現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)課件

現(xiàn)代微波頻率合成器技術(shù)

講座

LiuGuanghu

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：

——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，相噪常用測量方法定義單位

單位：

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

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（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）

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：●SensitivityofSingle-carrierQAMSystemstophaseNoiseArisingfromtheHot-carriereffect2006IEEE●AnalysisoftheeffectsofphaseNoiseinFilteredMulti-tone(FMT)Modulatedsystems2004IEEE●EffectofCarrierFrequencyOffsetandPhaseNoiseonthePerformanceofWFMTSystems2006IEEE●EffectofPhaseNoiseonRFCommunicationSingles2000IEEE●EffectofFrequencyInstabilityCausedbyPhaseNoiseonthePerformanceofFastFHCommunicationSystem2004IEEE●EffectofRFOscillatorPhaseNoiseonPerformanceofCommunicationSystem2004IEEE●LocalOscillatorPhaseNoiseandEffectoncorrelationMillimeterwaveReceiverPerformance●UnderstandingtheEffectsofPhaseNoiseinOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing2001IEEE4、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：●EffectsofPhaseNoiseat60thTransmitterandReceiveronthePerformanceofOFDMSystems2006IEEE●CompensationofPhaseNoiseinOFDMwirelessSystems2007IEEE●CommonMagitudeerrorDuetoPhaseNoiseinOFDMSystems2007IEEE●AnalysisofPhaseNoiseEffectsonTime-DirectionDifferentialOFDMReceivers2005IEEE●PerformanceAnalysisofOFDMSystemswithPhaseNoise2007IEEE●OntheDetectionofOFDMSignalsinthePresenceofStrongPhaseNoise●OntheCalculationofOFDMErrorPerformancewithPhaseNoiseinAWGNandFadingChannels2006IEEE5、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)》99.21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)》2000.40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》2007.22卷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)》2003.32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》2007.19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)》2006.3卷4期徐啟剛●相位噪聲對傳輸誤碼率的影響《電訊技術(shù)》2007.4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)》2005.2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)》2004.1卷1期張愛兵

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。（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（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3、跳頻時間（1）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：μs~ms；*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（10－6）（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

…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T↑2、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：

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；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(高Q)C——PLL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：40~80MHz，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

第四章PLL頻率合成第三章鎖相頻率合成（PLLFS）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頻率合成器基本原理——單模前置分頻二、PLLFSIC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)SIC已高達(dá)8GHz以上。B＞A三、PLLFSIC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LF的傳遞函數(shù)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：*ADISimPLL

*

NSCEasyPLL（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：*NSCAN1001（極值相位余量設(shè)計法）

*DeanBanerjee:NSCPLLperformance,SimulationandDesign

＃關(guān)于單片PLLFS的跳頻送數(shù)方式

——一般為三線（CLOCK，DATA，LE）串口送數(shù)

四、輸出相位噪聲估算圖二十二PLL頻綜輸出相噪示意圖PLLFS環(huán)路帶寬內(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；

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τ——環(huán)路帶寬wn

增加，τ減小，但上述兩種雜散會增加；PLLFS的跳頻時間一般數(shù)十μs以上；具有快鎖模式的PLL-FSIC其跳頻時間可做到25μs；wn選取原則：

（IN-PLL）（FN-PLL）六、采用電壓輸出型PD的頻率合成器無阻尼振蕩頻率

阻尼系數(shù)

圖二十三理想二階PLL頻率合成器應(yīng)用：*PLLFSIC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）——PLLFS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*具有快鎖功能的FN-FS，可實現(xiàn)τ<20μs；*有各種減小分?jǐn)?shù)雜散的措施與專利，主要技術(shù)：Σ-Δ調(diào)制；*單片F(xiàn)NPLLFS已可工作在8GHz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2π，每個時鐘相位累加一次；最小相位增量

完成2π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∴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；*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)μs量級。分辯率：

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?。?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（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

2、混頻PLL方案（M/N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(biāo)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(rèn)真分析，避免在帶內(nèi)出現(xiàn)；*

VCO頻率低，其相噪指標(biāo)較高，成本可能低些。圖三十三DDS+PLL常用方案

輸出：

特點：細(xì)步長，跳頻時間長，DDS的輸出在PLL帶內(nèi)雜散惡化(2)PLL內(nèi)插DDS圖三十四PLL內(nèi)插DDS方案輸出：

特點：*細(xì)步