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

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LO信號的純度的一種量度。相位噪聲是載波功率相對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，輸出信號中會出現(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）的工作頻率點上的信號分量所引起的；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）。

鎖定時間是指輸出從一個頻率切換到另一個頻率所需要花費的時間——這對于許多系統(tǒng)來說是一個重要的指標。一般說來，當輸出穩(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)的接收機實現(xiàn)方式

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

圖1中，RF輸入信號先流經(jīng)一個RF濾波器，接下來再經(jīng)過一個低噪聲放大器（LNA）。隨后，信號在混頻器中與一個可調(diào)諧的LO輸入進行混頻，變換到中頻段（IF）?；祛l后的信號接受進一步的濾波，在通過一個最終的混頻器，與一個固定頻率的LO信號混頻，從固定的IF頻段下變頻到基帶信號頻段上。

可調(diào)諧的RF LO信號是利用一路干凈和穩(wěn)定的參考頻率信號來生成的，該基準信號輸入至ADF4106 PLL合成器和一個壓控振蕩器（VCO）中后最終形成LO信號。參考頻率信號可以由溫補晶振（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變換成為一個頻率等于信道間隔的信號——或者，在小數(shù)N分頻系統(tǒng)中，將信號頻率變換成信道間隔的倍數(shù)。PFD則對環(huán)路輸出FVCO除以N后的結(jié)果與R分頻器的輸出進行比較，然后，環(huán)路驅(qū)動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，從而對無線電路進行調(diào)諧。

LO的相位噪聲取決于多方面的因素：參考信號噪聲、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是合成器對相位噪聲的貢獻（在數(shù)據(jù)手冊中給出，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，PFD電路中電荷泵的漏電，PLL環(huán)路帶寬，VCO靈敏度。鎖定時間取決于PFD頻率和PLL環(huán)路帶寬。

在接收機中， 如果IF選定為230MHz，經(jīng)過調(diào)諧的RF信號將在2035～2110MHz范圍內(nèi)變化（使用高端注入），步進為200kHz。如果使用整數(shù)N分頻架構(gòu)來實現(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)的典型基準寄生為－88dBc @ 200kHz和－90dBc @ 400kHz。

圖1 傳統(tǒng)的超外差接收機的系統(tǒng)框圖

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

接收機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級可以在高達7.0GHz的頻率下工作，而PFD頻率可以高達104MHz。這樣的寬帶寬工作能力可以用于實現(xiàn)新穎的接收機架構(gòu)，如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中，每一級的LO都可以從一路頻率為所需頻率的整數(shù)倍的信號變換得到。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間性能。

固定頻率的RF電路

在圖2中，一個頻率固定的RF LO將信號向下變頻到IF頻段，而信道的調(diào)諧在IF中完成。仍以DCS1800為例，我們可以選擇頻率固定為1520MHz的RF LO。這可以從一路6080MHz的信號通過÷4分頻來獲得。

RF LO 的相噪聲為：

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

參考雜散將出現(xiàn)在偏離載波6.4MHz的頻率上，量值很?。?－90dBc），這是因為（a）4分頻電路對應(yīng)12dB的衰減，以及（b）——由于這是固定頻率的LO——環(huán)路帶寬可以變得很小（例如20kHz）。簡單地施加一路20dB/十倍頻程的衰減，將可以進一步衰減寄生分量。

在200kHz、400kHz、600kHz和800kHz處將不存在參考雜散，而鎖定時間也不成問題，因為在頻率固定的RF電路中無需進行任何調(diào)諧操作。

調(diào)諧作用的IF電路

我們繼續(xù)討論DCS1800實例，圖2示出了一種可調(diào)諧的IF電路，其調(diào)節(jié)范圍從285MHz到380MHz，步進為200kHz。為了實現(xiàn)此功能，PFD頻率選用為3.2MHz ，相應(yīng)產(chǎn)生的初始LO信號可以從4560變化到5760MHz，調(diào)諧的步進為3.2MHz。對這些頻率進行16分頻，就可以獲得所需要的285MHz～360MHz、步進為200kHz的信號。
可調(diào)諧的IF電路在最差情形下的位相噪聲為：

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

參考雜散將出現(xiàn)在偏離載波3.2MHz處。通過選擇500kHz的環(huán)路帶寬， 在3.2MHz的雜散將低于－90dBc。在一個DSC系統(tǒng)中，參考雜散件小的的重要頻率點是200kHz、400kHz、600kHz和800kHz。不過在我們所提出的配置中，這些頻率點上并不存在寄生分量，因為我們選用的PFD工作頻率高達3.2MHz。

在環(huán)路帶寬設(shè)定為500kHz， PFD頻率為3.2MHz時，系統(tǒng)可以在10 µs以內(nèi)完成鎖相操作，且偏差在10°以內(nèi)。圖3所示的是頻率鎖定的響應(yīng)特性。

濾波方面的考慮

上述的兩種架構(gòu)實質(zhì)上都屬于超外差，采用了兩級下變頻電路。在每一級電路中，濾波都有著關(guān)鍵性影響。

在圖1中，位于LNA之前的RF濾波器可以抑制很強的帶外干擾，IF濾波器可以選用窄帶（在GSM體制中可以為200kHz）來抑制帶內(nèi)干擾。

在圖2中，RF濾波器與圖1中所示的相同。不過，圖2中的IF濾波器不能采用窄帶的。它必須能覆蓋整個信號帶寬，因為調(diào)諧是在其后才發(fā)生的。這意味著，帶內(nèi)干擾信號將在信號鏈后面的基帶處理中濾除。ADI可以提供若干種IF到基帶的接收機，包括AD6650、AD6652、AD9870和AD9874。在使用如圖2所示的架構(gòu)時，應(yīng)該仔細考慮這些器件的選用。

結(jié)論

讓PLL的內(nèi)核以更高的PFD頻率工作（最終的LO頻率的整數(shù)倍）可以改善相位噪聲、輸出參考雜散和鎖定時間性能。另外，可調(diào)諧的IF架構(gòu)可以提供更高的性能，因為其倍頻可以采用更高的整數(shù)倍。不過，需要精心考慮濾波方面的需求。

本文中所示的例子是針對整數(shù)N分頻鎖相環(huán)ADF4107的，但這種結(jié)構(gòu)并不僅限于此，采用小數(shù)N分頻體系結(jié)構(gòu)，也能實現(xiàn)類似的性能改善。