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實現(xiàn)低相位噪聲及高速頻率切換的共存

發(fā)布時間:2012-03-06

中心議題:
  • 探討實現(xiàn)低相位噪聲及高速頻率切換的共存方案
解決方案:
  • PLL 采用基于混頻器的鑒相器
  • 采用標(biāo)準(zhǔn)兩點調(diào)制生成寬頻帶、寬頻偏調(diào)制

接收機質(zhì)量和測試儀速度的提高對信號發(fā)生器性能提出了更為嚴苛的要求。隨著頻譜日益擁擠,通信行業(yè)必須開發(fā)新的調(diào)制技術(shù),提高組件測試速度和性能及生產(chǎn)能力。因此,現(xiàn)在比以往更加需要經(jīng)濟高效的高質(zhì)量信號源解決方案。

和汽車到手機的演變類似,信號發(fā)生器的性能不斷提高而價格卻日益走低,客戶和消費者不斷要求獲得更多的功能和性能且希望價格更低。

RFIC 設(shè)計和手機生產(chǎn)測試要求信號源降低相噪,加快頻率切換速度,這種要求通常來說是矛盾的。因此一般而言,性能優(yōu)化往往只能針對其中一種要求或另一種要求,很少能夠同時滿足兩種要求。Aeroflex S-Series信號發(fā)生器采用了具有特點的頻率合成器設(shè)計[圖1]同時優(yōu)化兩方面的性能,在頻率切換時間小于100 μs的同時,1 GHz典型相噪低至-135 dBc/Hz,頻偏20-kHz [圖2]。

現(xiàn)代器件技術(shù)的進步實現(xiàn)了頻率合成器設(shè)計的小型化和簡單化,與前代產(chǎn)品相比,其尺寸和成本都有大幅的下降。在信號發(fā)生器體積更小、重量更輕的同時,其功能還可以隨著產(chǎn)品的發(fā)展不斷進行擴展。本文重點介紹這種頻率合成器的設(shè)計原理及其對輸出信號帶來的影響。

多環(huán)頻率合成器


多環(huán)頻率合成器設(shè)計具有更寬的頻率范圍 (高達6 GHz)和極高的頻率分辨率。這種特殊設(shè)計[圖2]采用兩個鎖相環(huán) (PLL)。一個提供可按粗調(diào)步長在所需范圍內(nèi)進行步進調(diào)整的高頻、低噪聲 RF 信號。直接數(shù)字頻率合成器 (DDS) 提供可在粗調(diào)步長內(nèi)內(nèi)插進行精密頻率分辨的低頻信號。兩種信號輸入第二個 PLL 生成最終輸出信號。

低噪聲高頻信號源


盡管聲表面波 (SAW) 振蕩器一直是 1GHz 頻段低噪聲信號源,但采用倍增大功率 VHF 晶振仍是最好的方法。問題是高頻晶振可以降低噪聲,但會加大內(nèi)插步長難度,低頻晶振可以縮小步長,但會造成噪聲成倍增加。為了解決這種矛盾,采用135MHz晶振和小數(shù)乘法器,信號頻率范圍967 MHz到1350 MHz,步長22.5 MHz,與 22.5MHz 晶振相比,采用135MHz晶振時本底噪聲可改善16 dB。

晶振設(shè)計人員面臨相互矛盾的要求。良好相位噪聲需要大功率,縮小調(diào)諧范圍。受測試儀生命周期晶振老化的影響,壓控晶體振蕩器 (VCXO) 鎖定特定頻率需要小功率和較寬的調(diào)諧范圍。解決辦法是采用大功率振蕩器降低噪聲,以數(shù)字方式處理晶振老化。135MHz晶振是 10MHz標(biāo)準(zhǔn)參考頻率相位比較振蕩器,可產(chǎn)生精確的頻率輸出。內(nèi)插頻率合成器動態(tài)編程實時修正頻偏。

內(nèi)插頻率合成器


內(nèi)插頻率合成器高頻信號調(diào)諧范圍11.25 MHz至內(nèi)插22.5MHz。輸出環(huán)路可加減頻率,因此所需范圍僅為粗調(diào)步長的一半。這種內(nèi)插頻率合成器的其他基本功能包括:

