采用7GHz頻率合成器實現(xiàn)快速鎖定、高靈敏度調諧中頻無線電接收器

作者：Mike Curtin and Paul O'Brien

為了提高現(xiàn)代無線電的靈敏度和選擇性，需要最大限度地減少相位噪聲和參考雜散，并縮短鎖定時間。本文概述的電路改善了本振（LO）的性能。

相位噪聲是LO信號純度的量度。它是通過在給定載波偏移處的1 Hz帶寬中輸出基波功率與噪聲功率的比值來確定的。結果以 dBc/Hz 表示。

由于頻率合成器中的內部開關，輸出中可能會出現(xiàn)雜散頻率元件（雜散）。在整數(shù)N分頻頻率合成器中，它們通常是由于鑒頻鑒相器（PFD）頻率引起的;在小數(shù)N分頻器件中，它們可能是合成器架構性質的結果。在整數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）中，它們稱為參考雜散。

鎖定時間是指將輸出從一個頻率切換到另一個頻率所需的時間，這是許多系統(tǒng)中的一個重要規(guī)范。一般來說，當輸出穩(wěn)定在最終所需頻率的一定百分比或百萬分之一 （ppm） 以內時，或者已鎖定到最終相位的指定度數(shù)內，我們說輸出被切換或已鎖定到新頻率。

傳統(tǒng)接收器實現(xiàn)

圖1顯示了最流行的接收器架構（超外差接收器）的一般框圖。此處顯示的系統(tǒng)是專為滿足移動電話 DCS1800 標準而設計的接收器的典型系統(tǒng)。對于此標準，接收 （Rx） 頻段為 1805 MHz 至 1880 MHz。

在圖1中，RF輸入施加于RF濾波器，然后是低噪聲放大器（LNA）。然后，信號通過具有調諧LO輸入的混頻器混頻至中頻（IF）。隨后進行額外的濾波，最終混頻器使用單頻LO將固定IF降至基帶。

調諧RFLO以干凈穩(wěn)定的基準頻率開始，然后是ADF4106 PLL頻率合成器和壓控振蕩器（VCO）?；鶞孰妷涸从蓽乜?（TCXO）、壓控 （VCXO） 或恒溫箱控制 （OCXO） 晶體振蕩器提供。PLL頻率合成器的R分頻器將此參考條件設置為等于整數(shù)N分頻系統(tǒng)中通道間距的值，或小數(shù)N分頻系統(tǒng)中通道間距的倍數(shù)。PFD 比較環(huán)路輸出，F(xiàn)VCO，除以N，R分頻器的輸出，環(huán)路通過驅動VCO使PFD輸出趨于零FVCO = F聚苯乙烯×·N變化以改變LO輸出頻率，從而調諧無線電。

LO的相位噪聲取決于許多因素：參考噪聲;頻率合成器（R分頻器、N分壓器、PFD和電荷泵）中的噪聲;N 的值;以及合成器 PFD 的工作頻率。

LO（dB）的相位噪聲可以用以下公式來描述：

PN = PN合成器+ 20 對數(shù) N + 10日志 F聚苯乙烯

哪里：

PN合成器是頻率合成器的相位噪聲貢獻（在相應的數(shù)據手冊中給出，單位為dB）

20 log N 是合成器中 N 值引起的附加噪聲

10日志 F聚苯乙烯是頻率合成器PFD頻率引起的噪聲貢獻。

*有關更詳細的說明，請參閱《模擬對話》，第 6 卷，第 35 期，6 年 2001 月至 <> 月，“使用新的寬帶整數(shù) N 分頻 PLL 頻率合成器設計直接 <> GHz 本地振蕩器”。

基準雜散電平取決于：PFD設計、PFD電荷泵部分的泄漏、PLL環(huán)路帶寬和VCO靈敏度。鎖定時間取決于：PFD頻率和PLL環(huán)路帶寬。

在接收器中，如果IF選擇為230 MHz，調諧RF必須以2035 kHz步長從2110 MHz變?yōu)?00 MHz（使用高端注入）。使用整數(shù)N分頻架構來做到這一點，需要200 kHz的PFD頻率，N值將在10175（2035 MHz）到10550（2110 MHz）之間變化。

使用最好的市售元件（ADF4106 PLL頻率合成器），該系統(tǒng)的預期帶內相位噪聲為–85.6 dBc/Hz。 此類系統(tǒng)中的典型基準雜散在88 kHz時為–200 dBc，在90 kHz時為–400 dBc。

