *AD4252最大允許1PDf的確定：PDVfMkNf kHz1maxmax MfPD MHz095. 414095max/ kfPD取4252的R=4，fPD1=2.5MHz，M=2500雜 散：4