2022年频率合成器的相位噪声分析 .pdf

频率合成器的相位噪声分析臧永蔓(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081 )摘 要 频率合成器广泛应用于现代各种电子设备中,甚至被人们喻为众多电子系统的“心脏”。其性能好坏直接影响通信设备的性能,尤其是影响接收机的灵敏度和选择性。对频率合成器相位噪声的概念进行了简单的阐述。从锁相环的分析模型出发,介绍相位噪声的特性,分析了影响相位噪声的各种主要因素,并提出了提高频率合成器相位噪声性能的一些基本方法 。通过实例介绍了环路滤波器参数的选择与计算。关键词 相位噪声;环路带宽;锁相环;压控振荡器中图分类号TN74文献标识码A文章编号 1003 - 3106(2007)09 - 0038 - 03Analysis of Phase Noise in Frequency SynthesizerZANG Yong- man( The54 th ResearchInstitute o f CETC, Shijiazhuang Hebei050081 , China)AbstractThe frequency synthesizeris widely used in modern electronic equipments, and even considered as“the heart”of manyelectronic systems.Its performance will influence the equipments performance , especially the sensitivity and the selectivity of the receiver.At first the concept of phase noisein frequency synthesizeris simply describedin this paper. Then basedon P LL synthesizeranalysis model ,the characteristics of phasenoise is introduced. At the sametime , the major factors affecting phase noiseand s ome approachesto improve theperformance of phase noiseare presented. Finally , examples are given to introduce the option and calculation of the loop filter.Key wordsphase noise; loop bandwidth; phase locked loop;VCO收稿日期:20072042110 引言频率合成器的相位噪声是一项非常重要的技术指标 ,它直接影响现代电子系统的性能。无论是作为发射激励信号,还是作为接收机本振信号以及各种频率基准时,相位噪声都会引起基带信噪比下降。若本振信号相噪较差,则会使通信系统中的话路信噪比下降,误码率增加。随着电子技术的高速发展,对频率合成器相位噪声的要求越来越严格,因此低相位噪声 、 高可靠性频率合成器的研制成为系统发展的主要内容。1 相位噪声的概念相位噪声一般是指信号源中在各种随机噪声作用下引起的输出信号相位噪声的随机起伏或瞬时频率起伏 ,也就是常说的频率短期稳定度。而由于温度和老化等引起的频率慢漂移则称为频率长期稳定度 。通常主要考虑的是频率短期稳定度问题。理想情况下 ,合成器的输出信号在频域中为一根单一的谱线 ,而实际情况下,由于相位噪声的存在,使波形发生畸变。 在时域上表现为输出信号的频率(或相位 )随时间作随机变化,在频域中其输出信号的谱线就不再是一条单根的谱线,而是以调制边带的形式连续地分布在载波的两边,在主谱两边出现了一些附加的频谱,从而导致频谱的扩展,如图1所示。图1相位噪声边带由图 1( a) 可以看出,相位噪声的边带是双边的 ,是以f0为中心对称的。但为了研究问题方便,一般只取一个边带,如图 1 ( b) 所示 ,并用单边带(SS B) 相噪谱密度( (fm) )来表示 ,单位为工程中常用到的相位噪声单位dBc/ Hz。 ( fm)表示偏离某电磁场与微波382007Radio Engineering Vo1137 No19名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 载波频率fmHz 处 ,在 1 Hz 带宽内相位噪声功率PSS B与载波信号功率P0之比,一般可简称为单边带相噪谱,即( fm) =PSS BP0。2 频率合成器的噪声特性分析在频率合成器中,噪声的来源是多方面的,既有外部噪声 ,也有电子电路中的内部噪声,一般只考虑内部随机噪声的影响。噪声和干扰具有随机性,具体分析计算起来极其困难,虽然可以借助电脑辅助设计工具进行设计分析,但是也有必要借助锁相环的线性相位模型对其噪声特性进行分析研究,了解频率合成器的噪声特性。频率合成器的噪声来源主要可以简单归纳为以下 3 种噪声模型 :作用在参考分频器输入端的晶体振荡器的等效相位噪声;作用在鉴相器输入端的等效相位噪声,其中包括鉴相器 、 可变分频器和参考分频器的触发噪声,以及环路滤波器的各种有源、 无源器件的等效噪声。此类噪声在环路通带内具有白色频谱特性;作用在压控振荡器输出端的等效相位噪声,以及压控振荡器控制端感应的寄生干扰等,其中压控振荡器的内部噪声是主要噪声源。可见锁相环中的噪声源主要包括鉴相器、 VCO信号分频器 、 环路滤波器和参考信号分频器。这些噪声源插入锁相环路的位置如图2 所示 。