利用7GHZ頻率合成器實(shí)現(xiàn)快速鎖定、高靈敏度的IF調(diào)諧無線接收機(jī)

前言

為了提高現(xiàn)代無線設(shè)備的靈敏度和可選擇性，需要盡可能地減小相位噪聲和參考雜散，并縮短鎖定時(shí)間。本文中所述電路可以改善本振（LO）的所有這些性能。

相位噪聲是對(duì)LO信號(hào)的純度的一種量度。相位噪聲是載波功率相對(duì)于給定的頻率偏移處（頻率合成器通常定義1kHz 頻率偏移）1-Hz的帶寬上的功率。其計(jì)算結(jié)果以dBc/Hz為單位表示。

由于頻率合成器內(nèi)部的開關(guān)切換，輸出信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)雜散（spurs）。在整數(shù)N分頻的合成器中，它們一般是由于鑒相器（PFD）的工作頻率點(diǎn)上的信號(hào)分量所引起的；在小數(shù)N分頻中，它們是由合成器本身架構(gòu)的特點(diǎn)所造成的。在整數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）中，它們被稱為參考雜散（reference spurs）。

鎖定時(shí)間是指輸出從一個(gè)頻率切換到另一個(gè)頻率所需要花費(fèi)的時(shí)間——這對(duì)于許多系統(tǒng)來說是一個(gè)重要的指標(biāo)。一般說來，當(dāng)輸出穩(wěn)定到所期望的最終頻率附近、差異在某一百分比[或者以百萬分之一（ppm）衡量]之內(nèi)，或是相位鎖定在所需要相位度數(shù)的附近，此時(shí)我們說，輸出被切換到或者鎖定到新的頻率上了。

傳統(tǒng)的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方式

圖1所示的是最通用的的接收機(jī)架構(gòu)的功能框圖（超外差接收機(jī)）。這里所示出的系統(tǒng)是滿足DCS1800移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，接收（Rx）頻段是1805MHz～1880MHz。

圖1中，RF輸入信號(hào)先流經(jīng)一個(gè)RF濾波器，接下來再經(jīng)過一個(gè)低噪聲放大器（LNA）。隨后，信號(hào)在混頻器中與一個(gè)可調(diào)諧的LO輸入進(jìn)行混頻，變換到中頻段（IF）。混頻后的信號(hào)接受進(jìn)一步的濾波，在通過一個(gè)最終的混頻器，與一個(gè)固定頻率的LO信號(hào)混頻，從固定的IF頻段下變頻到基帶信號(hào)頻段上。

可調(diào)諧的RF LO信號(hào)是利用一路干凈和穩(wěn)定的參考頻率信號(hào)來生成的，該基準(zhǔn)信號(hào)輸入至ADF4106 PLL合成器和一個(gè)壓控振蕩器（VCO）中后最終形成LO信號(hào)。參考頻率信號(hào)可以由溫補(bǔ)晶振（TCXO）、壓控晶體振蕩器（VCXO）或者恒溫晶體振蕩器（OCXO）來產(chǎn)生。 在整數(shù)N分頻系統(tǒng)中，PLL合成器的R分頻器將該參考信號(hào)變換成為一個(gè)頻率等于信道間隔的信號(hào)——或者，在小數(shù)N分頻系統(tǒng)中，將信號(hào)頻率變換成信道間隔的倍數(shù)。PFD則對(duì)環(huán)路輸出FVCO除以N后的結(jié)果與R分頻器的輸出進(jìn)行比較，然后，環(huán)路驅(qū)動(dòng)VCO，使得FVCO = FPFD × N，以使PFD輸出歸零?？梢酝ㄟ^改變N來改變LO輸出頻率，從而對(duì)無線電路進(jìn)行調(diào)諧。

LO的相位噪聲取決于多方面的因素：參考信號(hào)噪聲、合成器中的噪聲（R分頻、N分頻、PFD和電荷泵），N值，以及PFD的工作頻率。

LO的相位噪聲（dB）可以用如下的公式來表示：

式中

PNSYNTH是合成器對(duì)相位噪聲的貢獻(xiàn)（在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出，單位是dB）
20 logN是合成器中的N值所帶來的附加噪聲
10 logFPFD是合成器的PFD頻率所產(chǎn)生的噪聲分量

*欲獲得更多詳情，請(qǐng)參閱“Design a Direct 6-GHz Local Oscillator with a New， Wideband， Integer-N， PLL Synthesizer”（Analog Dialogue， Volume 35， No. 6， November-December， 2001）

參考雜散取決于如下因素：PFD設(shè)計(jì)，PFD電路中電荷泵的漏電，PLL環(huán)路帶寬，VCO靈敏度。鎖定時(shí)間取決于PFD頻率和PLL環(huán)路帶寬。

在接收機(jī)中， 如果IF選定為230MHz，經(jīng)過調(diào)諧的RF信號(hào)將在2035～2110MHz范圍內(nèi)變化（使用高端注入），步進(jìn)為200kHz。如果使用整數(shù)N分頻架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的話，則需要使用200kHz的PFD頻率，而N值將從10175（2035MHz）變化為10550（2110MHz）。

在商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中所期望的帶內(nèi)相位噪聲為－85.6 dBc/Hz，采用適合的鎖相環(huán)，如ADF4106，系統(tǒng)的典型基準(zhǔn)寄生為－88dBc @ 200kHz和－90dBc @ 400kHz。

圖1 傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)的系統(tǒng)框圖

如果環(huán)路帶寬選取為20kHz，則相位差小于10度時(shí)對(duì)應(yīng)典型的鎖定時(shí)間將為250µs。

接收機(jī)的另一種可替代方案

ADI公司目前提供一種新的寬帶寬PLL合成器——ADF4107。其RF級(jí)可以在高達(dá)7.0GHz的頻率下工作，而PFD頻率可以高達(dá)104MHz。這樣的寬帶寬工作能力可以用于實(shí)現(xiàn)新穎的接收機(jī)架構(gòu)，如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中，每一級(jí)的LO都可以從一路頻率為所需頻率的整數(shù)倍的信號(hào)變換得到。此外，調(diào)諧是在IF部分完成的。這就容許系統(tǒng)采用非常高的倍率，以便改善總的相噪聲和鎖定時(shí)間性能。

固定頻率的RF電路