现代微波频率合成器技术
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现代微波频率合成器技术 讲座. 赛英科技 刘光祜 Liu Guanghu. 第一章 相位噪声 一、基本概念 相位噪声(相噪) —— 噪声(加性噪声、闪烁噪声等)引起频率源输出相位的随机起伏; —— 相位噪声;噪声调相;零均值随机变量; —— 噪声调频;噪声边带; 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 :.

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现代微波频率合成器技术 讲座

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现代微波频率合成器技术 讲座

赛英科技 刘光祜 Liu Guanghu


第一章 相位噪声

一、基本概念

相位噪声(相噪)——噪声(加性噪声、闪烁噪声等)引起频率源输出相位的随机起伏;

—— 相位噪声;噪声调相;零均值随机变量;

—— 噪声调频;噪声边带;

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:


——有效值(应理解为统计值)

单位 B——测试等效带宽

的数学含义: 自相关函数的傅立叶变换,成立

2、在RF定义的单边带相位噪声功率谱密度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:


当 时,可证明

3、短稳的阿仑方差(无间歇二采样方差) ——相位噪声的时域指标

τ——取样时间,M——测量次数

采用阿仑方差的原因:频率短稳的标准方差对某些相噪因数不收敛。

阿仑方差与相位噪声谱密度的关系:

公式使用上的困难: ——? , ——?

4、剩余调频 ——在一定带宽内,噪声调频产生的频偏的统计值


三、相位噪声的产生机理

1、加性噪声引起放大器的相位噪声基底

模型: 矢量图:

分析结果:放大器相位噪声功率谱密度(基底)为

2、闪烁噪声(噪声)使放大器近端相位噪声恶化

Fc—— 噪声转角频率

——放大器相噪基底,

—— 噪声


3、振荡器的相位噪声

(1) Leeson模型及结论

其中

振荡器相噪功率谱密度:

几个结论:(1) 振荡器相噪大于放大器相噪

(2) (半带宽)时, 靠近输出频率,相噪恶化

(3) 高Q振荡器的相噪指标高


(2) 振荡器相位噪声的幂律谱结构

将表式 代入 后

——白调相噪声; ——白调频噪声;

——闪烁调相噪声; ——闪烁调频噪声;

● 高Q与低Q振荡器的差别:

时(高Q) 时(低Q)


● 晶振与LC-VCO的差别 ● 加入高Q谐振器

对振荡器相位噪声的改善

四、相位噪声对电路系统的影响

1、相位噪声使信号解调后基带信噪比下降;

2、接收机本振相位噪声可能使信号干扰经“倒易混频”进入中频通带。


3、多进制数字调制系统(如QAM)对相位噪声提出更高要求

例:LO相噪引起QAM状态偏移,产生误码

16-QAM星座图

通信领域相关文献举例:

● Sensitivity of Single-carrier QAM Systems to phase Noise Arising from the Hot-carrier effect 2006 IEEE

● Analysis of the effects of phase Noise in Filtered Multi-tone (FMT) Modulated systems 2004 IEEE

● Effect of Carrier Frequency Offset and Phase Noise on the Performance of WFMT Systems 2006 IEEE

● Effect of Phase Noise on RF Communication Singles 2000 IEEE


● Effect of Frequency Instability Caused by Phase Noise on the Performance of Fast FH Communication System 2004 IEEE

● Effect of RF Oscillator Phase Noise on Performance of Communication System 2004 IEEE

● Local Oscillator Phase Noise and Effect on correlation Millimeter wave Receiver Performance

● Understanding the Effects of Phase Noise in Orthogonal Frequency Division Multiplexing 2001 IEEE

4、相位噪声对OFDM系统性能的影响是当前热门学术话题

OFDM相关文献举例:

● Effects of Phase Noise at 60th Transmitter and Receiver on the Performance of OFDM Systems 2006 IEEE

● Compensation of Phase Noise in OFDM wireless Systems 2007 IEEE

● Common Magitude error Due to Phase Noise in OFDM Systems 2007 IEEE


● Analysis of Phase Noise Effects on Time-Direction Differential OFDM Receivers 2005 IEEE

● Performance Analysis of OFDM Systems with Phase Noise 2007 IEEE

● On the Detection of OFDM Signals in the Presence of Strong Phase Noise

● On the Calculation of OFDM Error Performance with Phase Noise in AWGN and Fading Channels 2006 IEEE

