低相位噪聲寬頻帶鎖相頻率源的設(shè)計(jì)

1、低相位噪聲寬頻帶鎖相頻率源的設(shè)計(jì)頻率源是現(xiàn)代和微波系統(tǒng)的心臟,其性能挺直影響囫圇電子系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)展，人們提出了各式各樣的頻率源的設(shè)計(jì)計(jì)劃。大的來(lái)分，分兩類(lèi)：自激振蕩源和合成頻率源。頻繁的自激振蕩源有晶體、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器、壓控振蕩器等，雖然這些振蕩源在相位噪聲，頻率范圍，頻率穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)上，有著這樣那樣的缺點(diǎn)，但它們是其次類(lèi)高質(zhì)量合成頻率源的基礎(chǔ)和依據(jù)。其次類(lèi)合成頻率源，按合成計(jì)劃來(lái)分主要分為三種：挺直模擬式合成、鎖相式合成和挺直數(shù)字式合成。這些辦法計(jì)劃各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是相互結(jié)合，基本上滿(mǎn)足了現(xiàn)在各種性能要求的頻率源。設(shè)計(jì)概述鎖相式頻率源具有輸出頻率高，頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生

2、雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。本計(jì)劃就是利用小數(shù)分頻的鎖相環(huán)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬頻帶低噪聲的頻率合成器，實(shí)現(xiàn)01ghz的低噪聲正弦波信號(hào)。01ghz的信號(hào)，相對(duì)帶寬很寬，挺直用鎖相環(huán)是沒(méi)法實(shí)現(xiàn)的，從壓控振蕩器的原理來(lái)講，就根本找不到這樣的一款壓控振蕩器。但是，結(jié)合挺直模擬合成器原理，就可以找到這樣一個(gè)巧妙計(jì)劃。該計(jì)劃可以分成四個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖所示。23ghz信號(hào)的產(chǎn)生模塊，本振信號(hào)（2ghz）的產(chǎn)生模塊，混頻模塊和控制模塊。通過(guò)上面的圖，可以看出，通過(guò)兩個(gè)鎖相環(huán)路產(chǎn)生了兩個(gè)高辨別率，低相位噪聲，同相對(duì)頻率穩(wěn)定度的頻率信號(hào)，然后，通過(guò)混頻濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)01ghz的低噪聲信號(hào)。該設(shè)計(jì)計(jì)劃種有三個(gè)注重事項(xiàng)：第

3、一，為什么剛才說(shuō)“同相對(duì)頻率穩(wěn)定度的頻率信號(hào)”？在剛才的信號(hào)框圖中，必需注重，兩個(gè)產(chǎn)生信號(hào)的鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖碱l率必需來(lái)自一個(gè)晶振，這樣把兩個(gè)信號(hào)源和混頻器連在一起看，就相當(dāng)于一個(gè)大的鎖相環(huán)，它的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度是一樣的，這樣，只要挑選一個(gè)溫度補(bǔ)償型高穩(wěn)定度的參考晶振，那么，最后得到的輸出信號(hào)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度這個(gè)指標(biāo)是很不錯(cuò)的。其次，為什么要挑選23ghz與2ghz來(lái)差頻？其實(shí)，挑選34ghz與3ghz來(lái)差頻，或45ghz與4ghz來(lái)差頻，都可以，但是肯定不能2ghz以下。這個(gè)我們要分析一下，混頻后輸出的信號(hào)，而且這些信號(hào)是通過(guò)濾波來(lái)選取01ghz這個(gè)頻段的信號(hào)的，其實(shí)，2gh

4、z是一個(gè)最低的頻率，設(shè)計(jì)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。設(shè)上面的兩個(gè)pll的輸出信號(hào)分離為f12.13.1ghz，f22.1ghz，并且都是正弦波，按照混頻器原理，從頻域來(lái)看，將產(chǎn)生一系列的頻率：foutmf1±nf2，詳細(xì)輸出的頻率有：f1-f2=0"1ghzf1+f2=4.2"5.2ghz2f2-f11.1"2.1ghz2f1f22.1"4.1ghzf12.13.1ghzf22.1ghz這樣，在頻譜上，所需的信號(hào)就被分別出來(lái)了，采納濾波器就可以挑選出實(shí)用的信號(hào)了01ghz的信號(hào)了。第三，抑制小數(shù)分頻器相位噪聲的技術(shù)隨著大規(guī)模的進(jìn)展，浮現(xiàn)了小數(shù)分頻技術(shù)。利用小

