現代微波頻率合成器技術

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起伏；

——相位噪聲；噪聲調相；零均值隨機變量；

——噪聲調頻；噪聲邊帶；頻率的瞬時起伏——短期頻率穩定(短穩)。結論：相位噪聲是噪聲對主譜的隨機調角（調頻、調相）二、相位噪聲的度量1、相位噪聲的功率譜密度

簡單分析：單一頻率產生的噪聲調相：

——有效值（應理解為統計值）單位B——測試等效帶寬

的數學含義：自相關函數的傅立葉變換，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、相位噪聲的產生機理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模型及結論其中振蕩器相噪功率譜密度：幾個結論：（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振蕩器的相噪指標高（2）振蕩器相位噪聲的冪律譜結構將表式代入后

——白調相噪聲；——白調頻噪聲；——閃爍調相噪聲；——閃爍調頻噪聲；●高Q與低Q振蕩器的差別：

時（高Q）時（低Q）

3、多進制數字調制系統（如QAM）對相位噪聲提出更高要求例：LO相噪引起QAM狀態偏移，產生誤碼

16-QAM星座圖通信領域相關文獻舉例：●SensitivityofSingle-carrierQAMSystemstophaseNoiseArisingfromtheHot-carriereffect2006IEEE●AnalysisoftheeffectsofphaseNoiseinFilteredMulti-tone(FMT)Modulatedsystems2004IEEE●EffectofCarrierFrequencyOffsetandPhaseNoiseonthePerformanceofWFMTSystems2006IEEE●EffectofPhaseNoiseonRFCommunicationSingles2000IEEE●EffectofFrequencyInstabilityCausedbyPhaseNoiseonthePerformanceofFastFHCommunicationSystem2004IEEE●EffectofRFOscillatorPhaseNoiseonPerformanceofCommunicationSystem2004IEEE●LocalOscillatorPhaseNoiseandEffectoncorrelationMillimeterwaveReceiverPerformance●UnderstandingtheEffectsofPhaseNoiseinOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing2001IEEE4、相位噪聲對OFDM系統性能的影響是當前熱門學術話題OFDM相關文獻舉例：●EffectsofPhaseNoiseat60thTransmitterandReceiveronthePerformanceofOFDMSystems2006IEEE●CompensationofPhaseNoiseinOFDMwirelessSystems2007IEEE●CommonMagitudeerrorDuetoPhaseNoiseinOFDMSystems2007IEEE●AnalysisofPhaseNoiseEffectsonTime-DirectionDifferentialOFDMReceivers2005IEEE●PerformanceAnalysisofOFDMSystemswithPhaseNoise2007IEEE●OntheDetectionofOFDMSignalsinthePresenceofStrongPhaseNoise●OntheCalculationofOFDMErrorPerformancewithPhaseNoiseinAWGNandFadingChannels2006IEEE5、相位噪聲直接影響各種體制雷達的指標雷達體制受相位噪聲影響的參數

多普勒測速雷達測速精度脈沖壓縮雷達距離精度，虛假回波動目標顯示雷達改善因子脈沖多普勒雷達雜散下能見度合成孔徑雷達天線方向圖中文相關文獻舉例：●綜論現代雷達頻率穩定度問題1991微波頻率源及其測量論文集郭衍瑩●頻率源的穩定度對雷達性能的影響1991微波頻率源及其測量論文集應啟珩●MTI雷達改善因子與頻率源短穩的關系1991微波頻率源及其測量論文集朱學勇●相位噪聲對脈沖多普勒雷達性能影響《現代雷達》99.21卷2期方立軍●機械雷達頻綜器相位噪聲對雜波下能見度的限制《電訊技術》2000.40卷4期王宗龍●本振相位噪聲對干涉式合成孔經輻射計性能的影響《遙感技術與應用》2007.22卷2期楊柵●相位噪聲分析及對電路系統的影響《火控雷達技術》2003.32卷2期高樹延●振蕩器相位噪聲對FSK穩定性能的影響《系統仿真學報》2007.19卷1期●頻率合成器相位噪聲對跳頻通信系統的影響《空間電子技術》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》2007.4卷4期劉嘉興●QPSK系統微波本振相位噪聲與BER的定量關系《空間電子技術》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》2004.1卷1期張愛兵

第二章頻率合成器指標頻率合成——由一個參考頻率通過電路技術產生一個或多個頻率信號的技術參考頻率源——高穩定、高純頻譜基準源，一般是XO、TCXO、OCXO一、頻率合成器主要指標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調角造成輸出頻率的瞬時隨機抖動（短期頻率穩定度），主譜兩側產生調角噪聲邊帶；在時域，可用阿侖方差表征這種短期頻率穩定度；在頻域，可用相位噪聲功率譜密度表征瞬時頻率穩定度；

