小數分頻鎖相環

頻率合成器作為航天測控及通信系統的核心部件,是保證測控精度和系統整體戰技性能的關鍵組成部分。鎖相環頻率合成器具有頻率穩定度高 、相位噪聲低 、易於集成等突出優點,因而是通信 、雷達 、武器制導等系統中的重要部件 。隨着電子與通信技術尤其是無線通信領域的飛速發展, Analog 、National 、H ittite 等眾多廠商紛紛推出單片微波鎖相頻率合成器件, 增強了鎖相環振盪器的功能, 提高了鎖相環路的性能 ,使得微波頻率合成技術得以提高 ,朝着小型化、高性能 、低成本的方向不斷向前發展 ^[1]  。

頻率合成技術是無線電技術中的一個重要領域 ,它在無線電技術、無線電通信等各個方面都得到了廣泛的應用。特別是利用數字頻率合成技術 ,能提供一個高精度、高分辨率、便於數字程控的信號源。數字式頻率合成技術的頻率合成方案 ,可分為 2大類: ① 無鎖相環路的直接頻率合成和查表式頻率合成。② 利用鎖相環的間接式頻率合成。而近年來人們提出的小數分頻鎖相技術 ,為鎖相頻率合成開拓了一個嶄新的前景 ^[1]  。

在 S 頻段統一測控系統中 , 微波頻率合成器應用在射頻前端上下行信道以及系統標校設備上 , 其主要特點是: 工作頻率高 ,頻帶寬, 頻率步進小 ,輸出相位噪聲低。本文結合測控系統的設備特點 ,主要研究探索基於單片集成環路的 S 頻段頻率合成技術 。由於傳統單一鎖相環路頻率合成方法很難同時兼顧低相位噪聲和小頻率步進, 因此採用小數分頻鎖相環頻率合成方案 ^[1]  。

LMX2541 系列芯片是高性能小數分頻鎖相頻率合成器芯片, 與其他鎖相環芯片相比,最大的特點在於其芯片內部不僅集成了VCO ,內置了二階 RC 低通濾波器, 而且 R 、C 值可以編程控制; 採用 ∑-Δ調製的雜波抑制技術 , 提高了輸出信號噪聲特性 ; 外部 M CU 可以通過 Microwire 總線實現對 LM X2541 編程控制 ; 該系列芯片有 6 款產品 ,輸出信號覆蓋 1 990 ～ 4 000 M Hz 頻率範圍 ^[1]  。

鎖相式頻率合成技術中的普通倍頻環, 當數字分頻器的分頻比為整數 N 時, 利用對高穩定的輸入參考頻率 f r 的相位鎖定效應, 倍頻環的輸出頻率 f o =N fr 。改變分頻比 N , 就能在寬頻率範圍內獲得高穩定和高頻譜純度的離散輸出頻率。如何提高鎖相式頻率合成器的頻率分辨率, 一直是這類合成器發展過程中研究的主要課題之一。欲提高合成頻率的分辨力, 只有降低參考領率 f r 。然而,在上述單環頻率合成器中 , 這將受到環路濾波器帶寬和動態性能的限制 , 通常參考頻率不宜小於 10kH z 。利用多環合成單元, 可以提高頻率的分辨力 , 但為了進一步提高頻率的分辨力 , 必須把多個合成單元級聯起來 , 顯然, 這種傳統方法是十分複雜的, 實際上不可能實現的。近幾年發展起來的微機控制的小數分頻鎖相環, 使頻率分辨率的提高成為可能 , 所以在現代高性能信號發生器中日益獲得廣泛應用 ^[1]  。

鎖相環路是一個相位誤差控制系統 ,通過比較輸入信號與壓控振盪器輸出信號之間的相位差 , 產生一個對應於 2 個信號相位差的誤差電壓 , 該誤差電壓經處理後去調整壓控振盪器的頻率或相位 。當環路鎖定時 ,誤差控制電壓為一固定值 ,壓控振盪器輸出頻率與輸入信號頻率相等 。鎖相環路的這一特點 ,使得它在頻率合成領域得到廣泛應用 ,用來實現對信號頻率的精確控制 ^[1]  。
　　頻率合成技術是現代通信系統的重要組成部分 ,它是將一個高穩定度和高準確度的基準頻率經過四則運算產生同樣穩定度和準確度的任意頻率 。直接數字頻率合成( DDS) 在基帶信號處理系統中應用廣泛 ,具有頻率分辨率高 、頻率準確度好的顯著優點 ,但是它的最大缺點是輸出頻率不能太高 , 由數字技術帶來的相位量化噪聲和 D/A 變換器帶來的幅度量化噪聲可能導致很高的總輸出噪聲電平 。因此 ,對於寬頻帶射頻振盪器來説 ,鎖相環頻率合成技術仍是主流 ^[1]  。

