现代微波频率合成器技术讲座学习教案

1、会计学1第一页，共48页。 频率的瞬时起伏短期频率稳定 (短稳)。结论：相位噪声是噪声对主谱的随机调角（调频、调相）二、相位噪声的度量1、相位噪声的功率谱密度简单分析：单一频率产生的 噪声调相： ttfVtVtv0002coscos t dtd dtdfdtdf 21210 mfS tftmrms 2sin2 第1页/共47页第二页，共48页。2RF(zoshng)功率谱密度L(fm)没有相噪的理想频谱实际的输出，相噪常用测量方法定义单位单位：rms BffSmrmsm2 Hzrad2 mfS t 02mmdffS mfHzdBcSmSSBmPffPfL)()(0 第2页/共47页第三页，共4

2、8页。rad1max dBmdBmfLdBfS 3 2f 202121,fMMf 11tktkkdttff 1121Mkkkff 02224sin2mmmfdfffSfc mfS 2f 2f mfS resF mmbammmbamresdffLfdffSfF 222 第3页/共47页第四页，共48页。PsikTFS dBdBdBPsiFdBmS 174 f1 mmcmfPsiFkTffPsiFkTfS 1PsiFkTmf f1第4页/共47页第五页，共48页。 LmmQfjfjfH2110 mLmmfQffSfS210 mmfSfS LmQff20 mfS mLfSQ 第5页/共47页第六页，

3、共48页。 mfS mfS 02112031mmmmmfhfhfhfhfS31 mfh20 mfh11 mfh02mfhLcQff20 LcQff20 第6页/共47页第七页，共48页。第7页/共47页第八页，共48页。第8页/共47页第九页，共48页。第9页/共47页第十页，共48页。第10页/共47页第十一页，共48页。 20221sinsin81BmmmmdfTfffSI 第11页/共47页第十二页，共48页。第12页/共47页第十三页，共48页。SmSSBmPffPfL)()(0 第13页/共47页第十四页，共48页。第14页/共47页第十五页，共48页。（2）产生杂散的原因：）产生杂

4、散的原因： * PLL频综：鉴相杂散，分数杂散；频综：鉴相杂散，分数杂散； * DDS频综：原因、成分复杂频综：原因、成分复杂(fz)； *混频的组合干扰；混频的组合干扰； *时钟寄生调频；时钟寄生调频； *电源电源50Hz寄生调频。寄生调频。 （3）杂散抑制指标的意义及测量）杂散抑制指标的意义及测量 * 杂散可直接或经过非线性电路进入信道杂散可直接或经过非线性电路进入信道(xn do)带宽带宽内；内； * 频谱仪测杂散应该取平均；频谱仪测杂散应该取平均；第15页/共47页第十六页，共48页。第16页/共47页第十七页，共48页。第17页/共47页第十八页，共48页。放大器的相噪基底放大器的相

5、噪基底(j d)（图七的分析结论）：（图七的分析结论）：siPFkTS 对数对数(du sh)表示：表示：dBmdBdBdBmsiPF174S分析分析(fnx)：F计及闪烁噪声后放大器的相位噪声 siP放大器加性噪声模型 SF 放大器噪声系数；Psi 放大器输入功率T2、闪烁噪声、闪烁噪声 （1/ fc噪声）使放大器近端相噪抬高噪声）使放大器近端相噪抬高考虑fc时的近似公式： mcsiffPFkTS1 第18页/共47页第十九页，共48页。LSI SL和不相关时，二者功率(gngl)谱密度相加 mmmfSfSfSLSI 几点分析：几点分析： * 混频器输出相噪由相噪差的一路决定；混频器输出相噪

6、由相噪差的一路决定； * 两输入信号两输入信号(xnho)相噪相同时，输出相噪恶化相噪相同时，输出相噪恶化3dB； * 混频是提高频综输出频率而不恶化相噪的重要手段。混频是提高频综输出频率而不恶化相噪的重要手段。两个相参信号混频后的相噪与相关系数有关，输出相噪要优于不相关信号混频时的值* *第19页/共47页第二十页，共48页。三、倍频器输出三、倍频器输出(shch)的的相位噪声相位噪声分析图12，理想(lxing)倍频时：NfLfLmimlg200倍频器件：倍频器件： * 集成集成(j chn)倍频器（有源、无源）倍频器（有源、无源） * 分立元件：二、三极管、变容管、分立元件：二、三极管、

7、变容管、SRD；第20页/共47页第二十一页，共48页。四、分频器输出四、分频器输出(shch)的的相位噪声相位噪声 图13示例： A整体倍频(bi pn) B倍频(bi pn)链中插入窄带滤波(高Q) CPLL倍频(bi pn)由图14，理想理想分频时： NfLfLmimlg200分频器存在底噪（触发相位噪声），导致相噪的降低可能达不到上述值第21页/共47页第二十二页，共48页。图十五 某集成(j chn)分频器的底噪五、直接五、直接(zhji)频率合成器频率合成器举例举例功能：功能：5MHz参考源，输出：参考源，输出：4080MHz，1Hz步长步长缺点：设备缺点：设备(shbi)量极大量