圖1.傳統(tǒng)超外差接收器的框圖。

使用20 kHz的環(huán)路帶寬時，10度相位誤差的典型鎖定時間為250 μs。

替代接收器實現(xiàn)

ADI公司現(xiàn)已推出新型高帶寬PLL頻率合成器ADF4107。其RF級能夠在高達7.0 GHz的頻率下工作，而PFD頻率能夠在高達104 MHz的頻率下工作。這種高帶寬能力可用于實現(xiàn)新型接收器架構，如圖2所示。在這里，每級的LO來自更高的頻率，該頻率是所需頻率的整數(shù)倍。此外，調整是在 IF 部分中完成的。這允許使用非常高的倍數(shù)，以改善整體相位噪聲和鎖定時間。

固定射頻

在圖2中，固定頻率RF LO將信號向下轉換為IF頻段，并且通道在IF頻段進行調諧。再次以DCS1800為例，我們可以選擇1520 MHz的固定RF LO。這可以通過除以6080從4 MHz信號得出，如圖2所示。

圖2.替代接收器框圖

RF LO的相位噪聲為：

–219 + 20 對數(shù) 950 + 10 對數(shù) （6.4 × 106） – 20 log 4
= –219 + 59.5 + 68 – 12
= –103.5 dBc/Hz

基準雜散將出現(xiàn)在距載波6.4 MHz的偏移處，并且非常?。? –90 dBc），因為（a）由于12分頻電路將產生4 dB的衰減，以及（b）由于這是一個固定頻率LO，環(huán)路帶寬可以降低（例如20 kHz）。簡單的 20 dB/十倍頻程衰減將進一步衰減雜散。

在 200 kHz、400 kHz、600 kHz 和 800 kHz 下不會有雜散;鎖定時間不是問題，因為固定RF部分不會進行調諧。

調諧中頻

繼續(xù)以DCS1800為例，圖2顯示了調諧的IF，從285 MHz到360 MHz，步長為200 kHz。為了實現(xiàn)這一點，使用3.2 MHz的PFD頻率，以4560.5760 MHz步長產生從3 MHz到2 MHz的初始LO。將這些頻率除以 16 得到所需的 285 MHz 至 360 MHz，步長為 200 kHz。

調諧IF的最差情況相位噪聲為：

–219 + 20 對數(shù) 1800 + 10 對數(shù) （3.2 × 106） – 20 對數(shù) 16
= –219 + 65 + 65 – 24
= –113 dBc/Hz

參考雜散將出現(xiàn)在與載波偏移 3.2MHz 處。通過選擇500 kHz的環(huán)路帶寬，3.2 MHz的雜散將低于–90 dBc。在DCS系統(tǒng)中，雜散降低的重要頻率為200 kHz、400 kHz、600 kHz和800 kHz。但是，在建議的配置中，這些頻率下不會存在雜散，因為我們在3.2 MHz的高PFD頻率下工作。

當環(huán)路帶寬設置為500 kHz，PFD頻率設置為3.2 MHz時，鎖相將在不到10 μs的時間內實現(xiàn)10度以內。頻率鎖定響應如圖3所示。

圖3.優(yōu)化的 IF 的鎖定時間。

篩選注意事項

所考慮的兩種架構本質上都是超外差，具有兩個下變頻階段。過濾在每個階段都至關重要。

在圖1中，LNA之前的RF濾波器抑制非常強的帶外干擾源。IF濾波器可以是窄帶（GSM中為200 kHz），以抑制帶內干擾源。

在圖2中，RF濾波器與圖1相同。但是，圖2中的IF濾波器不能是窄帶。它必須通過整個頻段，因為調諧尚未發(fā)生。這意味著作為基帶處理的一部分，帶內干擾源必須在鏈的稍后階段進行濾波。ADI公司提供多個IF至基帶接收器。其中包括AD6650、AD6652、AD9870和AD9874。在分析圖2的架構時，應仔細考慮它們。

結論

以更高的PFD頻率（最終LO頻率的整數(shù)倍）操作PLL內核可改善相位噪聲、輸出基準雜散和鎖定時間。此外，調諧IF架構可提供更高的性能，因為整數(shù)倍可以更高。但是，需要仔細考慮過濾要求。

本提案中使用的示例適用于整數(shù)N分頻PLL，即ADF4107，但配置不限于此。使用這種具有小數(shù)N分頻架構的配置來實現(xiàn)類似的增益也是非常可行的。

審核編輯：郭婷