采用7GHz頻率合成器實(shí)現(xiàn)快速鎖定、高靈敏度調(diào)諧中頻無(wú)線電接收器

作者：Mike Curtin and Paul O'Brien

為了提高現(xiàn)代無(wú)線電的靈敏度和選擇性，需要最大限度地減少相位噪聲和參考雜散，并縮短鎖定時(shí)間。本文概述的電路改善了本振（LO）的性能。

相位噪聲是LO信號(hào)純度的量度。它是通過(guò)在給定載波偏移處的1 Hz帶寬中輸出基波功率與噪聲功率的比值來(lái)確定的。結(jié)果以 dBc/Hz 表示。

由于頻率合成器中的內(nèi)部開關(guān)，輸出中可能會(huì)出現(xiàn)雜散頻率元件（雜散）。在整數(shù)N分頻頻率合成器中，它們通常是由于鑒頻鑒相器（PFD）頻率引起的;在小數(shù)N分頻器件中，它們可能是合成器架構(gòu)性質(zhì)的結(jié)果。在整數(shù)N分頻鎖相環(huán)（PLL）中，它們稱為參考雜散。

鎖定時(shí)間是指將輸出從一個(gè)頻率切換到另一個(gè)頻率所需的時(shí)間，這是許多系統(tǒng)中的一個(gè)重要規(guī)范。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸出穩(wěn)定在最終所需頻率的一定百分比或百萬(wàn)分之一 （ppm） 以內(nèi)時(shí)，或者已鎖定到最終相位的指定度數(shù)內(nèi)，我們說(shuō)輸出被切換或已鎖定到新頻率。

傳統(tǒng)接收器實(shí)現(xiàn)

圖1顯示了最流行的接收器架構(gòu)（超外差接收器）的一般框圖。此處顯示的系統(tǒng)是專為滿足移動(dòng)電話 DCS1800 標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的接收器的典型系統(tǒng)。對(duì)于此標(biāo)準(zhǔn)，接收 （Rx） 頻段為 1805 MHz 至 1880 MHz。

在圖1中，RF輸入施加于RF濾波器，然后是低噪聲放大器（LNA）。然后，信號(hào)通過(guò)具有調(diào)諧LO輸入的混頻器混頻至中頻（IF）。隨后進(jìn)行額外的濾波，最終混頻器使用單頻LO將固定IF降至基帶。

調(diào)諧RFLO以干凈穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率開始，然后是ADF4106 PLL頻率合成器和壓控振蕩器（VCO）。基準(zhǔn)電壓源由溫控 （TCXO）、壓控 （VCXO） 或恒溫箱控制 （OCXO） 晶體振蕩器提供。PLL頻率合成器的R分頻器將此參考條件設(shè)置為等于整數(shù)N分頻系統(tǒng)中通道間距的值，或小數(shù)N分頻系統(tǒng)中通道間距的倍數(shù)。PFD 比較環(huán)路輸出，F(xiàn)VCO，除以N，R分頻器的輸出，環(huán)路通過(guò)驅(qū)動(dòng)VCO使PFD輸出趨于零FVCO = F聚苯乙烯×·N變化以改變LO輸出頻率，從而調(diào)諧無(wú)線電。

LO的相位噪聲取決于許多因素：參考噪聲;頻率合成器（R分頻器、N分壓器、PFD和電荷泵）中的噪聲;N 的值;以及合成器 PFD 的工作頻率。

LO（dB）的相位噪聲可以用以下公式來(lái)描述：

PN = PN合成器+ 20 對(duì)數(shù) N + 10日志 F聚苯乙烯

哪里：

PN合成器是頻率合成器的相位噪聲貢獻(xiàn)（在相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出，單位為dB）

20 log N 是合成器中 N 值引起的附加噪聲

10日志 F聚苯乙烯是頻率合成器PFD頻率引起的噪聲貢獻(xiàn)。

*有關(guān)更詳細(xì)的說(shuō)明，請(qǐng)參閱《模擬對(duì)話》，第 6 卷，第 35 期，6 年 2001 月至 <> 月，“使用新的寬帶整數(shù) N 分頻 PLL 頻率合成器設(shè)計(jì)直接 <> GHz 本地振蕩器”。

基準(zhǔn)雜散電平取決于：PFD設(shè)計(jì)、PFD電荷泵部分的泄漏、PLL環(huán)路帶寬和VCO靈敏度。鎖定時(shí)間取決于：PFD頻率和PLL環(huán)路帶寬。

在接收器中，如果IF選擇為230 MHz，調(diào)諧RF必須以2035 kHz步長(zhǎng)從2110 MHz變?yōu)?00 MHz（使用高端注入）。使用整數(shù)N分頻架構(gòu)來(lái)做到這一點(diǎn)，需要200 kHz的PFD頻率，N值將在10175（2035 MHz）到10550（2110 MHz）之間變化。