5、數(shù)分頻的pll頻率合成技術(shù)，解決了單環(huán)數(shù)字頻率合成器中高的鑒相頻率和低的頻率間隔之間的沖突，但這種挺直的小數(shù)分頻技術(shù)卻帶來(lái)了嚴(yán)峻的小數(shù)雜散，引起了相位噪聲的惡化。為了解決這個(gè)沖突，以前通常采納模擬相位內(nèi)插的辦法來(lái)抑制相位噪聲和寄生信號(hào)，但是這種抑制的效果很有限，這種模擬的計(jì)劃很難達(dá)到1%抑制效果，很不抱負(fù)。后來(lái)，人們提出了一種純粹數(shù)字的計(jì)劃，這就是調(diào)制技術(shù)。調(diào)制技術(shù)主要由取樣、噪聲整形和數(shù)字濾波三個(gè)部分組成，實(shí)現(xiàn)了抑制小數(shù)n分頻帶來(lái)的噪聲，而小的頻率辨別率主要依靠的速度。調(diào)制技術(shù)的原理：對(duì)信號(hào)舉行取樣后，噪聲的功率譜幅度降低，并通過(guò)一個(gè)對(duì)輸入呈低通濾波、對(duì)量化噪聲呈高通濾波的噪聲整型器，將量化

6、噪聲的絕大部分移到信號(hào)的頻帶之外，而采納取樣移出的噪聲不會(huì)與信號(hào)頻譜疊加，從而通過(guò)容易的濾波有效的抑制。這個(gè)技術(shù)對(duì)于抑制小數(shù)分頻器產(chǎn)生的噪聲效果很好，本設(shè)計(jì)中選用的芯片cx72300就是采納這項(xiàng)技術(shù)的集成鎖相環(huán)芯片。鎖相環(huán)相位噪聲容易分析鎖相環(huán)路的噪聲來(lái)源主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是與信號(hào)一起進(jìn)入環(huán)路的，如輸入噪聲和睦波，另一類(lèi)是環(huán)路的部件產(chǎn)生的。鎖相環(huán)電路的組成部件都會(huì)不同程度的引入相位噪聲。詳細(xì)說(shuō)來(lái)，影響因素有：n分頻器引起的噪聲，鑒相器的噪聲（與鑒相頻率有關(guān)），鎖相環(huán)的噪聲基低和熱噪聲，電荷泵的噪聲，壓控振蕩器的噪聲，以及環(huán)路濾波器中引起的噪聲等，其中壓控振蕩器是內(nèi)部噪聲的主要來(lái)源。計(jì)算相位噪聲的

7、數(shù)學(xué)模型中考慮的因素越多，該模型越精確，但計(jì)算就越復(fù)雜。關(guān)于這一部分的論述無(wú)數(shù)，也很具體，我只容易的說(shuō)一下，以下與設(shè)計(jì)關(guān)系比較大的幾個(gè)影響，以便指導(dǎo)該設(shè)計(jì)。與信號(hào)一起進(jìn)入環(huán)路的輸入噪聲和睦波，pll環(huán)路對(duì)其起到了一個(gè)低通濾波的作用，主要參數(shù)是等效噪聲帶寬（bl）。壓控振蕩器也是噪聲的一個(gè)主要來(lái)源，pll環(huán)路對(duì)vco引入的噪聲起到了高通濾波的作用。要考慮鎖相環(huán)芯片的噪聲基底，這是挑選鎖相環(huán)芯片的一個(gè)參考因素。n分頻器也會(huì)影響環(huán)路內(nèi)的相位噪聲，相位噪聲隨著n的變幻，可以視為20lgn放大作用。電荷泵鑒相器的工作頻率也會(huì)影響pll輸出相位噪聲，可以用10lg（fcomp）來(lái)描述。詳細(xì)模塊的實(shí)現(xiàn)1.2

