頻率合成器的相位噪聲分析
1 相位噪聲概述
相位噪聲，就是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下所表現(xiàn)的相位隨機(jī)起伏，相位的隨機(jī)起伏必然引起頻率隨機(jī)起伏，這種起伏速度較快，所以又稱之為短期頻率穩(wěn)定度。
理想情況下，合成器的輸出信號在頻域中為一根單一的譜線，而實(shí)際上任何信號的頻譜都不可能絕對純凈，總會受到噪聲的調(diào)制產(chǎn)生調(diào)制邊帶。由于相位噪聲的存在，使波形發(fā)生畸變。在頻域中其輸出信號的譜線就不再是一條單根的譜線，而是以調(diào)制邊帶的形式連續(xù)地分布在載波的兩邊，在主譜兩邊出現(xiàn)了一些附加的頻譜，從而導(dǎo)致頻譜的擴(kuò)展，相位噪聲的邊帶是雙邊的，是以f0為中心對稱的，但為了研究方便，一般只取一個(gè)邊帶。其定義為偏離載頻1 Hz帶寬內(nèi)單邊帶相位噪聲的功率與載頻信號功率之比，它是偏離載頻的復(fù)氏頻率fm的函數(shù)，記為￡(fm)，單位為dBc／Hz，即
式(1)中，PSSB為偏離載頻fm處，1 Hz帶寬內(nèi)單邊帶相位噪聲功率；P0為載波信號功率。
2 頻率合成器中的噪聲特性分析
在頻率合成器中，噪聲的來源是多方面的，既有外部噪聲，也有電子電路的內(nèi)部噪聲，一般只考慮隨機(jī)噪聲的影響。
2．1 頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方式
頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一種是直接式頻率合成器；另一種是間接式頻率合成器。
直接式頻率合成器是將基準(zhǔn)頻率通過倍頻、分頻和混頻進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，再通過開關(guān)濾波器組選出所需的輸出頻率。
間接式頻率合成器是利用鎖相環(huán)(PLL)構(gòu)成的頻率合成器，它利用鎖相環(huán)優(yōu)異窄帶跟蹤特性，使輸出頻率鎖定在高穩(wěn)定的參考頻率上。輸出頻率的相位噪聲主要由VCO和參考頻率源兩者合成決定，靠近載波主要是倍頻后的參考源的相位噪聲，遠(yuǎn)離載波主要是VCO遠(yuǎn)端的相位噪聲。
2．2 影響直接式頻率合成器的噪聲因素
2．2．1 參考頻率振蕩器的相位噪聲
參考頻率振蕩器，使用晶體振蕩器：它是整個(gè)頻率綜合器的心臟，晶振和諧波發(fā)生器的指標(biāo)決定了頻綜的輸出指標(biāo)。理論上直接式頻綜輸出相噪為：晶振的相噪為輸出頻率，F(xiàn)r為參考頻率?？梢钥闯鲋苯邮筋l率合成器輸出相噪取決于晶振的相噪。
2．2．2 混頻器的相位噪聲
混頻器輸出端所得到的輸出頻率是其輸入兩信號頻率的和頻或差頻。如果這兩個(gè)輸入信號不是純凈理想信號，而在完成頻率相加或相減的同時(shí)，也完成了相位噪聲的相加或相減，對于隨機(jī)噪聲來說，混頻器輸出相位噪聲功率譜密度等于兩個(gè)輸入信號相位噪聲譜密度之和，并且這兩個(gè)輸入信號不相關(guān)。因此對功率譜密度而言，兩個(gè)不相關(guān)的隨機(jī)函數(shù)的相加或相減是沒有區(qū)別的，相減只是意味著倒相，并不影響振幅大小，它們的功率譜密度永遠(yuǎn)是相加的。
2．2．3 分頻器的相位噪聲
分頻器的任務(wù)是將輸入信號的頻率除以分頻比N。實(shí)際上，在輸入頻率除以N的同時(shí)，輸入相位噪聲θni(t)也同時(shí)除以N。
2．2．4 倍頻器的相位噪聲
倍頻器是產(chǎn)生頻標(biāo)的最基本的方法，也是直接式頻率合成器中最基本的電路。它的指標(biāo)直接影響了頻率合成器輸出的指標(biāo)，即有
式(2)中，θno(t)代表倍頻器輸出的相位噪聲，θni(t)代表倍頻器輸入的相位噪聲。
式(3)中，Sφo(fm)代表倍頻器輸出的相位噪聲功率譜密度、Sφo(fm)代表倍頻器輸出的相位噪聲功率譜密度、N為倍頻因子。
2．3 影響間接式頻率合成器的噪聲因素
間接式頻率合成器是利用鎖相環(huán)(PLL)構(gòu)成的頻率合成器，主要分為兩種：間接模擬式頻率合成器、間接數(shù)字式頻率合成器。
基于鎖相環(huán)的間接式頻率合成器的主要缺點(diǎn)是會產(chǎn)生較大的相位噪聲。鎖相環(huán)中的噪聲源主要包括晶體振蕩器、壓控振蕩器(VCO)、鑒相器、環(huán)路濾波器等這些噪聲在頻率合成器中各環(huán)節(jié)。
為了保持相位噪聲最小，必須考慮環(huán)路元件如何產(chǎn)生和環(huán)路影響。下面將簡單討論環(huán)路元件在鎖相環(huán)路中相位噪聲對頻率合成器輸出相位噪聲的影響。
2．3．1 晶體振蕩器的相位噪聲
晶體振蕩器的相位噪聲φi(S)對輸出相位噪聲φo(S)的影響為
由式(4)中可以看出，晶振中心頻率ω的相位噪聲全部由環(huán)路輸出，大于環(huán)路諧振頻率ωn的相位噪聲將被衰減。由于分頻次數(shù)Ⅳ與倍頻次數(shù)M受輸出頻率和跳頻點(diǎn)數(shù)限制，故主要考慮φi(S)。晶體振蕩器等效電路中的放大器固有噪聲功率FKTB經(jīng)放大器后通過帶寬為Bi的晶體濾波器與信號功率Ps一起加到輸入端，mo形成相位噪聲，為放大器輸出端的基底噪聲，可寫成
2．3．2 壓控振蕩器(VCO)的相位噪聲
壓控振蕩器(VCO)的相位噪聲對φ0(S)的影響為
φVCO(S)φ0(S)對的影響具有高通特性，低于的分量環(huán)路有很強(qiáng)的抑制作用，高于ωn的相位噪聲分量將全部輸出。因此頻率合成器遠(yuǎn)端的相位噪聲主要決定φVCO(S)，φVCO(S)降低是降低頻率合成器遠(yuǎn)端相位噪聲的主要方法。
但是軍品所使用的頻率綜合器往往要求在帶寬內(nèi)能迅速轉(zhuǎn)換頻率，這就要求VCO在工作帶寬內(nèi)能頻率捷變。為滿足該要求，常常用變?nèi)荻O管來調(diào)諧VCO，這就降低了VCO的Q值，以至VCO近端的相位噪聲不會太好，因此一般在軍品頻率合成器的設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)加寬鎖相環(huán)路的帶寬。
2．3．3 環(huán)路濾波器的相位噪聲
影響相位噪聲的另一個(gè)重要因素是環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器對最終性能有很大影響，這是因?yàn)樗鼪Q定拐點(diǎn)頻率(在拐點(diǎn)頻率處來自電路不同部分的噪聲開始影響輸出，如圖2所示)。
在環(huán)路帶寬內(nèi)，鑒相器強(qiáng)迫VCO跟蹤參考頻率，將參考頻率源的相位噪聲帶到VCO上。由于鑒相器噪聲基底通常比參考頻率源的相位噪聲高，因此這一過程受到鑒相器噪聲基底的支配。由于補(bǔ)償頻率高于環(huán)路帶寬，環(huán)路就不能很好的跟蹤參考頻率，總的相位噪聲等于VCO的相位噪聲，因此要將環(huán)路帶寬設(shè)置在鑒相器噪聲基底與VCO自由振蕩時(shí)相位噪聲的交叉點(diǎn)上。過寬和過窄的環(huán)路帶寬雖然對VCO的相位噪聲有一定的改善，但不能很好地提高PLL的相位噪聲性能。
2．3．4 鑒相器的相位噪聲
鑒相器的相位噪聲對φ0(S)的影響為
由式(7)可以看出，對φ0(S)也呈低通特性，對φ0(S)影響將很小。另外，還可看出，應(yīng)盡量提高鑒相靈敏度Kd，使環(huán)路抑制能力增強(qiáng)，還應(yīng)注意鑒相器輸入電壓也應(yīng)足夠大，使鑒相器二極管能工作在理想?yún)^(qū)域，以降低鑒相器的附加相噪。
2．3．5 電源引起的相位噪聲
電源引起的相位噪聲主要來源于電源變壓器及整流后的紋波電壓，它們都通過某種方式對基準(zhǔn)信號進(jìn)行調(diào)制，尤其對晶振的調(diào)制，而形成相位噪聲，這種噪聲都屬于近端干擾噪聲，將由環(huán)路全部轉(zhuǎn)移到輸出端輸出。
3 實(shí)際應(yīng)用中頻率合成器的相位噪聲
通過以上對頻率合成器的相位噪聲的分析，可以看出，直接式頻率合成器的輸出相位噪聲好于間接式頻率合成器的輸出相位噪聲。
在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)所要求的技術(shù)指標(biāo)的不同，采用了不同合成方式的頻率合成器。例如，某型號產(chǎn)品的頻率合成器為直接式頻率合成器，它使用100 MHz高穩(wěn)定度、低相噪晶體振蕩器為基準(zhǔn)參考信號源，在輸出頻率x波段上，偏離載頻1 kHz處的相噪優(yōu)于一100 dBc／Hz。如圖3所示。
某型號產(chǎn)品的頻率合成器，采用間接式鎖相環(huán)頻率合成器，工作頻率在c波段，它使用100 MHz高穩(wěn)定度、低相噪晶體振蕩器為基準(zhǔn)參考信號源，在輸出頻率上，偏離載頻1 kHz處的相噪達(dá)到一85 dBc／Hz，如圖4(a)所示。偏離載頻1 MHz處的相噪達(dá)到一100 dBc／Hz，如圖4(b)所示。
某產(chǎn)品的VCO，在輸出頻率X波段上，偏離載頻1 MHz處的相噪達(dá)到一65 dBc/Hz，如圖4所示。
由以上實(shí)際應(yīng)用中使用的頻率合成器的相位噪聲圖，可以明顯的看出，直接式頻率合成器的輸出相位噪聲優(yōu)于間接式頻率合成器。
4 結(jié)束語
在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，頻率合成器的相位噪聲直接影響到電子系統(tǒng)的性能，因此對其相位噪聲提出了越來越高的要求。通過對頻率合成器的相位噪聲的分析，說明頻率合成器的低相噪設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求來綜合考慮，使整個(gè)頻率合成器的低相噪設(shè)計(jì)達(dá)到最佳狀態(tài)。
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