基于PLL技術(shù)的合成頻率源設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟,其性能直接影響整個(gè)電子系統(tǒng)的功能，成為非常重要的部件。

　　頻率源分為二大類(lèi)：自激振蕩源和合成頻率源。常見(jiàn)的自激振蕩源有晶體振蕩器、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器、壓控振蕩器、YIG振蕩器和波形發(fā)生器等。這些頻率源的輸出頻率范圍、調(diào)諧帶寬、近端相噪等各不相同。合成頻率源的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高,尤其是相位噪聲低，有的甚至比原子鐘的相噪還低，使用靈活、控制方便、性能優(yōu)越。而缺點(diǎn)是成本高、技術(shù)難度大。現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、精確度、頻率范圍等技術(shù)指標(biāo)的要求越來(lái)越高。要滿(mǎn)足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的這些要求在很多情況下必須使用頻率合成技術(shù)。

　　頻率合成是指將高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率通過(guò)一系列的算術(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生具有相同穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)。

　　鎖相式頻率源具有頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于各種通信和雷達(dá)系統(tǒng)。筆者采用分頻鎖相頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)了1.8 GHz鎖相頻率源。

　　2 鎖相環(huán)技術(shù)的原理

　　實(shí)現(xiàn)頻率合成的方法可分為直接合成法與間接合成法。二種頻率合成技術(shù)的特點(diǎn)見(jiàn)表l。

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　　鎖相環(huán)(PLL)是由鑒相器(PD),環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成的自動(dòng)相位控制系統(tǒng)。如圖1所示。

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　　其中鑒相器是相位比較裝置，用來(lái)比較參考信號(hào)Ur(t)與壓控振蕩器輸出信號(hào)Uo(t)的相位，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Ue(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差信號(hào)Ue(t)中的高頻成分及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo(t)的控制，使振蕩頻率向參考頻率靠攏，二者的差拍頻率越來(lái)越低，直至二者的頻率相同、保持一個(gè)較小的剩余相差為止。下面介紹鎖相環(huán)工作的大致過(guò)程：

　　鎖相環(huán)路(PLL)和AGC、AFC電路一樣，也是一種反饋控制電路。它是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來(lái)調(diào)整輸出信號(hào)的相位，以達(dá)到與參考信號(hào)同頻率的目的，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的頻率漂移進(jìn)行跟蹤。在達(dá)到同頻率的狀態(tài)下，兩個(gè)信號(hào)之間的穩(wěn)定相差亦可做得很小。

　　鑒相器是個(gè)相位比較裝置。它把輸入信號(hào)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)Uo(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Ue(t)。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓、Ue(t)中的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo(t)的控制，使振蕩頻率向參考頻率靠攏，二者的差拍頻率越來(lái)越低，使兩者的頻率相同、保持一個(gè)較小的剩余相差直至消除頻差而鎖定為止。在環(huán)路開(kāi)始工作時(shí)，如果輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號(hào)之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差就會(huì)一直變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化。所以，鎖相就是壓控振蕩器被一個(gè)外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)控制，使得壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位和外來(lái)基準(zhǔn)信號(hào)的相位保持某種特定關(guān)系，達(dá)到相位同步或相位鎖定的目的。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等，在滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件下就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來(lái)。達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的頻差為零，相差不再隨時(shí)間變化，誤差電壓為一固定值，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。這就是鎖相環(huán)工作的大致過(guò)程。

　　鎖相源設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)是如何盡量降低相位噪聲。下面介紹相位噪聲的基本概念和產(chǎn)生的原因，以便采取相應(yīng)的措施來(lái)減少頻率源的相位噪聲。

　　3 相位噪聲的概念及其表征

　　相位噪聲一般是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號(hào)相位的隨機(jī)起伏。所謂頻率短期穩(wěn)定度，是指由隨機(jī)噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因?yàn)闇囟取⒗匣纫鸬念l率慢漂移，則稱(chēng)之為頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩(wěn)定度問(wèn)題，頻率短期穩(wěn)定度一般用相位噪聲表示。

　　一個(gè)理想的正弦波信號(hào)可用下式表示：

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　　式中，V(t)為信號(hào)瞬時(shí)幅度，Ao為標(biāo)稱(chēng)值幅度,fo為標(biāo)稱(chēng)值頻率。此時(shí)信號(hào)的頻譜為一線(xiàn)譜。但是由于任何一個(gè)信號(hào)源都存在著各種不同的噪聲,每種噪聲分量各不相同,使得實(shí)際的輸出成為：

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　　在研究相位噪聲的測(cè)量時(shí)，由于考慮到振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率,所以，|ε(t)|<

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　　對(duì)j(t)的測(cè)量，可以用各種類(lèi)型的譜密度來(lái)表示。顯然此時(shí)的相位起伏為△j(t)，頻率起伏為△f(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相對(duì)頻率起伏函數(shù)為：

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　　由于相位噪聲j(t)的存在，使頻率源的頻率不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定度也常用時(shí)域阿侖方差σ2y(2,t,t)及頻域相對(duì)單邊帶功率譜(簡(jiǎn)稱(chēng)功率譜)XXXX表征。

　　它們的定義為：

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　　式中：XXXXX為為測(cè)量采樣時(shí)間XXX的相鄰二次測(cè)量測(cè)得的頻率平均值。

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　　式中：PSSB(f)為一個(gè)相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度，P0為載波功率。