小數(shù)分頻鎖相環(huán)合成原理

鎖相環(huán)路是一個相位誤差控制系統(tǒng) ,通過比較輸入信號與壓控振蕩器輸出信號之間的相位差 , 產(chǎn)生一個對應于 2 個信號相位差的誤差電壓 , 該誤差電壓經(jīng)處理后去調整壓控振蕩器的頻率或相位 。當環(huán)路鎖定時 ,誤差控制電壓為一固定值 ,壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號頻率相等 。鎖相環(huán)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(xiàn)對信號頻率的精確控制 ?。

頻率合成技術是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的重要組成部分 ,它是將一個高穩(wěn)定度和高準確度的基準頻率經(jīng)過四則運算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和準確度的任意頻率 。直接數(shù)字頻率合成( DDS) 在基帶信號處理系統(tǒng)中應用廣泛 ,具有頻率分辨率高 、頻率準確度好的顯著優(yōu)點 ,但是它的最大缺點是輸出頻率不能太高 , 由數(shù)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 ,對于寬頻帶射頻振蕩器來說 ,鎖相環(huán)頻率合成技術仍是主流 ?。

鎖相環(huán)作為頻率合成的主要部件 , 由鑒相器( PD )、環(huán)路濾波器( LPF)、壓控振蕩器( VCO )和可編程序 N 分頻器組成 。根據(jù)分頻器 1/ N 取值方式的不同 , 頻率合成鎖相環(huán)路主要有 2 種形式 : 整數(shù)分頻鎖相環(huán)和小數(shù)分頻鎖相環(huán) 。當 N 取整數(shù)時 , 為整數(shù)分頻鎖相環(huán) ; 當N 取小數(shù)時 ,為小數(shù)分頻鎖相環(huán) ?。

1 整數(shù)分頻鎖相環(huán)

整數(shù)分頻鎖相環(huán)外接一個固定頻率信號 f OS C ,經(jīng)過 1/R 分頻后得到鑒相頻率f PD , 壓控振蕩器 f VCO 經(jīng)過 1/ N 分頻后與 f PD 鑒相 。在這個環(huán)路中 , 設頻率分辨率為 f CH 。環(huán)路鎖定后 ,f VCO與 f OSC之間關系如下fVCO =fOSC ×NR考慮到輸出信號的相位噪聲特性 , 希望盡可能提高鑒相器頻率 f PD 而使 N 值最小 。因為 N 為整數(shù) ,所以鑒相器頻率 f PD 最大可以選擇為頻率分辨率 f CH 。鑒相器頻率 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(shù) ?。

2 小數(shù)分頻鎖相環(huán)

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

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(xiàn)這一目標 , 可供選擇的方案有很多種 , 比如 DDS +PLL +正交調制 、單一鎖相環(huán) 、多級鎖相環(huán)等頻率合成方法 ,考慮到成本等因素 ,選擇單片集成鎖相環(huán)方案 。從上述分析可以看出 ,單一整數(shù)鎖相環(huán)無法實現(xiàn)微波頻率下小步進的頻率合成 , 故選擇基于小數(shù)分頻單片集成鎖相環(huán)合成方案 , 最終采用鎖相環(huán)頻率合成器件 LM X2541LQ2380E ?。

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(shù)鎖相環(huán)和壓控振蕩器 。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(huán)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 ,全芯片工作峰值電流僅為 204 m A ; ②由于該芯片已將鎖相環(huán) 、環(huán)路濾波器和 VCO 全部集成在一起 ,因此電路的實現(xiàn)難度大大降低 ,只需對寄存器寫入正確的數(shù)據(jù)即可, 電路易于調試 ; ③LM X2541 具有較寬的頻率覆蓋范圍 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(jīng)內置了二階 RC 低通濾波器 , 可以滿足一般要求 ,用戶可以根據(jù)需要定義更高階數(shù)的 RC 低通濾波 器的 參 數(shù)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并抑制雜散 。

2 頻率合成器硬件結構頻率合成器硬件結構包括 : 鎖相環(huán)模塊 、微控制器 、低噪聲電源等主要部分組成 。鎖相環(huán)模塊由LM X2541和環(huán)路濾波器組成 。

鎖相環(huán)模塊是頻率合成的核心部分 ,內部配置了 100 M H z 的壓控晶體振蕩器 VCXO ,也可以從外部輸入更精準的參考源信號 。微控制器實現(xiàn)人機接口 , 接收外部輸入的信號頻率 、幅度等參數(shù) , 針對LM X2541 器件進行頻率合成優(yōu)化計算 , 產(chǎn)生頻率 、幅度控制字 , 并將控制字通過 M icrowire 總線寫入LM X2541 內部寄存器 。低噪聲電源產(chǎn)生 LM X2541所需的 +3 . 3 V 直流電壓 ?。

3 環(huán)路濾波器參數(shù)設計采用 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(yōu)化 , 由于選用的 LM X2541 是全鎖相環(huán)器件 ,因此優(yōu)化設計主要工作是環(huán)路濾波器的參數(shù)選取 。

