1 引言
頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟,，其性能直接影響整個電子系統(tǒng)的功能,，成為非常重要的部件。
頻率源分為二大類：自激振蕩源和合成頻率源,。常見的自激振蕩源有晶體振蕩器,、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器,、壓控振蕩器,、YIG振蕩器和波形發(fā)生器等。這些頻率源的輸出頻率范圍,、調(diào)諧帶寬,、近端相噪等各不相同。合成頻率源的主要優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度高,，尤其是相位噪聲低,，有的甚至比原子鐘的相噪還低，使用靈活,、控制方便,、性能優(yōu)越。而缺點是成本高,、技術(shù)難度大?，F(xiàn)代工程設(shè)計中對頻率源的頻率穩(wěn)定度,、精確度,、頻率范圍等技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高。要滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的這些要求在很多情況下必須使用頻率合成技術(shù),。
頻率合成是指將高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率通過一系列的算術(shù)運算,，產(chǎn)生具有相同穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)。
鎖相式頻率源具有頻率穩(wěn)定度高,、頻譜純,、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點，已被廣泛用于各種通信和雷達系統(tǒng),。筆者采用分頻鎖相頻率合成技術(shù)設(shè)計了1.8 GHz鎖相頻率源,。
2 鎖相環(huán)技術(shù)的原理
實現(xiàn)頻率合成的方法可分為直接合成法與間接合成法。二種頻率合成技術(shù)的特點見表l,。
鎖相環(huán)（PLL）是由鑒相器（PD）,，環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成的自動相位控制系統(tǒng)。如圖1所示,。
其中鑒相器是相位比較裝置,，用來比較參考信號Ur（t）與壓控振蕩器輸出信號Uo（t）的相位，產(chǎn)生對應(yīng)于這兩個信號相位差的誤差電壓Ue（t）,。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差信號Ue（t）中的高頻成分及噪聲,，以保證環(huán)路所要求的性能,，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo（t）的控制,，使振蕩頻率向參考頻率靠攏,，二者的差拍頻率越來越低，直至二者的頻率相同,、保持一個較小的剩余相差為止,。下面介紹鎖相環(huán)工作的大致過程：
鎖相環(huán)路（PLL）和AGC、AFC電路一樣,，也是一種反饋控制電路,。它是一個相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較,，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位,，以達到與參考信號同頻率的目的，從而實現(xiàn)了對信號的頻率漂移進行跟蹤,。在達到同頻率的狀態(tài)下,，兩個信號之間的穩(wěn)定相差亦可做得很小。
鑒相器是個相位比較裝置,。它把輸入信號和壓控振蕩器的輸出信號Uo（t）的相位進行比較,，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差的誤差電壓Ue（t）。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓,、Ue（t）中的高頻成分和噪聲,，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo（t）的控制,，使振蕩頻率向參考頻率靠攏，二者的差拍頻率越來越低,，使兩者的頻率相同,、保持一個較小的剩余相差直至消除頻差而鎖定為止。在環(huán)路開始工作時,，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同,，則由于兩信號之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差就會一直變化,，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化,。在這種誤差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化,。所以,，鎖相就是壓控振蕩器被一個外來基準(zhǔn)信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來基準(zhǔn)信號的相位保持某種特定關(guān)系,，達到相位同步或相位鎖定的目的,。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等,，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達到穩(wěn)定后,，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零,，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值,，這時環(huán)路就進入“鎖定”狀態(tài),。這就是鎖相環(huán)工作的大致過程。