鎖相環作為頻率合成的主要部件 , 由鑑相器( PD )、環路濾波器( LPF)、壓控振盪器( VCO )和可編程序 N 分頻器組成 。根據分頻器 1/ N 取值方式的不同 , 頻率合成鎖相環路主要有 2 種形式 : 整數分頻鎖相環和小數分頻鎖相環 。當 N 取整數時 , 為整數分頻鎖相環 ; 當N 取小數時 ,為小數分頻鎖相環 ^[1]  。
　　1 整數分頻鎖相環
　　整數分頻鎖相環外接一個固定頻率信號 f OS C ,經過 1/R 分頻後得到鑑相頻率f PD , 壓控振盪器 f VCO 經過 1/ N 分頻後與 f PD 鑑相 。在這個環路中 , 設頻率分辨率為 f CH 。環路鎖定後 ,f VCO與 f OSC之間關係如下fVCO =fOSC ×NR考慮到輸出信號的相位噪聲特性 , 希望儘可能提高鑑相器頻率 f PD 而使 N 值最小 。因為 N 為整數 ,所以鑑相器頻率 f PD 最大可以選擇為頻率分辨率 f CH 。鑑相器頻率 f PD 的計算公式如下f PD =GCD( f OC , f CH)式中 GCD( x , y) 表示 x 和 y 的最大公約數 ^[1]  。

2 小數分頻鎖相環
　　小數分頻鎖相環工作方式下 , N 設定為小數 ,可以用下式表示N = N INT +FnumFden式中 N INT表示 N 值的整數部分 , Fnum表示分子 ,Fden表示分母 。於是 , 小數分頻鎖相環的鑑相頻率計算公式為f PD = GCD( f OSC , f CH ×Fden)比較整數和小數分頻鎖相環之間工作方式的不同 ,不難看出 ,整數分頻鎖相方式下 , 無法在單個環路實現高頻率 、小步進的頻率合成 ,需要通過多個環路才能實現 。而在小數分頻鎖相方式下則可以解決這一問題 ^[1]  。

S 頻段頻率合成器要求直接輸出微波信號 , 同時具備寬頻帶 、小步進和低相噪的特點 。要實現這一目標 , 可供選擇的方案有很多種 , 比如 DDS +PLL +正交調製 、單一鎖相環 、多級鎖相環等頻率合成方法 ,考慮到成本等因素 ,選擇單片集成鎖相環方案 。從上述分析可以看出 ,單一整數鎖相環無法實現微波頻率下小步進的頻率合成 , 故選擇基於小數分頻單片集成鎖相環合成方案 , 最終採用鎖相環頻率合成器件 LM X2541LQ2380E ^[1]  。
　　1 LMX2541 器件介紹
　　LMX2541 是一款超低噪聲鎖相頻率合成器 ,它內部集成了高性能 ∑-Δ小數鎖相環和壓控振盪器 。與其他通用頻率合成芯片相比 , 它具有以下幾個特點 : ①外圍電路簡單 , 電路體積非常小 ,功耗極低 ,它將前置分頻器 、環路濾波器 、VCO 和電荷泵都集成在芯片內 ,只需增加少量外圍元件即可完成頻率合成功能 ,電路結構得以簡化 , 在3 . 3 V 電壓供電時 ,全芯片工作峯值電流僅為 204 m A ; ②由於該芯片已將鎖相環 、環路濾波器和 VCO 全部集成在一起 ,因此電路的實現難度大大降低 ,只需對寄存器寫入正確的數據即可, 電路易於調試 ; ③LM X2541 具有較寬的頻率覆蓋範圍 1 990 ～ 4 000 M H z ,它分為很多頻段 , 每個頻段對應一種型號的 LMX2541 ;④LMX2541 提供了靈活的編程空間 , 在 LM X2541中已經內置了二階 RC 低通濾波器 , 可以滿足一般要求 ,用户可以根據需要定義更高階數的 RC 低通濾波 器的 參 數來 獲得 更 高質 量的 信 號 ; ⑤在LM X2541 中還定義了抖動控制的寄存器 , 可以選擇強抖動 、弱抖動和不抖動 3 種工作模式 ,可以有效地改善信號的相位噪聲特性並抑制雜散 ^[1]  。
　　2 頻率合成器硬件結構
　　頻率合成器硬件結構包括 : 鎖相環模塊 、微控制器 、低噪聲電源等主要部分組成 。鎖相環模塊由LM X2541和環路濾波器組成 ^[1]  。