S 頻段頻率合成器輸出頻率范圍設定為 2 200 ~2 300 MH z , 頻率分辨率為 10 kH z ,通過 NCDT 軟件優(yōu)化分析 ,采用 4 階 RC 濾波器作為環(huán)路低通濾波器 。

4 環(huán)路雜散抑制技術

小數(shù) N 分頻鎖相環(huán)雜散主要由分頻控制電路產(chǎn)生 ,分頻控制電路形成有規(guī)律的控制信號 ,同時也就產(chǎn)生了有規(guī)律的雜散 ,小數(shù) N 分頻鎖相環(huán)第一雜散位置出現(xiàn)在 f PD /Fden 。由于小數(shù)分頻鎖相環(huán)雜散形成的規(guī)律性 ,因此可以通過打破這一規(guī)律來抑制雜散的形成 。 LM X2541 內部通過 ∑-Δ 調制技術和分頻控制抖動相結合來抑制小數(shù)分頻所產(chǎn)生的雜散 ?。

1) 傳統(tǒng)小數(shù)分頻控制范圍為 N IN T ~ N INT +1 ,有 2 個分頻控制字 ,等效于一階 ∑-Δ 調制 ; 二階 ∑-Δ調制控制范圍為 N IN T -1 ~ N IN T +2 , 有 4 個分頻控制字 ; 三階 ∑-Δ 調制控制范圍為 N INT -3 ~N IN T +4 , 有 8 個分頻控制字 ; 四階 ∑-Δ 調制控制范圍為 N IN T -7 ~ N IN T +8 , 有 16 個控制字 。 ∑-Δ調制技術相當于將雜散頻帶展寬 ?。

2) 分頻控制抖動技術是改變傳統(tǒng)分頻的控制規(guī)律 ,將分頻控制字作隨機化處理 ,這一處理相當于將原先集中的雜散頻率附近的功率平均分布到展寬后的頻率范圍內 ,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調制的階數(shù)和抖動控制 , 可以實現(xiàn)對輸出信號的雜散抑制 ?。

5 頻率合成器相位噪聲測試微控制器根據(jù)輸出頻率 、幅度 、濾波器和環(huán)路控制等其他參數(shù),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 于LM X2541 的 S 頻段頻率合成器輸出信號表現(xiàn)出良好的相位噪聲特性 ?。

S 頻段頻率合成器制作完成后 ,作為 USB 統(tǒng)一測控系統(tǒng)的信標設備 , 應用于該測控系統(tǒng)的有線和無線射頻閉環(huán)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(jīng)過衰減器后送入高頻接收機 , 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(tǒng)整個下行鏈路設備工作狀態(tài) ?。

該頻率合成器還可以延伸應用于其他需要提供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 變換提供高速采樣時鐘頻率等 ?。

與整數(shù)分頻鎖相環(huán)相比 , 小數(shù)分頻鎖相環(huán)采用小數(shù)作為環(huán)路分頻計數(shù)器 ,可以提高鎖相環(huán)鑒相頻率 ,使環(huán)路分頻計數(shù)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 ?；?∑-Δ調制和噪聲成形技術可以極大地抑制由小數(shù)分頻帶來的雜散 , 從而提高信號質量 。實驗數(shù)據(jù)表 明 , 基 于小 數(shù) 分頻 鎖相 頻 率合 成 技術 和LM X2541LQ2380E 器件實現(xiàn)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(tǒng)提供低成本頻率合成器解決方案 ?。

三分頻是將聲音分為低音、中音和高音，有兩個分頻點，低音分頻點一般在200Hz以下，或者120Hz，甚至更低，高音分頻點一般為2Hz-6KHz。此外也有少量的四分頻或者多分頻系統(tǒng)。顯然更多分頻數(shù)理論上更有利于聲音的還原，但過多的分頻點會造成整體成本上升，并且實際效果提升有限，因此常見的分頻數(shù)仍然是二分頻和三分頻。

聲音的分頻主要是受揚聲器的控制，因為絕大多數(shù)揚聲器都有自己最適合的頻率范圍，真正的高質量全頻揚聲器非常少見并且價格極端昂貴。同時為了克服不同頻率聲音揚聲器引起的切割失真和減少同一音箱中的不同揚聲器之間產(chǎn)生的聲音干涉現(xiàn)象，必須對聲音進行分頻，將不同頻段的聲音送入不同的揚聲器。從分頻方式看可以分為兩種，一種是主動分頻(Passive Crossover)，或者叫電子分頻，也可以叫外置分頻、有源分頻;另一種是被動分頻(Active Crossover)，或者叫功率分頻，也可以叫內置分頻、無源分頻。主動分頻是指分頻器不在音箱內部，而在功率放大之前，由于此時聲音信號很弱，因此容易將聲音徹底分頻，缺點是相應的電子線路分頻點較為固定，不容易和不同揚聲器配合，常見于高端和專業(yè)音響，隨著多路功放的普及，主動分頻方式比以前普及很多。被動分頻是指分頻器在音箱內，此時聲音信號已經(jīng)經(jīng)過放大，分頻電路會造成一定干擾，但音箱可以適用于不同功放。