8、3ghz信號(hào)的產(chǎn)生模塊該模塊采納加拿大的skyworks公司生產(chǎn)的單片集成鎖相環(huán)路芯片cx72300來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的特點(diǎn)是小頻率間隔（可小于100hz，因?yàn)樗?8位的小數(shù)分頻）、低相位噪聲（可達(dá)-90dbc/hz，因?yàn)樗梅思夹g(shù)）和寬頻帶，外接環(huán)路濾波器和vco可構(gòu)成高性能寬頻帶鎖相頻率合成器。這些主要得益于18位的技術(shù)下的小數(shù)數(shù)字式低噪聲分頻器。cx72300合成器有一頻率功率控制電路，在頻率變幻太快或太慢時(shí)，能協(xié)助環(huán)路濾波器管理壓控振蕩器，可以加快環(huán)路捕捉時(shí)光。此外，壓控振蕩器選用中國(guó)電子集團(tuán)十三討論所的he486b,它采納硅超突變結(jié)變?nèi)莨苷{(diào)諧，頻帶寬，可以達(dá)23ghz；利用硅雙極管振蕩，相

9、位噪聲低，典型值為95dbc/hz。濾波器采納三階無(wú)源，濾波器設(shè)計(jì)主要有考慮負(fù)反饋所涉及的穩(wěn)定問(wèn)題，也就是經(jīng)常說(shuō)的相位裕度，但是其它的因素諸如濾波效果、噪聲和鎖定時(shí)光也要考慮進(jìn)去。這種用于電荷泵鎖相環(huán)的濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的，見(jiàn)下面adf4113三階無(wú)源低通濾波器。設(shè)計(jì)的參考頻率是16mhz，參考分頻比從132開(kāi)頭（2112mhz），到195（3120mhz），小數(shù)位取最大位（保證頻率間隔盡可能?。Ｍㄟ^(guò)，輸入對(duì)應(yīng)的控制字，那么基于cx72300的pll就可以輸出對(duì)應(yīng)的頻率。2.本振信號(hào)的產(chǎn)生模塊（2ghz）本設(shè)計(jì)采納了用法analog器件公司提供的鎖相環(huán)芯片adf4113，它的最大輸出頻率

10、為4ghz，噪聲性能很好（pn1hz為-217）。為了降低相位噪聲，淘汰了本來(lái)的芯片adf43602，雖然這款芯片內(nèi)置vco，可以讓囫圇這一模塊的設(shè)計(jì)容易無(wú)數(shù)，但是，它內(nèi)置的vco噪聲性能不好，而且vco是噪聲的一個(gè)重要來(lái)源。所以，為了整體相位噪聲性能，改用adf4113，vco從新選擇。另外，如上面所說(shuō)，參考頻率共用cx72300的參考頻率，以降低相位噪聲。環(huán)路濾波器的仍挑選三階無(wú)源低通濾波器，詳細(xì)各個(gè)電阻大小用法公司網(wǎng)站上提供的軟件simpll來(lái)確定，這樣就省了計(jì)算濾波器的元件參數(shù)，相當(dāng)便利。詳細(xì)如下：3.混頻器用法technology凌特公司的有源雙平衡混頻器lt5512，它的rf,if

11、，lo工作頻帶寬（0.13ghz），互相的隔離度高，含有使能引腳可以開(kāi)關(guān)芯片。輸出的信號(hào)用合適的低通濾波器，把01ghz的信號(hào)和其它高頻信號(hào)分開(kāi)，就可以得到想要頻率。需要注重的是該器件在本例中工作頻率很高，全部涉及高頻的器件必需用法貼片的，本設(shè)計(jì)中的涉及高頻的電容電阻都用法0805封裝。其他模塊的電路也一樣。4.控制電路用法了()公司的芯片at89s51,它是atmel公司的一款新推出的高性?xún)r(jià)比的芯片，功能相當(dāng)完備，內(nèi)含4k的flash，不用擴(kuò)展rom，可以挺直燒寫(xiě)程序用法。通過(guò)編寫(xiě)程序，讓單片機(jī)的i/o口輸出兩組控制字，分離控制cx72300和adf4113輸出頻率各自的頻率。而且，at89s可以在線(xiàn)修改程序，這樣，需要那個(gè)頻率，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)修改對(duì)應(yīng)的輸入控制字，即可得到想要的頻率，固然，這一部分未來(lái)也可做成一