現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座

1、現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座第一章 相位噪聲一、基本概念相位噪聲（相噪）噪聲（加性噪聲、閃爍噪聲等）引起頻率源輸出相位的隨機(jī)起伏； 相位噪聲；噪聲調(diào)相；零均值隨機(jī)變量； 噪聲調(diào)頻；噪聲邊帶； 頻率的瞬時起伏短期頻率穩(wěn)定 (短穩(wěn))。結(jié)論：相位噪聲是噪聲對主譜的隨機(jī)調(diào)角（調(diào)頻、調(diào)相）二、相位噪聲的度量1、相位噪聲的功率譜密度 簡單分析：單一頻率產(chǎn)生的 噪聲調(diào)相： 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 有效值（應(yīng)理解為統(tǒng)計值） 單位 B測試等效帶寬 的數(shù)學(xué)含義： 自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換，成立2、在RF定義的單邊帶相位噪聲功率譜密度L(fm) 沒有相噪的理想頻譜 實際的輸出，

2、相噪常用測量方法 定義 單位 單位： 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座當(dāng) 時，可證明3、短穩(wěn)的阿侖方差（無間歇二采樣方差） 相位噪聲的時域指標(biāo)取樣時間，M測量次數(shù)采用阿侖方差的原因：頻率短穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)方差對某些相噪因數(shù)不收斂。阿侖方差與相位噪聲譜密度的關(guān)系：公式使用上的困難： ？ ， ？4、剩余調(diào)頻 在一定帶寬內(nèi)，噪聲調(diào)頻產(chǎn)生的頻偏的統(tǒng)計值 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座三、相位噪聲的產(chǎn)生機(jī)理1、加性噪聲引起放大器的相位噪聲基底模型： 矢量圖：分析結(jié)果：放大器相位噪聲功率譜密度（基底）為 或2、閃爍噪聲（噪聲）使放大器近端相位噪聲惡化 Fc 噪聲轉(zhuǎn)角頻率 放大器相噪基底， 噪聲 現(xiàn)代微波頻率合成器技

3、術(shù)應(yīng)用講座3、振蕩器的相位噪聲（1） Leeson模型及結(jié)論 其中振蕩器相噪功率譜密度：幾個結(jié)論：（1） 振蕩器相噪大于放大器相噪 （2） （半帶寬）時， 靠近輸出頻率，相噪惡化 （3） 高Q振蕩器的相噪指標(biāo)高現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座（2） 振蕩器相位噪聲的冪律譜結(jié)構(gòu)將表式 代入 后 白調(diào)相噪聲； 白調(diào)頻噪聲； 閃爍調(diào)相噪聲； 閃爍調(diào)頻噪聲； 高Q與低Q振蕩器的差別： 時（高Q） 時（低Q） 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 晶振與LC-VCO的差別 加入高Q諧振器 對振蕩器相位噪聲的改善四、相位噪聲對電路系統(tǒng)的影響1、相位噪聲使信號解調(diào)后基帶信噪比下降；2、接收機(jī)本振相位噪聲可能使信號干

4、擾經(jīng)“倒易混頻”進(jìn)入中頻通帶?，F(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座3、多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)（如QAM）對相位噪聲提出更高要求 例：LO相噪引起QAM狀態(tài)偏移，產(chǎn)生誤碼 16-QAM星座圖通信領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)舉例： Sensitivity of Single-carrier QAM Systems to phase Noise Arising from the Hot-carrier effect 2006 IEEE Analysis of the effects of phase Noise in Filtered Multi-tone (FMT) Modulated systems 2004 IEEE

5、Effect of Carrier Frequency Offset and Phase Noise on the Performance of WFMT Systems 2006 IEEE Effect of Phase Noise on RF Communication Singles 2000 IEEE現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 Effect of Frequency Instability Caused by Phase Noise on the Performance of Fast FH Communication System 2004 IEEE Effect of RF O

6、scillator Phase Noise on Performance of Communication System 2004 IEEE Local Oscillator Phase Noise and Effect on correlation Millimeter wave Receiver Performance Understanding the Effects of Phase Noise in Orthogonal Frequency Division Multiplexing 2001 IEEE4、相位噪聲對OFDM系統(tǒng)性能的影響是當(dāng)前熱門學(xué)術(shù)話題OFDM相關(guān)文獻(xiàn)舉例： Ef