图中 ,nR为参考信号的相位噪声;nM为参考信号分频器的相位噪声;nO为锁相环路输出的相位噪声;nN为压控振荡器信号分频器的相位噪声;nVCO为压控振荡器信号的相位噪声;nPD为鉴相器的相位噪声;nLPF为环路放大器的相位噪声。图2锁相环中噪声源插入锁相环路的位置下面简单讨论各个噪声源在锁相环路中的传输函数 。运用传输理论,可得下面的噪声等式:ni=nRM+nM;n0=n0N+nN;neq= (ni-n0) KPD;n0= (neq+ VnPD+ VnLPF) H(s) KVCOs+nVCO。式中, KVCO为压控振荡器的控制灵敏度; KPD为鉴相器的鉴相灵敏度; H ( s)为环路滤波器的传输函数;N为压控振荡器的分频次数; M为参考信号的分频次数 。对上式进行变形简化,可得锁相环的输出相位噪声为:n0= nRM+nM-nN?KPDKVCOH(s)s1 +KPDKVCOH(s)Ns+ VnPD+VnLPF?KVCOH( s)s1 +KPDKVCOH( s)Ns+nVCO11 +KPDKVCOH( s)Ns。上式给出了锁相环路中每个噪声源在环路中的传输函数。 由于每个噪声源是不相干的,则其相位噪声的功率谱密度可以从每个噪声源的均方根值得到。3 频率合成器的低噪声设计一般情况下可以对频率合成器各部件所造成的相位噪声影响进行较好的理论分析,从而可以估测频率合成器输出的相位噪声性能。参考信号在锁相环路内的相位噪声倍乘上一个闭环低通的传输函数,这个传输函数对环路带宽外的噪声进行衰减。环路的陡度与环路阻尼系数有关,因而环路阻尼系数对参考信号环路带宽外的相位噪声具有很大影响。当 = 0.5 时遏制噪声的性能最好;当 0.5 时,环路的过冲较大,对环路的可靠入锁不利。环路对压控振荡器相位噪声的影响恰好相反。压控振荡器对输出相位噪声的影响具有高通特性,即在环路带宽内,压控振荡器的相位噪声被衰减。在环路带宽外,环路对压控振荡器的相位噪声影响电磁场与微波2007 年 无线电工程第 37 卷 第 9 期39名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 很小,可以等同于压控振荡器自由振荡时的相位噪声 。但在实际应用中,当环路带宽很窄或者VCO 的噪声很大时,VCO 的相噪指标还是会影响到锁相环的带内噪声 。因此,相位噪声性能好的频率合成器一般都采用低相噪压控振荡器。由上可以看出,从遏制参考源的噪声考虑,要求噪声带宽越小越好;而从遏制压控振荡器的噪声考虑,则要求噪声带宽越大越好,这是一对矛盾,因此,最佳的环路噪声带宽应使环路的噪声输出为最小。为了使环路噪声性能达到最佳,环路带宽可选择闭环带宽内相噪电平与VCO 相噪电平的交叉点,作为快速估算这是一种很有效的方法。这样锁相环既能抑制压控振荡器固有噪声的低频分量,又能抑制环路低噪声的高频分量,从而使频率合成器的相位噪声最小 。通常参考源的相位噪声很小,VCO 噪声在带外占主要地位,因此环路带宽的选择应该考虑到环路锁定时间、 相位噪声 、 稳定性以及杂散的抑制等各方面因素。要做到频率合成器的低噪声设计除了前面提到的选择最佳环路带宽、 采用低相噪压控振荡器外,还要在满足指标要求的情况下减低分频比,提高鉴相频率和参考源晶振的频率。在实际的工程应用中还要考虑各部分电路的接地状况、 电源供电情况,以及合理布局等,这些都会直接影响到频率合成器输出信号的相位噪声性能。4 环路滤波器的设计仿真环路滤波器的功能是滤除高频信号以及差动相干频率 。为了获得优化的低相位噪声,必须选择最佳的环路带宽,这使得环路滤波器的设计很关键,同时对频率合成器的最终性能也有很大影响。适当加宽环路滤波器带宽能够改善环路滤波器性能,其作用不但可以改善相位噪声性能,还可以加快环路锁定时间 。实际应用中环路的带宽可以选择为鉴相频率的 10 %。电脑辅助设计不但可以大幅缩短锁相环路的设计时间 ,降低成本 ,还可以改善电路设计。所以可以利用一些仿真软件进行分析,为研制和调试频率合成器提供方便。下面给出利用ADI SimP LL 计算的一个频率合成器的例子。频率合成器的输出频率1 5801 620MHz ,压控振荡器使用Zcomm公司的 CLV1605E ,其应用频段为1 572 1 635MHz。集成锁相芯片选择AD 公司的ADF4112 ,参考晶振为10 MHz ,鉴相频率为333 kHz ,环路带宽选择33. 3 kHz,相位余量选择45,并使用无源环路滤波器。经 ADI SimP LL 分析后 ,其仿真结果如图 3 所示 。图中 ,R1 = 7.01 k; R2 = 14.3 k;图3ADI simPLL仿真结果C1 = 140 pF;C2 = 1.91 nF;C3 = 64.0 pF 。由图 3 中的仿真结果可知其输出相位噪声的仿真结果完全满足所需 ,并 可 得 出环路滤波器中各 元 器 件 的值 ,只 需 进 行适当的微调就可以到所需要的相噪指标 。5 结束语频率合成器的相位噪声直接影响到通信系统的通信质量 。希望上述对频率合成器相位噪声的分析 ,能够对研制和调试频率合成器有一定帮助,并为更好地控制频率合成器的相位噪声提供一些基本的途径 。参考文献1 白居宪.低噪声频率合成M.西安:西安交通大学出版社,1995.2 张厥胜,张会宁,刑静.锁相环频率合成M.北京:电子工业出版社,1997.3 杨晓东.微波锁相源D.成都:电子科技大学硕士论文,2004:15 - 20.4 张海明.频率源的相位噪声特性分析J .无线电通信技术,1999 ,25(1) :25 - 27.作者简介臧永蔓 女,(1977 - ) ,中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。 主要研究方向:频率合成器。电磁场与微波402007Radio Engineering Vo1137 No19名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -