現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)講座學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第一頁，共48頁。 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： ttfVtVtv0002coscos t dtd dtdfdtdf 21210 mfS tftmrms 2sin2 第1頁/共47頁第二頁，共48頁。2RF(zoshng)功率譜密度L(fm)沒有相噪的理想頻譜實際的輸出，相噪常用測量方法定義單位單位：rms BffSmrmsm2 Hzrad2 mfS t 02mmdffS mfHzdBcSmSSBmPffPfL)()(0 第2頁/共47頁第三頁，共4

2、8頁。rad1max dBmdBmfLdBfS 3 2f 202121,fMMf 11tktkkdttff 1121Mkkkff 02224sin2mmmfdfffSfc mfS 2f 2f mfS resF mmbammmbamresdffLfdffSfF 222 第3頁/共47頁第四頁，共48頁。PsikTFS dBdBdBPsiFdBmS 174 f1 mmcmfPsiFkTffPsiFkTfS 1PsiFkTmf f1第4頁/共47頁第五頁，共48頁。 LmmQfjfjfH2110 mLmmfQffSfS210 mmfSfS LmQff20 mfS mLfSQ 第5頁/共47頁第六頁，

3、共48頁。 mfS mfS 02112031mmmmmfhfhfhfhfS31 mfh20 mfh11 mfh02mfhLcQff20 LcQff20 第6頁/共47頁第七頁，共48頁。第7頁/共47頁第八頁，共48頁。第8頁/共47頁第九頁，共48頁。第9頁/共47頁第十頁，共48頁。第10頁/共47頁第十一頁，共48頁。 20221sinsin81BmmmmdfTfffSI 第11頁/共47頁第十二頁，共48頁。第12頁/共47頁第十三頁，共48頁。SmSSBmPffPfL)()(0 第13頁/共47頁第十四頁，共48頁。第14頁/共47頁第十五頁，共48頁。（2）產(chǎn)生雜散的原因：）產(chǎn)生雜

4、散的原因： * PLL頻綜：鑒相雜散，分數(shù)雜散；頻綜：鑒相雜散，分數(shù)雜散； * DDS頻綜：原因、成分復(fù)雜頻綜：原因、成分復(fù)雜(fz)； *混頻的組合干擾；混頻的組合干擾； *時鐘寄生調(diào)頻；時鐘寄生調(diào)頻； *電源電源50Hz寄生調(diào)頻。寄生調(diào)頻。 （3）雜散抑制指標的意義及測量）雜散抑制指標的意義及測量 * 雜散可直接或經(jīng)過非線性電路進入信道雜散可直接或經(jīng)過非線性電路進入信道(xn do)帶寬帶寬內(nèi)；內(nèi)； * 頻譜儀測雜散應(yīng)該取平均；頻譜儀測雜散應(yīng)該取平均；第15頁/共47頁第十六頁，共48頁。第16頁/共47頁第十七頁，共48頁。第17頁/共47頁第十八頁，共48頁。放大器的相噪基底放大器的相

5、噪基底(j d)（圖七的分析結(jié)論）：（圖七的分析結(jié)論）：siPFkTS 對數(shù)對數(shù)(du sh)表示：表示：dBmdBdBdBmsiPF174S分析分析(fnx)：F計及閃爍噪聲后放大器的相位噪聲 siP放大器加性噪聲模型 SF 放大器噪聲系數(shù)；Psi 放大器輸入功率T2、閃爍噪聲、閃爍噪聲 （1/ fc噪聲）使放大器近端相噪抬高噪聲）使放大器近端相噪抬高考慮fc時的近似公式： mcsiffPFkTS1 第18頁/共47頁第十九頁，共48頁。LSI SL和不相關(guān)時，二者功率(gngl)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；混頻器輸出相噪

6、由相噪差的一路決定； * 兩輸入信號兩輸入信號(xnho)相噪相同時，輸出相噪惡化相噪相同時，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?；祛l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* *第19頁/共47頁第二十頁，共48頁。三、倍頻器輸出三、倍頻器輸出(shch)的的相位噪聲相位噪聲分析圖12，理想(lxing)倍頻時：NfLfLmimlg200倍頻器件：倍頻器件： * 集成集成(j chn)倍頻器（有源、無源）倍頻器（有源、無源） * 分立元件：二、三極管、變?nèi)莨?、分立元件：二、三極管、