精密 0.01Hz 合成器分辨率范圍可倍增到 6 GHz,

偏置 VCXO 額定頻率偏差

應(yīng)用寬頻帶 FM。

720MHz 壓控聲表面波振蕩器 (VCSO) 是10MHz 基準(zhǔn)頻率鎖相振蕩器,用作DDS時鐘。頻率合成器生成非調(diào)制 CW 時,通過增加一級 720MHz 信號,進一步降低 DDS 輸出已經(jīng)很低的假信號,濾除低頻微小偏差。這種情況下,頻率范圍為 22.5 MHz 至33.75 MHz。當(dāng)需要頻率合成器生成寬頻偏 FM 信號時,額定內(nèi)插頻率范圍由33.75 MHz 變?yōu)?45 MHz,內(nèi)插信號可在 ±10 MHz 范圍內(nèi)浮動,實現(xiàn)寬頻偏。DDS 輸出用于直接將頻率范圍由 23.75 MHz (33.75 MHz - 10 MHz) 變?yōu)?55 MHz (45 MHz + 10 MHz)。

輸出加法環(huán)路


輸出環(huán)路將兩個低噪聲信號相加。本底低噪聲壓控振蕩器 (VCO) 額定頻率范圍500 MHz至 667 MHz 增加一倍,達到 1000 MHz 至 1333 MHz。這個信號與低噪聲高頻信號混合。然后,利用差頻對內(nèi)插信號進行相位比較。鑒相器輸出經(jīng)低通濾波后,通過反饋控制 VCO 構(gòu)成完整的 PLL。

倍頻程頻率合成器一般采用 VCO 庫覆蓋輸出范圍,因為低噪聲倍頻程調(diào)諧范圍不是直接完成的。為實現(xiàn)所需調(diào)諧范圍,可將 1/3倍頻程 VCO 放大3、4或5倍覆蓋一個倍頻程。

這種乘法器采用噪聲低于以前設(shè)計的方法。1000MHz 至 1333MHz 信號可再放大一倍,達到 VCO 頻率的4倍。這個信號可用來直接生成4倍輸出,或與本底 VCO 信號混合生成3倍和5倍 VCO 頻率。可調(diào)帶通濾波器選擇上、下邊帶。這種采用倍增器加混頻器的方法可保證整個倍增頻率范圍內(nèi)的噪底低于采用其他方法。
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快速頻率切換的實現(xiàn)及其設(shè)計

實現(xiàn) 100 µs 內(nèi)完成頻率轉(zhuǎn)換,同時保持低噪聲進一步提出了許多挑戰(zhàn)。頻率合成器至預(yù)調(diào) VCO 和頻率可調(diào)變?nèi)荻O管帶通濾波器存在多處模擬電壓。足以靈活地在幾微秒內(nèi)完成電壓調(diào)諧,且保持噪聲低于幾毫微伏,切換后無飄移是相互矛盾的要求。我們的方法是嚴格篩選并選擇低噪聲 DAC、帶寬可變無源濾波器和介電吸收系數(shù)低的濾波器電容。

小數(shù)乘法器和輸出加法環(huán)路中的 PLL 采用基于混頻器的鑒相器。雖然本底噪聲很低,但它們的缺點是捕獲范圍有限,這是保證 PLL 環(huán)路帶寬的必要條件。搜索振蕩器等傳統(tǒng)鎖相方法對于這種應(yīng)用來說速度太慢。當(dāng)粗調(diào)預(yù)設(shè)相位將 VCO 頻率調(diào)整到正確范圍后,可在鎖相之前采用數(shù)字鑒相技術(shù) (已申報專利) 精確調(diào)整 VCO。FPGA 比較鑒相器兩個信號的頻率,通過修改預(yù)設(shè)電壓將 VCO 調(diào)整到正確頻率。

由于 PLL 最小帶寬為 200 kHz,當(dāng) VCO 極為接近鎖定時,可以非常迅速鎖定設(shè)定頻率,頻率設(shè)定可達到 100 µs 的 0.1 ppm。1-GHz 載波頻率的誤差范圍僅為 100 Hz。

頻率調(diào)制


頻率合成器采用標(biāo)準(zhǔn)兩點調(diào)制生成寬頻帶、寬頻偏調(diào)制。FM 系統(tǒng)可利用先進的低成本數(shù)字處理技術(shù)設(shè)置整個 FM 增益,匹配兩個內(nèi)部校準(zhǔn)通道的增益和延遲。調(diào)制信號可同時加給輸出 VCO 和內(nèi)插頻率合成器。由于同時變化,輸出 PLL 在鑒相器處無誤差。AC 和 DC 輸入耦合,以及相位調(diào)制也可以采用數(shù)字化方式處理。
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