鎖相環模塊是頻率合成的核心部分 ,內部配置了 100 M H z 的壓控晶體振盪器 VCXO ,也可以從外部輸入更精準的參考源信號 。微控制器實現人機接口 , 接收外部輸入的信號頻率 、幅度等參數 , 針對LM X2541 器件進行頻率合成優化計算 , 產生頻率 、幅度控制字 , 並將控制字通過 M icrowire 總線寫入LM X2541 內部寄存器 。低噪聲電源產生 LM X2541所需的 +3 . 3 V 直流電壓 ^[1]  。
　　3 環路濾波器參數設計
　　採用 Natio n ClockDesign Too l( NCDT )時鐘設計工具軟件對頻率合成器進行設計優化 , 由於選用的 LM X2541 是全鎖相環器件 ,因此優化設計主要工作是環路濾波器的參數選取 。
　　S 頻段頻率合成器輸出頻率範圍設定為 2 200 ～2 300 MH z , 頻率分辨率為 10 kH z ,通過 NCDT 軟件優化分析 ,採用 4 階 RC 濾波器作為環路低通濾波器 ^[1]  。

4 環路雜散抑制技術
　　小數 N 分頻鎖相環雜散主要由分頻控制電路產生 ,分頻控制電路形成有規律的控制信號 ,同時也就產生了有規律的雜散 ,小數 N 分頻鎖相環第一雜散位置出現在 f PD /Fden 。由於小數分頻鎖相環雜散形成的規律性 ,因此可以通過打破這一規律來抑制雜散的形成 。 LM X2541 內部通過 ∑-Δ 調製技術和分頻控制抖動相結合來抑制小數分頻所產生的雜散 ^[1]  。
　　1) 傳統小數分頻控制範圍為 N IN T ～ N INT +1 ,有 2 個分頻控制字 ,等效於一階 ∑-Δ 調製 ; 二階 ∑-Δ調製控制範圍為 N IN T -1 ～ N IN T +2 , 有 4 個分頻控制字 ; 三階 ∑-Δ 調製控制範圍為 N INT -3 ～N IN T +4 , 有 8 個分頻控制字 ; 四階 ∑-Δ 調製控制範圍為 N IN T -7 ～ N IN T +8 , 有 16 個控制字 。 ∑-Δ調製技術相當於將雜散頻帶展寬 ^[1]  。
　　2) 分頻控制抖動技術是改變傳統分頻的控制規律 ,將分頻控制字作隨機化處理 ,這一處理相當於將原先集中的雜散頻率附近的功率平均分佈到展寬後的頻率範圍內 ,因而可以明顯降低雜散電平 。微控制器對 LM X2541 寄存器編程設置 ∑-Δ調製的階數和抖動控制 , 可以實現對輸出信號的雜散抑制 ^[1]  。
　　5 頻率合成器相位噪聲測試
　　微控制器根據輸出頻率 、幅度 、濾波器和環路控制等其他參數,計算得出 LM X2541 寄存器控制字，通過 I/O 口模擬 Microw ire 總線讀寫時序將控制字寫入 LMX2541 內部寄存器 ,用 H P8563E 頻譜分析儀測試頻率合成器輸出信號。頻 率合 成 器的 相 位測 試結 果 表明 , 基 於LM X2541 的 S 頻段頻率合成器輸出信號表現出良好的相位噪聲特性 ^[1]  。

S 頻段頻率合成器製作完成後 ,作為 USB 統一測控系統的信標設備 , 應用於該測控系統的有線和無線射頻閉環檢查 。通過微控制器的串口將頻率合成器輸出信號設置成所需的頻率和幅度 , 經過衰減器後送入高頻接收機 , 通過觀察綜合基帶主接收機和跟蹤基帶的跟蹤接收機和引導接收機的 AGC 電壓 ,可以判斷測控系統整個下行鏈路設備工作狀態 ^[1]  。
　　該頻率合成器還可以延伸應用於其他需要提供S 頻段參考頻率信號的場合 ,比如可以用作變頻器的本振頻率源 ,可以為 A/D 變換提供高速採樣時鐘頻率等 ^[1]  。
　　與整數分頻鎖相環相比 , 小數分頻鎖相環採用小數作為環路分頻計數器 ,可以提高鎖相環鑑相頻率 ,使環路分頻計數器 N 值降低 ,從而有效地降低輸出信號的相位噪聲 , 使噪聲遠離載波中心頻率 。基於 ∑-Δ調製和噪聲成形技術可以極大地抑制由小數分頻帶來的雜散 , 從而提高信號質量 。實驗數據表 明 , 基 於小 數 分頻 鎖相 頻 率合 成 技術 和LM X2541LQ2380E 器件實現的 S 頻段頻率合成器提供了良好的信號輸出特性 ,該頻率合成器外觀小巧 、成本低廉 、設計方案簡單,可以為 USB 測控系統提供低成本頻率合成器解決方案 ^[1]  。