5、相位噪声直接影响各种体制雷达的指标

雷达体制 受相位噪声影响的参数

多普勒测速雷达 测速精度

脉冲压缩雷达 距离精度,虚假回波

动目标显示雷达 改善因子

脉冲多普勒雷达 杂散下能见度

合成孔径雷达 天线方向图


定量分析专著:《空间跟踪和通信用地面发射机系统设计》郭衍莹 国防工业出版社 1984

举例:MTI雷达频率源相位噪声与一次对消改善因子I1的关系:

B——IF带宽,

τ——发射与回波的时延,

T——重复周期

雷达领域相关文献举例:

● A New Approach for Evaluating the Phase Noise Requirements of STALO in Doppler Radar the 37th European Microwave Conference

● Effects of Transmitter Phase Noise on Millimeter wave LFMCW Radar Performance 2008 IEEE.

● The Effect of Phase Noise in a Stepped Frequency Continuous wave Ground Penetrating Radar 2001 IEEE

● The Influence of Transmitter Phase Noise on FMCW Radar Performance 2006 EuMA

● Prediction of Phase Noise in TWT based Transmitter for a Pulsed Doppler Radar 1996 IEEE


中文相关文献举例:

● 综论现代雷达频率稳定度问题 1991微波频率源及其测量论文集 郭衍莹

● 频率源的稳定度对雷达性能的影响 1991微波频率源及其测量论文集 应启珩

● MTI雷达改善因子与频率源短稳的关系 1991微波频率源及其测量论文集 朱学勇

● 相位噪声对脉冲多普勒雷达性能影响 《现代雷达》99.21卷2期 方立军

● 机械雷达频综器相位噪声对杂波下能见度的限制 《电讯技术》2000.40卷4期 王宗龙

● 本振相位噪声对干涉式合成孔经辐射计性能的影响 《遥感技术与应用》2007.22卷2期杨栅

● 相位噪声分析及对电路系统的影响 《火控雷达技术》2003.32卷2期 高树延

● 振荡器相位噪声对FSK稳定性能的影响 《系统仿真学报》2007.19卷1期

● 频率合成器相位噪声对跳频通信系统的影响 《空间电子技术》2006.3卷4期 徐启刚

● 相位噪声对传输误码率的影响 《电讯技术》2007.4卷4期 刘嘉兴

● QPSK系统微波本振相位噪声与BER的定量关系 《空间电子技术》2005.2卷3期 刘玉峰

● 本振相位噪声引起QPSK信号相噪比降低的分析与仿真 《空间电子技术》2004.1卷1期 张爱兵


第二章 频率合成器指标

频率合成——由一个参考频率通过电路技术产生一个或多个频率信号的 技术

参考频率源——高稳定、高纯频谱基准源,一般是XO、TCXO、OCXO

一、频率合成器主要指标

1、单边带相位噪声 L(fm)

(1)基本概念:

  • 因噪声对输出频率随机调角造成输出频率的瞬时随机抖动(短期频率稳定度),主谱两侧产生调角噪声边带;

  • 在时域,可用阿仑方差表征这种短期频率稳定度;

  • 在频域,可用相位噪声功率谱密度表征瞬时频率稳定度;

    (2) L(fm)的定义和单位

    Ps——主谱(f0)功率

    Pssb——距主谱fm处1Hz带宽内的单边带调频噪声功率

    单位:dBc/Hz @ Hz。


(3)相位噪声的重要性(举例)

*载波相位噪声解调后影响基带信噪比;

*接收机本振相噪因“倒易混频”使干扰进入中频通带;

*AMTI/PD雷达中载波相噪会降低“改善因子”;

*复杂数字调制(如QAM)接收机中,本振相噪下降,误码率增加

2、非谐波杂散

(1)基本概念:

*除输出频率之外的其它寄生信号(不含噪声)相对于主谱的最大功率。

* 单位:dBc;

* 杂散一般是以寄生调频边带形式产生(见左下图)

* 谐波是信号的波形参数,并非寄生信号


.