8、极大如改用新技术如改用新技术DDS（1片）片）+单片机，设备单片机，设备(shbi)大大简化大大简化第22页/共47页第二十三页，共48页。 * *由由50MHz50MHz参考源产生参考源产生100kHz100kHz、300kHz300kHz、2MHz2MHz、5MHz5MHz、10MHz10MHz参考信号；参考信号； * *倍频器组产生频率倍频器组产生频率1.32.2MHz1.32.2MHz、步长为、步长为100kHz100kHz的的1010个频点；个频点； * *这些频点经开关矩阵后在混频链中经过了这些频点经开关矩阵后在混频链中经过了5 5个个1010分器后，变成为带宽分器后，变成为带宽1

9、71718MHz18MHz、步、步 长长1Hz1Hz的频率，跳频由开关矩阵实现的频率，跳频由开关矩阵实现(shxin)(shxin)； * *上述频段再经上述频段再经2MHz2MHz上混成为上混成为1920MHz1920MHz； * *用用1010个步长为个步长为1MHz1MHz的频点与上述频率混频产生的频点与上述频率混频产生160170MHz160170MHz的频率的频率( (带宽带宽10MHz10MHz，步长，步长1Hz)1Hz)； * *再用步长为再用步长为10MHz10MHz的的4 4个频点与上述频率下混成个频点与上述频率下混成4080MHz4080MHz，1Hz1Hz步长的输步长的输

10、出频率。出频率。第23页/共47页第二十四页，共48页。图十七(sh q) 最基本的PLL频率合成器方框图 可编程分频器工作频率不够高，使用前置分频可提高输出频率可编程分频器工作频率不够高，使用前置分频可提高输出频率缺点：缺点： * 单模前置分频提高了输出频率，但使分辨率降低(分辨率为VfPD)； * 采用电压输出PFD，存在死区、且对LF要求高。PDRVVfNRfVNf 一、一、PLL频率合成器基本原理频率合成器基本原理 单模前置分频单模前置分频第24页/共47页第二十五页，共48页。图十八 双模分频(fn pn)PLL频率合成器框图 PDPDVNffAPBf *分辨率: 仍为fPD， *常

11、用(chn yn)p/p+1：4/5，8/9，16/17，32/33，64/65 *单片FS IC已高达8GHz以上。 BA第25页/共47页第二十六页，共48页。图十九(sh ji) 电荷泵输出PFD示意图第26页/共47页第二十七页，共48页。图二十 电荷泵PLL频综相位(xingwi)模型典型(dinxng)环路滤波器：其中：21211CCCCRTc 222CRT 333CRT RRKfA 1图二十一 三环路滤波器第27页/共47页第二十八页，共48页。 sIsVsZdc 环路(hun l)传输： 213112200111TTSTSTCNSSTkkkNsHsTAd 结论结论(jiln)：

12、采用电荷泵：采用电荷泵PD，无源，无源LF也使也使PLL成为成为4阶二型阶二型PLL。关于设计方法：关于设计方法：软件： * ADI Sim PLL * NSC Easy PLL（在线设计） * PLL设计大师（赛英公司自主研发的软件）设计大师（赛英公司自主研发的软件）资料： * NSC AN 1001（极值相位余量设计法） * Dean Banerjee: NSC PLL performance, Simulation and Design 关于单片关于单片PLL FS的跳频送数方式的跳频送数方式 一般为三线（一般为三线（CLOCK，DATA，LE）串口送数）串口送数第28页/共47页第二十

13、九页，共48页。图二十二 PLL频综输出(shch)相噪示意图PLL FS环路环路(hun l)带宽内的相噪：带宽内的相噪： NfHzPNfLPDmlg20lg10)1 ( 例：采用ADF4106， MHzfPD1 MHzfV1000 Hz/dBc)Hz(PN2191 其中其中fPD鉴相频率N对fPD的倍频值PN(1Hz)： 鉴相器的1Hz归一化基底相噪则： Hz/dBclglgfLm99110002010102196 相噪差的VCO对环路带宽内相噪仍存在影响；. 环路带宽以外的相噪主要由环路带宽以外的相噪主要由VCO的相噪决定；的相噪决定；第29页/共47页第三十页，共48页。PDnf （I

14、N-PLL） 32 分分fc （FN-PLL） 六、采用电压输出六、采用电压输出(shch)型型PD的频率合成器的频率合成器无阻尼振荡频率无阻尼振荡频率(pnl) 110 Nkkn 阻尼系数阻尼系数 22 n )121( 一般取图二十三理想二阶PLL频率合成器第30页/共47页第三十一页，共48页。公式公式(gngsh)： PDvfMkNf M模数模数 ； 分子分子(fnz)取值：取值： ； MK0 步长：步长： MfPD原理原理：吞脉冲技术的变通应用，变模值为N/N+1图二十四第31页/共47页第三十二页，共48页。MfPD2 图二十五 某FS-PLL-FS的分数(fnsh)杂散实例*具有快

