基于PLL技术的合成频率源设计

　　1 引言

　　频率源是现代射频和微波电子系统的心脏,其性能直接影响整个电子系统的功能，成为非常重要的部件。

　　频率源分为二大类：自激振荡源和合成频率源。常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器、YIG振荡器和波形发生器等。这些频率源的输出频率范围、调谐带宽、近端相噪等各不相同。合成频率源的主要优点是频率稳定度高,尤其是相位噪声低，有的甚至比原子钟的相噪还低，使用灵活、控制方便、性能优越。而缺点是成本高、技术难度大。现代工程设计中对频率源的频率稳定度、精确度、频率范围等技术指标的要求越来越高。要满足现代电子系统的这些要求在很多情况下必须使用频率合成技术。

　　频率合成是指将高精度和高稳定度的标准信号频率通过一系列的算术运算，产生具有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

　　锁相式频率源具有频率稳定度高、频谱纯、寄生杂波小及相位噪声低等优点，已被广泛用于各种通信和雷达系统。笔者采用分频锁相频率合成技术设计了1.8 GHz锁相频率源。

　　2 锁相环技术的原理

　　实现频率合成的方法可分为直接合成法与间接合成法。二种频率合成技术的特点见表l。

　　

 

　　锁相环(PLL)是由鉴相器(PD),环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)组成的自动相位控制系统。如图1所示。

　　

 

　　其中鉴相器是相位比较装置，用来比较参考信号Ur(t)与压控振荡器输出信号Uo(t)的相位，产生对应于这两个信号相位差的误差电压Ue(t)。环路滤波器的作用是滤除误差信号Ue(t)中的高频成分及噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出电压Uo(t)的控制，使振荡频率向参考频率靠拢，二者的差拍频率越来越低，直至二者的频率相同、保持一个较小的剩余相差为止。下面介绍锁相环工作的大致过程：

　　锁相环路(PLL)和AGC、AFC电路一样，也是一种反馈控制电路。它是一个相位误差控制系统，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整输出信号的相位，以达到与参考信号同频率的目的，从而实现了对信号的频率漂移进行跟踪。在达到同频率的状态下，两个信号之间的稳定相差亦可做得很小。

　　鉴相器是个相位比较装置。它把输入信号和压控振荡器的输出信号Uo(t)的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Ue(t)。环路滤波器的作用是滤除误差电压、Ue(t)中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。压控振荡器受环路滤波器输出电压Uo(t)的控制，使振荡频率向参考频率靠拢，二者的差拍频率越来越低，使两者的频率相同、保持一个较小的剩余相差直至消除频差而锁定为止。在环路开始工作时，如果输入信号频率与压控振荡器频率不同，则由于两信号之间存在固有的频率差，它们之间的相位差就会一直变化，结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化。在这种误差电压的控制下，压控振荡器的频率也在变化。所以，锁相就是压控振荡器被一个外来基准信号控制，使得压控振荡器输出信号的相位和外来基准信号的相位保持某种特定关系，达到相位同步或相位锁定的目的。若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等，在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来。达到稳定后，输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零，相差不再随时间变化，误差电压为一固定值，这时环路就进入“锁定”状态。这就是锁相环工作的大致过程。

　　锁相源设计的技术难点是如何尽量降低相位噪声。下面介绍相位噪声的基本概念和产生的原因，以便采取相应的措施来减少频率源的相位噪声。

　　3 相位噪声的概念及其表征

　　相位噪声一般是指在系统内各种噪声作用下引起的输出信号相位的随机起伏。所谓频率短期稳定度，是指由随机噪声引起的相位起伏或频率起伏。至于因为温度、老化等引起的频率慢漂移，则称之为频率长期稳定度。通常我们主要考虑的是频率短期稳定度问题，频率短期稳定度一般用相位噪声表示。

　　一个理想的正弦波信号可用下式表示：

　　

 

　　式中，V(t)为信号瞬时幅度，Ao为标称值幅度,fo为标称值频率。此时信号的频谱为一线谱。但是由于任何一个信号源都存在着各种不同的噪声,每种噪声分量各不相同,使得实际的输出成为：

　　

 

　　在研究相位噪声的测量时，由于考虑到振荡器的幅度噪声调制功率远小于相位噪声调制功率,所以，|ε(t)|<

　　

 

　　对j(t)的测量，可以用各种类型的谱密度来表示。显然此时的相位起伏为△j(t)，频率起伏为△f(t)=[dj(t)/dt]/2π。常用的相对频率起伏函数为：

　　

 

　　由于相位噪声j(t)的存在，使频率源的频率不稳定。这种不稳定度也常用时域阿仑方差σ2y(2,t,t)及频域相对单边带功率谱(简称功率谱)XXXX表征。

　　它们的定义为：

　　

 

　　式中：XXXXX为为测量采样时间XXX的相邻二次测量测得的频率平均值。

　　

 

　　式中：PSSB(f)为一个相位噪声调制边带在频率为f处的功率谱密度，P0为载波功率。