(2)产生杂散的原因:

*PLL频综:鉴相杂散,分数杂散;

*DDS频综:原因、成分复杂;

*混频的组合干扰;

*时钟寄生调频;

*电源50Hz寄生调频。

(3)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带宽内;

* 频谱仪测杂散应该取平均;


3、跳频时间

(1)基本概念:

* 频综从f1跳至f2,在误差范围内所需时间,数量级:μs~ms;

* 送数时间应计入跳频时间;

(2)跳频时间的重要性:捷变频体制的重要指标;

(3)跳频时间测量仪器:调制域分析仪、信号分析仪、存贮示波器;

二、频率合成器的其他指标

4、频率漂移

(1)频率温漂 单位ppm(10-6)(工作温度范围)

(2)频率时漂(老化率) 单位ppm/时间——长期频率稳定度

频率漂移由频率合成器的参考源唯一确定


5、输出频率和分辨率(步长) 窄带源、宽带源、点频源

6、谐波抑制 谐波是波形指标,并非寄生杂散

7、输出功率及功率波动 功率波动指标较高时,需要稳幅(温补衰减、AGC)

8、跳频方式:串口、并口

9、负载牵引:输出口指标对负载的敏感度,可用隔离器输出消除。

10、关于频率牵引:振荡器——频率变化;频综源——频谱畸变

第三章 直接频率合成(DS)

直接频率合成是只采用非线性单元电路(混频、分频、倍频等)和线性单元电路(放大器、滤波器等)实现频率合成的技术。

一、放大器的相位噪声

1、加性噪声产生放大器相位噪声基底


放大器加性噪声模型

计及闪烁噪声后放大器的相位噪声

F —— 放大器噪声系数;Psi —— 放大器输入功率

放大器的相噪基底(图七的分析结论):

对数表示:

分析:

T↑

2、闪烁噪声 (1/ fc噪声)使放大器近端相噪抬高

考虑fc时的近似公式:


*

不相关时,

二者功率谱密度相加

二、混频器输出的相位噪声

几点分析:

* 混频器输出相噪由相噪差的一路决定;

* 两输入信号相噪相同时,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。

*

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


三、倍频器输出的相位噪声

分析图12,理想倍频时:

倍频器件:

* 集成倍频器(有源、无源)

* 分立元件:二、三极管、变容管、SRD;


一个问题:

倍频器20lgN的恶化是否不能超越?

——否

图13示例:

A——整体倍频

B——倍频链中插入窄带滤波(高Q)

C——PLL倍频

四、分频器输出的相位噪声

由图14,理想分频时:

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


图十五 某集成分频器的底噪

五、直接频率合成器举例

功能:5MHz参考源,输出:40~80MHz,1Hz步长

缺点:设备量极大

如改用新技术——DDS(1片)+单片机,设备大大简化


*由50MHz参考源产生100kHz、300kHz、2MHz、5MHz、10MHz参考信号;

*倍频器组产生频率1.3——2.2MHz、步长为100kHz的10个频点;

*这些频点经开关矩阵后在混频链中经过了5个10分器后,变成为带宽17——18MHz、步 长1Hz的频率,跳频由开关矩阵实现;

*上述频段再经2MHz上混成为19——20MHz;

*用10个步长为1MHz的频点与上述频率混频产生160——170MHz的频率(带宽10MHz,步长1Hz);

*再用步长为10MHz的4个频点与上述频率下混成40——80MHz,1Hz步长的输出频率。


第四章 PLL频率合成

一、PLL频率合成器基本原理

——单模前置分频

第三章 锁相频率合成(PLL FS)

一、数字分频PLL频率合成器基本原理

图十七 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

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。


二、PLL FS IC主流技术之一

——双模前置分频(吞脉冲技术)

图十八 双模分频PLL频率合成器框图

B>A

*分辨率: 仍为fPD,

*常用p/p+1:4/5,8/9,16/17,32/33,64/65

*单片FS IC已高达8GHz以上。


三、PLL FS IC主流技术之二

——电荷泵输出PFD

图十九 电荷泵输出PFD示意图


采用电荷泵PD后的PLL线性相位模型:

图二十 电荷泵PLL频综相位模型

典型环路滤波器:

图二十一 三环路滤波器

其中:


环路传输:

LF的传递函数因电荷泵而成为阻抗函数:

结论:采用电荷泵PD,无源LF也使PLL成为4阶二型PLL。

#关于单片PLL FS的跳频送数方式

——一般为三线(CLOCK,DATA,LE)串口送数

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)

资料: * NSC AN 1001(极值相位余量设计法)

*Dean Banerjee: NSC PLL performance, Simulation and Design


PLL FS环路带宽内的相噪:

四、输出相位噪声估算

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

例:采用ADF4106,

图二十二 PLL频综输出相噪示意图

则:

环路带宽以外的相噪主要由VCO的相噪决定;

相噪差的VCO对环路带宽内相噪仍存在影响;.