鎖相源設(shè)計的技術(shù)難點是如何盡量降低相位噪聲,。下面介紹相位噪聲的基本概念和產(chǎn)生的原因,，以便采取相應(yīng)的措施來減少頻率源的相位噪聲。
3 相位噪聲的概念及其表征
相位噪聲一般是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏,。所謂頻率短期穩(wěn)定度,，是指由隨機噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因為溫度,、老化等引起的頻率慢漂移,，則稱之為頻率長期穩(wěn)定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩(wěn)定度問題,，頻率短期穩(wěn)定度一般用相位噪聲表示,。
一個理想的正弦波信號可用下式表示：
式中，V（t）為信號瞬時幅度,，Ao為標(biāo)稱值幅度,，fo為標(biāo)稱值頻率。此時信號的頻譜為一線譜,。但是由于任何一個信號源都存在著各種不同的噪聲,，每種噪聲分量各不相同,，使得實際的輸出成為：
在研究相位噪聲的測量時,，由于考慮到振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率，所以,，|ε（t）|《
對j（t）的測量,，可以用各種類型的譜密度來表示。顯然此時的相位起伏為△j（t）,，頻率起伏為△f（t）=［dj（t）/dt］/2π,。常用的相對頻率起伏函數(shù)為：
由于相位噪聲j（t）的存在，使頻率源的頻率不穩(wěn)定,。這種不穩(wěn)定度也常用時域阿侖方差σ2y（2,，t，t）及頻域相對單邊帶功率譜（簡稱功率譜）XXXX表征,。
它們的定義為：
式中：XXXXX為為測量采樣時間XXX的相鄰二次測量測得的頻率平均值,。
式中：PSSB（f）為一個相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度,，P0為載波功率。 4 系統(tǒng)各組成部件相位噪聲分析
鎖相環(huán)頻率合成器主要由倍頻器,、放大器,、分頻器、混頻器,、鑒相器,、振蕩器等基本電路組成，還包括輔助捕獲電路,、跳頻控制電路和電子開關(guān)等,，它們都會不同程度地對頻率合成器引入噪聲。
本文鏈接：
基于PLL技術(shù)的合成頻率源設(shè)計
http://ee.ofweek.com/2011-02/ART-8300-2809-28438217.html
文章標(biāo)簽：
PLL 頻率源 ADF4118 濾波器 振蕩器
(責(zé)任編輯：Kevin)
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1 引言
頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟,，其性能直接影響整個電子系統(tǒng)的功能,，成為非常重要的部件。
頻率源分為二大類：自激振蕩源和合成頻率源,。常見的自激振蕩源有晶體振蕩器,、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器,、壓控振蕩器,、YIG振蕩器和波形發(fā)生器等。這些頻率源的輸出頻率范圍,、調(diào)諧帶寬,、近端相噪等各不相同。合成頻率源的主要優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度高,，尤其是相位噪聲低,，有的甚至比原子鐘的相噪還低，使用靈活,、控制方便,、性能優(yōu)越。而缺點是成本高,、技術(shù)難度大?，F(xiàn)代工程設(shè)計中對頻率源的頻率穩(wěn)定度、精確度,、頻率范圍等技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高,。要滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的這些要求在很多情況下必須使用頻率合成技術(shù)。
頻率合成是指將高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)信號頻率通過一系列的算術(shù)運算,，產(chǎn)生具有相同穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù),。
鎖相式頻率源具有頻率穩(wěn)定度高、頻譜純,、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點,，已被廣泛用于各種通信和雷達系統(tǒng),。筆者采用分頻鎖相頻率合成技術(shù)設(shè)計了1.8 GHz鎖相頻率源。
2 鎖相環(huán)技術(shù)的原理
實現(xiàn)頻率合成的方法可分為直接合成法與間接合成法,。二種頻率合成技術(shù)的特點見表l,。
