VSAT是一種小衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可為邊遠地區(qū)的家庭和商業(yè)用戶提供可靠的、具有成本效應(yīng)的寬帶數(shù)據(jù)和其它業(yè)務(wù)。VSAT采用一種小型天線來發(fā)送和接收衛(wèi)星信號，可為所有處于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶提供高帶寬連接，無論用戶地點附近是否有通信基礎(chǔ)設(shè)施。
目前全球使用的VSAT超過100萬只，同時預(yù)計還有大量的潛在用戶。美國約有3,000萬人居住在相對邊遠的地區(qū)，他們都是VSAT的潛在用戶。在英國，由于電纜敷設(shè)率相對較低，而電話交換設(shè)備距離較遠限制了ADSL(非對稱數(shù)字用戶線)的普及，30%以上的人口都有望發(fā)展為VSAT用戶。
為了加強鄉(xiāng)村地區(qū)的寬帶接入服務(wù)，英國政府目前正在加快處理VSAT上行鏈路頻道的授權(quán)。與此類似，歐洲也精簡了授權(quán)機構(gòu)的規(guī)章程序，以便順利布署VSAT。與此同時，VSAT市場的不斷發(fā)展使設(shè)備供應(yīng)商所面臨的壓力越來越大，他們必須減少VSAT系統(tǒng)的成本并簡化其使用。
圖1是從歐洲頻譜分配信息網(wǎng)摘取的一個例子，從中我們可看出在3 GHz-15GHz頻譜范圍內(nèi)的無線應(yīng)用。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會已將高頻的Ku頻段分配給VSAT上行鏈路。上行鏈路工作于14-14.5GHz之間，下行鏈路則工作于12.5-12.75GHz或10.7-11.7GHz之間。其它國家的頻段分配情況大致相同。
基于低噪音單芯片高頻分頻器的PLL設(shè)計
為了在這些頻段內(nèi)正常工作，VSAT設(shè)計者需要一個穩(wěn)定的低噪音高頻信號源。VSAT中的中頻(IF)頻段通常為950-1,450MHz，需要一個工作頻率為13.05GHz的本地振蕩器。迄今為止，設(shè)計者仍然只能通過頻率倍乘來產(chǎn)生工作于這一頻段的IF源。
圖2所示為一個標(biāo)準(zhǔn)的頻率乘法器。它的原理是：將一個穩(wěn)定的頻率源送入非線性的電路中，然后選擇性地產(chǎn)生想要的諧波輸出。這一輸出經(jīng)過嚴(yán)格的濾波，然后通過線性放大器重新放大，進行損失補償。
由于諧波級數(shù)越高其輸出越低，為了將頻率從一個低階的參考源(如晶振)升高到微波頻率，我們需要多級電路。這就是頻率乘法器的缺點，它常常使設(shè)計變得非常復(fù)雜而且昂貴，且效率卻很低。另一方面，乘法器也有其優(yōu)點，那便是它幾乎可以達到任何想要的高頻。
低成本的高頻PLL
新一代的低噪音高頻單芯片分頻器為RF設(shè)計者提供了一種低成本的高性能解決方案，可用來取代頻率乘法器。采用Zarlink提供的13.5GHz分頻器，設(shè)計者可通過成本較低的鎖相環(huán)(PLL)電路為VSAT和其它RF器件構(gòu)建高頻源。分頻器可擴展單芯片頻率合成器的輸出范圍，從而保證工作于高頻的 PLL的相關(guān)正向設(shè)計得以順利進行。
圖3是一個基頻合成器電路，它由一個壓控振蕩器(VCO)、一個可變分頻器和一個相位比較器構(gòu)成。
基于低噪音單芯片高頻分頻器的PLL設(shè)計
加在VCO上的控制電壓決定了VCO的輸出頻率。相位比較器產(chǎn)生的電壓與兩個輸入信號的相位差成比例。這一電壓控制著VCO的頻率，從而保證通過分頻器后(fN)從VCO反饋回來的相位比較器輸入頻率與參考輸入fr的相位一致，以此保證頻率相同。因此，VCO的頻率保持為N×fr。這樣的合成器將生成一系列間隔為fr的頻率。
單芯片頻率合成器的最大范圍通常限制在2-3GHz，一方面是受市場決定，另一方面則因為頻率太高時合成器的功耗會過大。為了產(chǎn)生高頻源，合成器通常在PLL中與一個獨立的外部分頻器進行耦合。這個分頻器將頻率源“預(yù)分”到一個可被合成器處理的頻率。
PLL價廉物美，但目前為止，它們的最大頻率受低噪音商用分頻器的頻率響應(yīng)限制。
13.5GHz分頻器上市后，設(shè)計者可使用低成本的標(biāo)準(zhǔn)元件來構(gòu)建PLL，從而提供VSAT和其它RF器件所需的高頻率。
圖4說明了如何使用PLL電路來創(chuàng)建VSAT上行鏈路本地振蕩器。該設(shè)計需要一個噪音性能較好的單芯片頻率合成器，如SP5769。這種芯片的最大工作頻率為3GHz，但通過ZL40813 13.5GHz器件將VCO的輸出除以8后(為1.6GHz)，可將頻率擴展到13.5GHz。1.6GHz輸入在SP5769中被進一步分頻，然后與晶振參考頻率相比較。SP5769的輸出通過一個充電泵，控制VCO的輸入，構(gòu)成一個閉合回路。
基于低噪音單芯片高頻分頻器的PLL設(shè)計
該電路也可以使用其它單芯片頻率合成器，不過應(yīng)注意選擇那些能與高頻預(yù)分頻器接口的合成器。
在基于BiCMOS技術(shù)的合成器中，有些電路的工作速度可能相對較低，因此不能很好地配合高頻分頻器。
誠然，低相位噪音對VSAT和其它RF器件都十分重要。本例電路中的13.5GHz分頻器是采用互補硅雙極技術(shù)構(gòu)建的，F(xiàn)t為28GHz。這樣在回路帶寬中產(chǎn)生的噪音與載波的噪音十分接近，不會被PLL消除。
噪音級數(shù)與材料的物理特性有關(guān)，如GaAs等其它技術(shù)本身的噪音級數(shù)就比載波噪音要高。圖5列舉了其它13.5GHz分頻器的相位噪音級數(shù)。
基于低噪音單芯片高頻分頻器的PLL設(shè)計
φn=20log10n
在合成過程中增加的相位噪音可通過如下公式計算：
φn=20log10n
其中，φn是超過相位比較器噪音基底(noise floor)的相位噪音增量，單位為dB；n是合成器的輸出頻率與相位檢測器比較頻率之比。
SP5769中的相位比較器噪音基底為-148dBc/Hz。如果比較頻率為4MHz，而輸出頻率為13GHz，則n為3,250。因此，在回路帶寬中的噪音比相位噪音基底高70dB。假設(shè)沒有其它明顯的噪音源，那么13GHz的輸出信號的相位噪音為-78dBc/Hz。
通過類似的方法將頻率從1.6GHz頻分成4MHz，也可以降低分頻器產(chǎn)生的相位噪音，將其產(chǎn)生的噪音降低了52dB，從-140dBc/Hz到-192dBc/Hz。這一數(shù)值與比較器的噪音基底相比可忽略不計。采用同樣的辦法將晶振噪音在內(nèi)部分頻，也可將其忽略不計。
小結(jié)
本文描述了如何用新一代的13.5GHz分頻器來擴展低成本商用頻率合成器的頻率范圍，從而降低VSAT等新型高頻應(yīng)用的成本并推廣其應(yīng)用。
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