五、主要杂散与跳频时间

鉴相杂散——IN-PLL-FS的最主要杂散;

分数杂散——FN-PLL-FS的最主要杂散;

跳频时间τ——环路带宽wn增加, τ减小,但上述两种杂散会增加 ;

PLL FS的跳频时间一般数十μs以上;具有快锁模式的 PLL-FS IC

其跳频时间可做到25 μs;

wn选取原则:

(FN-PLL)

(IN-PLL)

六、采用电压输出型PD的频率合成器

图二十三

理想二阶PLL

频率合成器

无阻尼振荡频率

阻尼系数


应用:*PLL FS IC的典型产品——PE3236

*模拟PLL:采用分立的PFD,其底噪可低至-230dBc/Hz以下;

七、分数分频锁相频率合成(FN-PLL-FS)

——PLL FS主流技术之三

原理:吞脉冲技术的变通应用,变模值为N/N+1

图二十四

公式:

M——模数 ; 分子取值: ;

步长:


特点:* 步长<<fPD,实现了细步长,但并未降低相噪(仍用22页公式);

* 分数杂散出现,可能很靠近主谱线(距主谱最近值为 )

图二十五 某FS-PLL-FS的分数杂散实例

*具有快锁功能的FN-FS,可实现τ<20μs;

*有各种减小分数杂散的措施与专利,主要技术:Σ-Δ调制;

*单片FN PLL FS 已可工作在8GHz


第五章 直接数字频率合成(DDS)

一、DDS基本原理

DDS基本思想:从相位概念出发来完成数字波形合成;

图二十六 DDS基本原理框图

原理:

信号周期相位为2π,每个时钟相位累加一次;最小相位增量

FCW=k 时,每次累加相位增量

完成2π相位(一周期)经过的时钟个数


输出频率

分辩率:

二、DDS的特点

1、低相位噪声

*DDS实为特殊小数分频器;

*近端相噪由时钟相噪决定,在DDS底噪之上还可因分频而优化;

*DDS底噪可低达-150dBc/Hz,它决定了DDS输出的远端相噪。

2、输出频率不高(Niquist准则)工程上, , 已高达数GHz;

3、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。

4、快跳频,相位连续跳频

全并口时,可小于100ns,控频码经数据处理输入时,可达μs量级。

∴ DDS输出信号的周期


图二十七 AD9858杂散与输出带宽的关系

使用体会:

* 高杂散常出现在 附近

越小于fc

,杂散越小;

*

*正确选取输出频段,可减小杂散;

*改变 fc, ,可有意外收获;


第六章 微波频率合成方案综述

一、跳频源

1、基本PLL方案

(1)采用IN-PLL-FS芯片

图二十八 整数分频基本环频率合成框图


(2)采用FN-PLL-FS芯片

图二十九 分数分频基本环频率合成器框图


(1)PLL内下混频

2、混频PLL方案(M/N环,相加环)

图三十 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。


(2)PLL外上混频

图三十一 PLL环外上混频方框图

* 因混频器在PLL外,输出杂散因而很多,要认真分析,避免在带内出现;

*VCO频率低,其相噪指标较高,成本可能低些。


4、DDS+PLL方案

(1)DDS作为PLL参考源

输出:

图三十三 DDS+PLL常用方案

特点:细步长,跳频时间长,DDS的输出在PLL带内杂散恶化

(2)PLL内插DDS

输出:

图三十四PLL内插DDS方案

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


(3)DDS作为PLL的程序分频器

图三十五 作PLL的程序分频方案

输出:

特点:细步长,低相噪,但

5、多PLL频率合成

仪器中常用。例:HP8662A,7个PLL,


输出:

例一:用分频产生低位环

图三十六 双PLL方案一

特点:细步长,但倍频值仍不大。

例二:低位环用较小的fPD

输出:

图三十六 双PLL方案一

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 VCO——VCXO,CRO,DRO;

3、晶振倍频/倍频链


输入参考:

,TCXO;

输出频率:

步 长: 1k Hz

第七章 设计实例

相位噪声:[email protected]

杂 散:≤-45dBc

P1dB

方案: * 用AD4252实现1kHz步长(PLL1)

* 用AD4106产生点频(PLL2),fV2=3GHz,4fR作为fpd

* PLL1环内下混频

*AD4252最大允许

的确定:

取4252的R=4,fPD1=2.5MHz,M=2500


PLL1带内相噪估算

PLL1环路带宽:<<1kHz(低频环),以保证分数杂散在环路带宽之外。

PLL2带内相噪估算

PLL1的VCO的选择:

因10kHz在环路带宽之外,VCO相噪必须小于-[email protected]

图三十八 C波段跳频源设计实例


成都赛英科技有限公司


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