鎖相環(huán)（PLL）是由鑒相器（PD），環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO）組成的自動相位控制系統(tǒng),。如圖1所示,。
其中鑒相器是相位比較裝置，用來比較參考信號Ur（t）與壓控振蕩器輸出信號Uo（t）的相位,，產(chǎn)生對應(yīng)于這兩個信號相位差的誤差電壓Ue（t）,。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差信號Ue（t）中的高頻成分及噪聲，以保證環(huán)路所要求的性能,，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo（t）的控制，使振蕩頻率向參考頻率靠攏,，二者的差拍頻率越來越低,，直至二者的頻率相同、保持一個較小的剩余相差為止,。下面介紹鎖相環(huán)工作的大致過程：
鎖相環(huán)路（PLL）和AGC,、AFC電路一樣，也是一種反饋控制電路,。它是一個相位誤差控制系統(tǒng),，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號的相位,，以達到與參考信號同頻率的目的,，從而實現(xiàn)了對信號的頻率漂移進行跟蹤。在達到同頻率的狀態(tài)下,，兩個信號之間的穩(wěn)定相差亦可做得很小,。
鑒相器是個相位比較裝置。它把輸入信號和壓控振蕩器的輸出信號Uo（t）的相位進行比較,，產(chǎn)生對應(yīng)于兩個信號相位差的誤差電壓Ue（t）,。環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓,、Ue（t）中的高頻成分和噪聲,，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。壓控振蕩器受環(huán)路濾波器輸出電壓Uo（t）的控制,，使振蕩頻率向參考頻率靠攏，二者的差拍頻率越來越低,，使兩者的頻率相同,、保持一個較小的剩余相差直至消除頻差而鎖定為止,。在環(huán)路開始工作時，如果輸入信號頻率與壓控振蕩器頻率不同,，則由于兩信號之間存在固有的頻率差,，它們之間的相位差就會一直變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化,。在這種誤差電壓的控制下,，壓控振蕩器的頻率也在變化。所以,，鎖相就是壓控振蕩器被一個外來基準(zhǔn)信號控制,，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來基準(zhǔn)信號的相位保持某種特定關(guān)系，達到相位同步或相位鎖定的目的,。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號頻率相等,，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個頻率上穩(wěn)定下來。達到穩(wěn)定后,，輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的頻差為零,，相差不再隨時間變化，誤差電壓為一固定值,，這時環(huán)路就進入“鎖定”狀態(tài),。這就是鎖相環(huán)工作的大致過程。
鎖相源設(shè)計的技術(shù)難點是如何盡量降低相位噪聲,。下面介紹相位噪聲的基本概念和產(chǎn)生的原因,，以便采取相應(yīng)的措施來減少頻率源的相位噪聲。
3 相位噪聲的概念及其表征
相位噪聲一般是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏,。所謂頻率短期穩(wěn)定度,，是指由隨機噪聲引起的相位起伏或頻率起伏。至于因為溫度,、老化等引起的頻率慢漂移,，則稱之為頻率長期穩(wěn)定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩(wěn)定度問題,，頻率短期穩(wěn)定度一般用相位噪聲表示,。
一個理想的正弦波信號可用下式表示：
式中，V（t）為信號瞬時幅度,，Ao為標(biāo)稱值幅度,，fo為標(biāo)稱值頻率。此時信號的頻譜為一線譜,。但是由于任何一個信號源都存在著各種不同的噪聲,，每種噪聲分量各不相同，使得實際的輸出成為：
在研究相位噪聲的測量時，由于考慮到振蕩器的幅度噪聲調(diào)制功率遠(yuǎn)小于相位噪聲調(diào)制功率,，所以,，|ε（t）|《
對j（t）的測量，可以用各種類型的譜密度來表示,。顯然此時的相位起伏為△j（t）,，頻率起伏為△f（t）=［dj（t）/dt］/2π。常用的相對頻率起伏函數(shù)為：
由于相位噪聲j（t）的存在,，使頻率源的頻率不穩(wěn)定,。這種不穩(wěn)定度也常用時域阿侖方差σ2y（2，t,，t）及頻域相對單邊帶功率譜（簡稱功率譜）XXXX表征,。
它們的定義為：
式中：XXXXX為為測量采樣時間XXX的相鄰二次測量測得的頻率平均值。
式中：PSSB（f）為一個相位噪聲調(diào)制邊帶在頻率為f處的功率譜密度,，P0為載波功率,。 4 系統(tǒng)各組成部件相位噪聲分析
鎖相環(huán)頻率合成器主要由倍頻器、放大器,、分頻器,、混頻器、鑒相器,、振蕩器等基本電路組成,，還包括輔助捕獲電路、跳頻控制電路和電子開關(guān)等,，它們都會不同程度地對頻率合成器引入噪聲,。