7、fects of Phase Noise at 60th Transmitter and Receiver on the Performance of OFDM Systems 2006 IEEE Compensation of Phase Noise in OFDM wireless Systems 2007 IEEE Common Magitude error Due to Phase Noise in OFDM Systems 2007 IEEE現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 Analysis of Phase Noise Effects on Time-Direction Differ

8、ential OFDM Receivers 2005 IEEE Performance Analysis of OFDM Systems with Phase Noise 2007 IEEE On the Detection of OFDM Signals in the Presence of Strong Phase Noise On the Calculation of OFDM Error Performance with Phase Noise in AWGN and Fading Channels 2006 IEEE5、相位噪聲直接影響各種體制雷達(dá)的指標(biāo) 雷達(dá)體制 受相位噪聲影響的參

9、數(shù) 多普勒測速雷達(dá) 測速精度 脈沖壓縮雷達(dá) 距離精度，虛假回波 動目標(biāo)顯示雷達(dá) 改善因子 脈沖多普勒雷達(dá) 雜散下能見度 合成孔徑雷達(dá) 天線方向圖現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座定量分析專著：空間跟蹤和通信用地面發(fā)射機(jī)系統(tǒng)設(shè)計郭衍瑩 國防工業(yè)出版社 1984舉例：MTI雷達(dá)頻率源相位噪聲與一次對消改善因子I1的關(guān)系： BIF帶寬， 發(fā)射與回波的時延， T重復(fù)周期雷達(dá)領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)舉例： A New Approach for Evaluating the Phase Noise Requirements of STALO in Doppler Radar the 37th European Micro

10、wave Conference Effects of Transmitter Phase Noise on Millimeter wave LFMCW Radar Performance 2008 IEEE. The Effect of Phase Noise in a Stepped Frequency Continuous wave Ground Penetrating Radar 2001 IEEE The Influence of Transmitter Phase Noise on FMCW Radar Performance 2006 EuMA Prediction of Phas

11、e Noise in TWT based Transmitter for a Pulsed Doppler Radar 1996 IEEE現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座中文相關(guān)文獻(xiàn)舉例： 綜論現(xiàn)代雷達(dá)頻率穩(wěn)定度問題 1991微波頻率源及其測量論文集 郭衍瑩 頻率源的穩(wěn)定度對雷達(dá)性能的影響 1991微波頻率源及其測量論文集 應(yīng)啟珩 MTI雷達(dá)改善因子與頻率源短穩(wěn)的關(guān)系 1991微波頻率源及其測量論文集 朱學(xué)勇 相位噪聲對脈沖多普勒雷達(dá)性能影響 現(xiàn)代雷達(dá)卷2期 方立軍 機(jī)械雷達(dá)頻綜器相位噪聲對雜波下能見度的限制 電訊技術(shù)卷4期 王宗龍 本振相位噪聲對干涉式合成孔經(jīng)輻射計性能的影響 遙感技術(shù)與應(yīng)用卷

12、2期楊柵 相位噪聲分析及對電路系統(tǒng)的影響 火控雷達(dá)技術(shù)卷2期 高樹延 振蕩器相位噪聲對FSK穩(wěn)定性能的影響 系統(tǒng)仿真學(xué)報卷1期 頻率合成器相位噪聲對跳頻通信系統(tǒng)的影響 空間電子技術(shù)卷4期 徐啟剛 相位噪聲對傳輸誤碼率的影響 電訊技術(shù)卷4期 劉嘉興 QPSK系統(tǒng)微波本振相位噪聲與BER的定量關(guān)系 空間電子技術(shù)卷3期 劉玉峰 本振相位噪聲引起QPSK信號相噪比降低的分析與仿真 空間電子技術(shù)卷1期 張愛兵現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 第二章 頻率合成器指標(biāo)頻率合成由一個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)參考頻率源高穩(wěn)定、高純頻譜基準(zhǔn)源，一般是XO、TCXO、OCXO 一、頻率合成器

13、主要指標(biāo)1、單邊帶相位噪聲 L（fm）（1）基本概念：因噪聲對輸出頻率隨機(jī)調(diào)角造成輸出頻率的瞬時隨機(jī)抖動（短期頻率穩(wěn)定度），主譜兩側(cè)產(chǎn)生調(diào)角噪聲邊帶；在時域，可用阿侖方差表征這種短期頻率穩(wěn)定度；在頻域，可用相位噪聲功率譜密度表征瞬時頻率穩(wěn)定度； (2) L（fm）的定義和單位 Ps主譜（f0）功率 Pssb距主譜fm處1Hz帶寬內(nèi)的單邊帶調(diào)頻噪聲功率 單位：dBc/Hz Hz?，F(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座（3）相位噪聲的重要性（舉例）* 載波相位噪聲解調(diào)后影響基帶信噪比；* 接收機(jī)本振相噪因“倒易混頻”使干擾進(jìn)入中頻通帶；* AMTI/PD雷達(dá)中載波相噪會降低“改善因子”；* 復(fù)雜數(shù)字調(diào)制（

14、如QAM）接收機(jī)中，本振相噪下降，誤碼率增加2、非諧波雜散（1）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（見左下圖） * 諧波是信號的波形參數(shù)，并非寄生信號現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座.（2）產(chǎn)生雜散的原因： * PLL頻綜：鑒相雜散，分?jǐn)?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。 （3）雜散抑制指標(biāo)的意義及測量 * 雜散可直接或經(jīng)過非線性電路進(jìn)入信道帶寬內(nèi)； * 頻譜儀測雜散應(yīng)該取平均；現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座3、跳頻時間（1）

15、基本概念： * 頻綜從f1跳至f2，在誤差范圍內(nèi)所需時間，數(shù)量級：sms； * 送數(shù)時間應(yīng)計入跳頻時間;（2）跳頻時間的重要性：捷變頻體制的重要指標(biāo)；（3）跳頻時間測量儀器：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(biāo)4、頻率漂移（1）頻率溫漂 單位ppm（106）（工作溫度范圍）（2）頻率時漂（老化率） 單位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現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座5、輸出頻率和分辨率（步長） 窄帶源、寬帶源、點頻源6、諧波抑制 諧波是波形指標(biāo)，并非寄生雜散7、輸出功率及功率波動 功率波動指標(biāo)較高時，需要穩(wěn)幅（溫補(bǔ)衰減、AGC）8、跳頻方

16、式：串口、并口9、負(fù)載牽引：輸出口指標(biāo)對負(fù)載的敏感度，可用隔離器輸出消除。10、關(guān)于頻率牽引：振蕩器頻率變化；頻綜源頻譜畸變 第三章 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）和線性單元電路（放大器、濾波器等）實現(xiàn)頻率合成的技術(shù)。一、放大器的相位噪聲1、加性噪聲產(chǎn)生放大器相位噪聲基底 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座放大器的相噪基底（圖七的分析結(jié)論）：對數(shù)表示：分析：計及閃爍噪聲后放大器的相位噪聲放大器加性噪聲模型F 放大器噪聲系數(shù)；Psi 放大器輸入功率T2、閃爍噪聲 （1/ fc噪聲）使放大器近端相噪抬高考慮fc時的近似公式：現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座

17、二、混頻器輸出的相位噪聲和不相關(guān)時，二者功率譜密度相加幾點分析： * 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。兩個相參信號混頻后的相噪與相關(guān)系數(shù)有關(guān)，輸出相噪要優(yōu)于不相關(guān)信號混頻時的值*現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 三、倍頻器輸出的相位噪聲分析圖12，理想倍頻時：倍頻器件： * 集成倍頻器（有源、無源） * 分立元件：二、三極管、變?nèi)莨堋RD；現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座一個問題：倍頻器20lgN的惡化是否不能超越？ 否四、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(

18、高Q) CPLL倍頻由圖14，理想分頻時： 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(dá)不到上述值現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座圖十五 某集成分頻器的底噪五、直接頻率合成器舉例功能：5MHz參考源，輸出：4080MHz，1Hz步長缺點：設(shè)備量極大如改用新技術(shù)DDS（1片）+單片機(jī)，設(shè)備大大簡化現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 *由50MHz參考源產(chǎn)生100kHz、300kHz、2MHz、5MHz、10MHz參考信號； *倍頻器組產(chǎn)生頻率、步長為100kHz的10個頻點； *這些頻點經(jīng)開關(guān)矩陣后在混頻鏈中經(jīng)過了5個10分器后，變成為帶寬1718MHz、步 長1Hz的頻率，跳頻由開關(guān)矩陣實現(xiàn)

19、； *上述頻段再經(jīng)2MHz上混成為1920MHz； *用10個步長為1MHz的頻點與上述頻率混頻產(chǎn)生160170MHz的頻率(帶寬10MHz，步長1Hz)； *再用步長為10MHz的4個頻點與上述頻率下混成4080MHz，1Hz步長的輸出頻率?，F(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座第四章 PLL頻率合成第三章 鎖相頻率合成（PLL FS）一、數(shù)字分頻PLL頻率合成器基本原理圖十七 最基本的PLL頻率合成器方框圖 可編程分頻器工作頻率不夠高，使用前置分頻可提高輸出頻率缺點： * 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。一、PLL