7、變?nèi)莨堋RD；第20頁/共47頁第二十一頁，共48頁。四、分頻器輸出四、分頻器輸出(shch)的的相位噪聲相位噪聲 圖13示例： A整體倍頻(bi pn) B倍頻(bi pn)鏈中插入窄帶濾波(高Q) CPLL倍頻(bi pn)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第21頁/共47頁第二十二頁，共48頁。圖十五 某集成(j chn)分頻器的底噪五、直接五、直接(zhji)頻率合成器頻率合成器舉例舉例功能：功能：5MHz參考源，輸出：參考源，輸出：4080MHz，1Hz步長步長缺點：設(shè)備缺點：設(shè)備(shbi)量極大量

8、極大如改用新技術(shù)如改用新技術(shù)DDS（1片）片）+單片機，設(shè)備單片機，設(shè)備(shbi)大大簡化大大簡化第22頁/共47頁第二十三頁，共48頁。 * *由由50MHz50MHz參考源產(chǎn)生參考源產(chǎn)生100kHz100kHz、300kHz300kHz、2MHz2MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz參考信號；參考信號； * *倍頻器組產(chǎn)生頻率倍頻器組產(chǎn)生頻率1.32.2MHz1.32.2MHz、步長為、步長為100kHz100kHz的的1010個頻點；個頻點； * *這些頻點經(jīng)開關(guān)矩陣后在混頻鏈中經(jīng)過了這些頻點經(jīng)開關(guān)矩陣后在混頻鏈中經(jīng)過了5 5個個1010分器后，變成為帶寬分器后，變成為帶寬1

9、71718MHz18MHz、步、步 長長1Hz1Hz的頻率，跳頻由開關(guān)矩陣實現(xiàn)的頻率，跳頻由開關(guān)矩陣實現(xiàn)(shxin)(shxin)； * *上述頻段再經(jīng)上述頻段再經(jīng)2MHz2MHz上混成為上混成為1920MHz1920MHz； * *用用1010個步長為個步長為1MHz1MHz的頻點與上述頻率混頻產(chǎn)生的頻點與上述頻率混頻產(chǎn)生160170MHz160170MHz的頻率的頻率( (帶寬帶寬10MHz10MHz，步長，步長1Hz)1Hz)； * *再用步長為再用步長為10MHz10MHz的的4 4個頻點與上述頻率下混成個頻點與上述頻率下混成4080MHz4080MHz，1Hz1Hz步長的輸步長的輸

10、出頻率。出頻率。第23頁/共47頁第二十四頁，共48頁。圖十七(sh q) 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：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。PDRVVfNRfVNf 一、一、PLL頻率合成器基本原理頻率合成器基本原理 單模前置分頻單模前置分頻第24頁/共47頁第二十五頁，共48頁。圖十八 雙模分頻(fn pn)PLL頻率合成器框圖 PDPDVNffAPBf *分辨率: 仍為fPD， *常

11、用(chn yn)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第25頁/共47頁第二十六頁，共48頁。圖十九(sh ji) 電荷泵輸出PFD示意圖第26頁/共47頁第二十七頁，共48頁。圖二十 電荷泵PLL頻綜相位(xingwi)模型典型(dinxng)環(huán)路濾波器：其中：21211CCCCRTc 222CRT 333CRT RRKfA 1圖二十一 三環(huán)路濾波器第27頁/共47頁第二十八頁，共48頁。 sIsVsZdc 環(huán)路(hun l)傳輸： 213112200111TTSTSTCNSSTkkkNsHsTAd 結(jié)論結(jié)論(jiln)：

12、采用電荷泵：采用電荷泵PD，無源，無源LF也使也使PLL成為成為4階二型階二型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（在線設(shè)計） * PLL設(shè)計大師（賽英公司自主研發(fā)的軟件）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)第28頁/共47頁第二十

13、九頁，共48頁。圖二十二 PLL頻綜輸出(shch)相噪示意圖PLL FS環(huán)路環(huán)路(hun l)帶寬內(nèi)的相噪：帶寬內(nèi)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歸一化基底相噪則： Hz/dBclglgfLm99110002010102196 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環(huán)路帶寬以外的相噪主要由VCO的相噪決定；的相噪決定；第29頁/共47頁第三十頁，共48頁。PDnf （I

14、N-PLL） 32 分分fc （FN-PLL） 六、采用電壓輸出六、采用電壓輸出(shch)型型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(pnl) 110 Nkkn 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) 22 n )121( 一般取圖二十三理想二階PLL頻率合成器第30頁/共47頁第三十一頁，共48頁。公式公式(gngsh)： PDvfMkNf M模數(shù)模數(shù) ； 分子分子(fnz)取值：取值： ； MK0 步長：步長： MfPD原理原理：吞脈沖技術(shù)的變通應(yīng)用，變模值為N/N+1圖二十四第31頁/共47頁第三十二頁，共48頁。MfPD2 圖二十五 某FS-PLL-FS的分數(shù)(fnsh)雜散實例*具有快

15、鎖功能的具有快鎖功能的FN-FS，可實現(xiàn)，可實現(xiàn)(shxin)20s；*有各種減小分數(shù)雜散的措施與專利，主要技術(shù)：有各種減小分數(shù)雜散的措施與專利，主要技術(shù)：-調(diào)制；調(diào)制；*單片單片F(xiàn)N PLL FS 已可工作在已可工作在8GHz第32頁/共47頁第三十三頁，共48頁。圖二十六 DDS基本原理框圖(kungt)原理原理(yunl)：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 第33頁/共47頁第三十四頁，共48頁。cLkfnT10 輸出輸出(shch)頻率頻率 二、二、DDS的特點的

16、特點1、低相位噪聲、低相位噪聲 *DDS實為特殊小數(shù)分頻器；實為特殊小數(shù)分頻器； *近端相近端相(dun xin)噪由時鐘相噪決定，在噪由時鐘相噪決定，在DDS底噪之上還可因分頻而優(yōu)化；底噪之上還可因分頻而優(yōu)化； *DDS底噪可低達底噪可低達-150dBc/Hz，它決定了，它決定了DDS輸出的遠端相輸出的遠端相(dun xin)噪。噪。2、輸出頻率不高（、輸出頻率不高（Niquist準則）工程上，準則）工程上， ， 已高達數(shù)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。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

17、續(xù)跳頻 全并口時，可小于全并口時，可小于100ns，控頻碼經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸入時，可達，控頻碼經(jīng)數(shù)據(jù)處理輸入時，可達s量級。量級。kfnfTfNCLKCLK 2100cff4 . 00 cf分辯率：分辯率： NCLKf2第34頁/共47頁第三十五頁，共48頁。圖二十七 AD9858雜散與輸出(shch)帶寬的關(guān)系 Nfc0f使用使用(shyng)體會：體會： * 高雜散常出現(xiàn)在高雜散常出現(xiàn)在 附近附近越小于 fc*正確選取(xunq)輸出頻段，可減小雜散；*改變 fc， ，可有意外收獲；，雜散越??；*第35頁/共47頁第三十六頁，共48頁。圖二十八 整數(shù)分頻基本環(huán)頻率(pnl)合成框圖第36頁/共4

18、7頁第三十七頁，共48頁。圖二十九 分數(shù)(fnsh)分頻基本環(huán)頻率合成器框圖 第37頁/共47頁第三十八頁，共48頁。（1）PLL內(nèi)下混頻(hn pn)圖三十(sn sh) 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。第38頁/共47頁第三十九頁，共48頁。圖三十一 PLL環(huán)外上混頻(hn pn)方框圖* 因混頻器在因混頻器在PLL外，輸出雜散因而很多，要認真分析外，輸出雜散因而很多，要認真分析(fnx)，避免在帶內(nèi)出現(xiàn)；，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。頻率低，其相噪指標較高，成本可能

19、低些。第39頁/共47頁第四十頁，共48頁。圖三十三 DDS+PLL常用(chn yn)方案 輸出(shch)： NfkfcN 20特點特點(tdin)：細步長，跳頻時間長，：細步長，跳頻時間長，DDS的輸出在的輸出在PLL帶內(nèi)雜散惡化帶內(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輸出可為窄帶，雜散較??；為定值時，因跳頻步長較小，可實現(xiàn)較快頻；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*第40頁/共47頁第四十一頁，共48頁。輸出輸出(shch)： PDfKNf

20、20 特點特點(tdin)：細步長，低相噪，但：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/MHz1280kHz10 of第41頁/共47頁第四十二頁，共48頁。圖三十六 雙PLL方案(fng n)一輸出(shch)： 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42頁/共47頁第四十三頁，共48頁。輸入(shr)參考：MHz10 Rf，TCXO；輸出(shch)頻率： MHz329031900 f步 長： 1k Hz 相位噪聲： 95dBc/Hz10kHz dBdBm110 P1dB方案：方案： * 用AD42