15、锁功能的具有快锁功能的FN-FS，可实现，可实现(shxin)20s；*有各种减小分数杂散的措施与专利，主要技术：有各种减小分数杂散的措施与专利，主要技术：-调制；调制；*单片单片FN PLL FS 已可工作在已可工作在8GHz第32页/共47页第三十三页，共48页。图二十六 DDS基本原理框图(kungt)原理原理(yunl)：信号周期相位为2，每个时钟相位累加一次；最小相位增量 N22 完成2相位（一周期）经过的时钟个数kknNN2222 FCW=k 时，每次累加相位增量Nk22 第33页/共47页第三十四页，共48页。cLkfnT10 输出输出(shch)频率频率 二、二、DDS的特点的

16、特点1、低相位噪声、低相位噪声 *DDS实为特殊小数分频器；实为特殊小数分频器； *近端相近端相(dun xin)噪由时钟相噪决定，在噪由时钟相噪决定，在DDS底噪之上还可因分频而优化；底噪之上还可因分频而优化； *DDS底噪可低达底噪可低达-150dBc/Hz，它决定了，它决定了DDS输出的远端相输出的远端相(dun xin)噪。噪。2、输出频率不高（、输出频率不高（Niquist准则）工程上，准则）工程上， ， 已高达数已高达数GHz；3、杂散复杂、杂散复杂 杂散指标与输出带宽有关，可用分段滤波抑制杂散。杂散指标与输出带宽有关，可用分段滤波抑制杂散。4、快跳频，相位连续跳频、快跳频，相位连

17、续跳频 全并口时，可小于全并口时，可小于100ns，控频码经数据处理输入时，可达，控频码经数据处理输入时，可达s量级。量级。kfnfTfNCLKCLK 2100cff4 . 00 cf分辩率：分辩率： NCLKf2第34页/共47页第三十五页，共48页。图二十七 AD9858杂散与输出(shch)带宽的关系 Nfc0f使用使用(shyng)体会：体会： * 高杂散常出现在高杂散常出现在 附近附近越小于 fc*正确选取(xunq)输出频段，可减小杂散；*改变 fc， ，可有意外收获；，杂散越小；*第35页/共47页第三十六页，共48页。图二十八 整数分频基本环频率(pnl)合成框图第36页/共4

18、7页第三十七页，共48页。图二十九 分数(fnsh)分频基本环频率合成器框图 第37页/共47页第三十八页，共48页。（1）PLL内下混频(hn pn)图三十(sn sh) PLL内下混频方框图 *杂散输出相对下面的方案较少，但需要VCO的频率高，VCO指标差些。 *要注意本振泄漏，产生杂散。第38页/共47页第三十九页，共48页。图三十一 PLL环外上混频(hn pn)方框图* 因混频器在因混频器在PLL外，输出杂散因而很多，要认真分析外，输出杂散因而很多，要认真分析(fnx)，避免在带内出现；，避免在带内出现；* VCO频率低，其相噪指标较高，成本可能低些。频率低，其相噪指标较高，成本可能

19、低些。第39页/共47页第四十页，共48页。图三十三 DDS+PLL常用(chn yn)方案 输出(shch)： NfkfcN 20特点特点(tdin)：细步长，跳频时间长，：细步长，跳频时间长，DDS的输出在的输出在PLL带内杂散恶化带内杂散恶化N lg20 (2)PLL内插DDS图三十四PLL内插DDS方案输出： DDSPDffNf 0NN 特点：特点： * 细步长，DDS输出可为窄带，杂散较小；为定值时，因跳频步长较小，可实现较快频；变化可实现宽带输出N 4、DDS+PLL方案方案 (1)DDS作为PLL参考源*第40页/共47页第四十一页，共48页。输出输出(shch)： PDfKNf

20、20 特点特点(tdin)：细步长，低相噪，但：细步长，低相噪，但 图三十五 作PLL的程序分频方案maxmaxcoff 5、多、多PLL频率合成频率合成仪器中常用。例：HP8662A，7个PLL， Hz1 . 0/MHz1280kHz10 of第41页/共47页第四十二页，共48页。图三十六 双PLL方案(fng n)一输出(shch)： MfNfNfPDAPDBo 特点：特点：细步长，但倍频值仍不大。例二：低位环用较小的例二：低位环用较小的fPD输出：PDBBPDABofNfNf 二、点频源二、点频源 1、所有跳频源均可实现点频源； 2、采用PLL方案时，用高Q VCOVCXO，CRO，DRO； 3、晶振倍频/倍频链图三十六 双PLL方案一第42页/共47页第四十三页，共48页。输入(shr)参考：MHz10 Rf，TCXO；输出(shch)频率： MHz329031900 f步 长： 1k Hz 相位噪声： 95dBc/Hz10kHz dBdBm110 P1dB方案：方案： * 用AD42