20、頻率合成器基本原理 單模前置分頻現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座二、PLL FS IC主流技術(shù)之一 雙模前置分頻（吞脈沖技術(shù)）圖十八 雙模分頻PLL頻率合成器框圖 *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(dá)8GHz以上。 BA現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座三、PLL FS IC主流技術(shù)之二 電荷泵輸出PFD圖十九 電荷泵輸出PFD示意圖現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座采用電荷泵PD后的PLL線性相位模型：圖二十 電荷泵PLL頻綜相位模型典型環(huán)路濾波器：其中：圖二十一 三環(huán)路濾波器現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座LF的傳遞函數(shù)

21、因電荷泵而成為阻抗函數(shù)： 環(huán)路傳輸： 結(jié)論：采用電荷泵PD，無源LF也使PLL成為4階二型PLL。關(guān)于設(shè)計方法：軟件： * ADI Sim PLL * NSC Easy PLL（在線設(shè)計） * PLL設(shè)計大師（賽英公司自主研發(fā)的軟件）資料： * NSC AN 1001（極值相位余量設(shè)計法） * Dean Banerjee: NSC PLL performance, Simulation and Design 關(guān)于單片PLL FS的跳頻送數(shù)方式 一般為三線（CLOCK，DATA，LE）串口送數(shù)現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 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環(huán)路帶

22、寬內(nèi)的相噪： 例：采用ADF4106， 其中fPD鑒相頻率N對fPD的倍頻值PN(1Hz)： 鑒相器的1Hz歸一化基底相噪則： 相噪差的VCO對環(huán)路帶寬內(nèi)相噪仍存在影響；. 環(huán)路帶寬以外的相噪主要由VCO的相噪決定；現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 五、主要雜散與跳頻時間 鑒相雜散IN-PLL-FS的最主要雜散； 分?jǐn)?shù)雜散FN-PLL-FS的最主要雜散； 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；具有快鎖模式的 PLL-FS IC 其跳頻時間可做到25 s；wn選取原則： （IN-PLL） （FN-PLL） 六、采用電壓輸出型PD的頻率合

23、成器無阻尼振蕩頻率 阻尼系數(shù) 圖二十三理想二階PLL頻率合成器現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座應(yīng)用：* 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?jǐn)?shù)分頻鎖相頻率合成（FN-PLL-FS） PLL FS主流技術(shù)之三公式： M模數(shù) ； 分子取值： ； 步長： 原理：吞脈沖技術(shù)的變通應(yīng)用，變模值為N/N+1圖二十四現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座特點：* 步長fPD，實現(xiàn)了細(xì)步長，但并未降低相噪(仍用22頁公式)； * 分?jǐn)?shù)雜散出現(xiàn)，可能很靠近主譜線（距主譜最近值為 ） 圖二十五 某FS-PLL-FS的分?jǐn)?shù)雜散實例*具有快鎖功能

24、的FN-FS，可實現(xiàn)20s；*有各種減小分?jǐn)?shù)雜散的措施與專利，主要技術(shù)：-調(diào)制；*單片F(xiàn)N PLL FS 已可工作在8GHz現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座第五章 直接數(shù)字頻率合成（DDS）一、DDS基本原理 DDS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：信號周期相位為2，每個時鐘相位累加一次；最小相位增量 完成2相位（一周期）經(jīng)過的時鐘個數(shù)FCW=k 時，每次累加相位增量現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座 DDS輸出信號的周期輸出頻率 二、DDS的特點1、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； *

25、DDS底噪可低達(dá)-150dBc/Hz，它決定了DDS輸出的遠(yuǎn)端相噪。2、輸出頻率不高（Niquist準(zhǔn)則）工程上， ， 已高達(dá)數(shù)GHz；3、雜散復(fù)雜 雜散指標(biāo)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 全并口時，可小于100ns，控頻碼經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸入時，可達(dá)s量級。分辯率： 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座圖二十七 AD9858雜散與輸出帶寬的關(guān)系 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??；*現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座第六章 微波頻率合成方案綜述一、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)頻率合成框圖現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用講座（2）采用FN-PLL-FS芯片圖二十九 分?jǐn)?shù)分頻基本環(huán)頻率合成器框圖 現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)應(yīng)用