(2)L（fm）的定義和單位

Ps——主譜（f0）功率

Pssb——距主譜fm處1Hz帶寬內的單邊帶調頻噪聲功率單位：dBc/Hz@Hz。（3）相位噪聲的重要性（舉例）*

載波相位噪聲解調后影響基帶信噪比；*

接收機本振相噪因“倒易混頻”使干擾進入中頻通帶；*AMTI/PD雷達中載波相噪會降低“改善因子”；*

復雜數字調制（如QAM）接收機中，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頻邊帶形式產生（見左下圖）

*諧波是信號的波形參數，并非寄生信號3、跳頻時間（1）基本概念：

*頻綜從f1跳至f2，在誤差范圍內所需時間，數量級：μs~ms；*送數時間應計入跳頻時間;（2）跳頻時間的重要性：捷變頻體制的重要指標；（3）跳頻時間測量儀器：調制域分析儀、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，并非寄生雜散7、輸出功率及功率波動功率波動指標較高時，需要穩幅（溫補衰減、AGC）8、跳頻方式：串口、并口9、負載牽引：輸出口指標對負載的敏感度，可用隔離器輸出消除。10、關于頻率牽引：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）實現頻率合成的技術。一、放大器的相位噪聲1、加性噪聲產生放大器相位噪聲基底

…放大器的相噪基底（圖七的分析結論）：對數表示：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；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、變容管、SRD；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（觸發相位噪聲），導致相噪的降低可能達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：設備量極大如改用新技術——DDS（1片）+單片機，設備大大簡化

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、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主流技術之一——雙模前置分頻（吞脈沖技術）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FSIC已高達8GHz以上。B＞A三、PLLFSIC主流技術之二——電荷泵輸出PFD圖十九電荷泵輸出PFD示意圖LF的傳遞函數因電荷泵而成為阻抗函數：

環路傳輸：

結論：采用電荷泵PD，無源LF也使PLL成為4階二型PLL。關于設計方法：軟件：*ADISimPLL

*

NSCEasyPLL（在線設計）

*PLL設計大師（賽英公司自主研發的軟件）資料：*NSCAN1001（極值相位余量設計法）

*DeanBanerjee:NSCPLLperformance,SimulationandDesign

＃關于單片PLLFS的跳頻送數方式

——一般為三線（CLOCK，DATA，LE）串口送數

四、輸出相位噪聲估算圖二十二PLL頻綜輸出相噪示意圖PLLFS環路帶寬內的相噪：

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對環路帶寬內相噪仍存在影響；.環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；

分數雜散——FN-PLL-FS的最主要雜散；

跳頻時間τ——環路帶寬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

圖二十三理想二階PLL頻率合成器應用：*PLLFSIC的典型產品——PE3236

*模擬PLL：采用分立的PFD，其底噪可低至-230dBc/Hz以下；七、分數分頻鎖相頻率合成（FN-PLL-FS）——PLLFS主流技術之三公式：

M——模數；分子取值：；

步長：

原理：吞脈沖技術的變通應用，變模值為N/N+1圖二十四特點：*步長<<fPD，實現了細步長，但并未降低相噪(仍用22頁公式)；

*分數雜散出現，可能很靠近主譜線（距主譜最近值為）圖二十五某FS-PLL-FS的分數雜散實例*具有快鎖功能的FN-FS，可實現τ<20μs；*有各種減小分數雜散的措施與專利，主要技術：Σ-Δ調制；*單片FNPLLFS已可工作在8GHz第五章直接數字頻率合成（DDS）一、DDS基本原理DDS基本思想：從相位概念出發來完成數字波形合成；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）經過的時鐘個數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化；*DDS底噪可低達-150dBc/Hz，它決定了DDS輸出的遠端相噪。2、輸出頻率不高（Niquist準則）工程上，，已高達數GHz；3、雜散復雜雜散指標與輸出帶寬有關，可用分段濾波抑制雜散。4、快跳頻，相位連續跳頻全并口時，可小于100ns，控頻碼經數據處理輸入時，可達μs量級。分辯率：

圖二十七AD9858雜散與輸出帶寬的關系

使用體會：*高雜散常出現在附近越小于

fc*正確選取輸出頻段，可減小雜散；*改變fc，，可有意外收獲；，雜散越小；*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芯片圖二十八整數分頻基本環頻率合成框圖（2）采用FN-PLL-FS芯片圖二十九分數分頻基本環頻率合成器框圖

2、混頻PLL方案（M/N環，相加環）（1）PLL內下混頻圖三十PLL內下混頻方框圖*雜散輸出相對下面的方案較少，但需要VCO的頻率高，VCO指標差些。*要注意本振泄漏，產生雜散。(2)PLL外上混頻圖三十一PLL環外上混頻方框圖*因混頻器在PLL外，輸出雜散因而很多，要認真分析，避免在帶內出現；*

VCO頻率低，其相噪指標較高，成本可能低些。圖三十三DDS+PLL常用方案

輸出：

特點：細步長，跳頻時間長，DDS的輸出在PLL帶內雜散惡化(2)PLL內插DDS圖三十四PLL內插DDS方案輸出：

特點：*細步