使用最好的市售元件（ADF4106 PLL頻率合成器），該系統(tǒng)的預(yù)期帶內(nèi)相位噪聲為–85.6 dBc/Hz。 此類系統(tǒng)中的典型基準(zhǔn)雜散在88 kHz時(shí)為–200 dBc，在90 kHz時(shí)為–400 dBc。

圖1.傳統(tǒng)超外差接收器的框圖。

使用20 kHz的環(huán)路帶寬時(shí)，10度相位誤差的典型鎖定時(shí)間為250 μs。

替代接收器實(shí)現(xiàn)

ADI公司現(xiàn)已推出新型高帶寬PLL頻率合成器ADF4107。其RF級(jí)能夠在高達(dá)7.0 GHz的頻率下工作，而PFD頻率能夠在高達(dá)104 MHz的頻率下工作。這種高帶寬能力可用于實(shí)現(xiàn)新型接收器架構(gòu)，如圖2所示。在這里，每級(jí)的LO來(lái)自更高的頻率，該頻率是所需頻率的整數(shù)倍。此外，調(diào)整是在 IF 部分中完成的。這允許使用非常高的倍數(shù)，以改善整體相位噪聲和鎖定時(shí)間。

固定射頻

在圖2中，固定頻率RF LO將信號(hào)向下轉(zhuǎn)換為IF頻段，并且通道在IF頻段進(jìn)行調(diào)諧。再次以DCS1800為例，我們可以選擇1520 MHz的固定RF LO。這可以通過(guò)除以6080從4 MHz信號(hào)得出，如圖2所示。

圖2.替代接收器框圖

RF LO的相位噪聲為：

–219 + 20 對(duì)數(shù) 950 + 10 對(duì)數(shù) （6.4 × 106） – 20 log 4
= –219 + 59.5 + 68 – 12
= –103.5 dBc/Hz

基準(zhǔn)雜散將出現(xiàn)在距載波6.4 MHz的偏移處，并且非常小（< –90 dBc），因?yàn)椋╝）由于12分頻電路將產(chǎn)生4 dB的衰減，以及（b）由于這是一個(gè)固定頻率LO，環(huán)路帶寬可以降低（例如20 kHz）。簡(jiǎn)單的 20 dB/十倍頻程衰減將進(jìn)一步衰減雜散。

在 200 kHz、400 kHz、600 kHz 和 800 kHz 下不會(huì)有雜散;鎖定時(shí)間不是問(wèn)題，因?yàn)楣潭≧F部分不會(huì)進(jìn)行調(diào)諧。

調(diào)諧中頻

繼續(xù)以DCS1800為例，圖2顯示了調(diào)諧的IF，從285 MHz到360 MHz，步長(zhǎng)為200 kHz。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，使用3.2 MHz的PFD頻率，以4560.5760 MHz步長(zhǎng)產(chǎn)生從3 MHz到2 MHz的初始LO。將這些頻率除以 16 得到所需的 285 MHz 至 360 MHz，步長(zhǎng)為 200 kHz。

調(diào)諧IF的最差情況相位噪聲為：

–219 + 20 對(duì)數(shù) 1800 + 10 對(duì)數(shù) （3.2 × 106） – 20 對(duì)數(shù) 16
= –219 + 65 + 65 – 24
= –113 dBc/Hz

參考雜散將出現(xiàn)在與載波偏移 3.2MHz 處。通過(guò)選擇500 kHz的環(huán)路帶寬，3.2 MHz的雜散將低于–90 dBc。在DCS系統(tǒng)中，雜散降低的重要頻率為200 kHz、400 kHz、600 kHz和800 kHz。但是，在建議的配置中，這些頻率下不會(huì)存在雜散，因?yàn)槲覀冊(cè)?.2 MHz的高PFD頻率下工作。

當(dāng)環(huán)路帶寬設(shè)置為500 kHz，PFD頻率設(shè)置為3.2 MHz時(shí)，鎖相將在不到10 μs的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)10度以內(nèi)。頻率鎖定響應(yīng)如圖3所示。

圖3.優(yōu)化的 IF 的鎖定時(shí)間。

篩選注意事項(xiàng)

所考慮的兩種架構(gòu)本質(zhì)上都是超外差，具有兩個(gè)下變頻階段。過(guò)濾在每個(gè)階段都至關(guān)重要。

在圖1中，LNA之前的RF濾波器抑制非常強(qiáng)的帶外干擾源。IF濾波器可以是窄帶（GSM中為200 kHz），以抑制帶內(nèi)干擾源。

在圖2中，RF濾波器與圖1相同。但是，圖2中的IF濾波器不能是窄帶。它必須通過(guò)整個(gè)頻段，因?yàn)檎{(diào)諧尚未發(fā)生。這意味著作為基帶處理的一部分，帶內(nèi)干擾源必須在鏈的稍后階段進(jìn)行濾波。ADI公司提供多個(gè)IF至基帶接收器。其中包括AD6650、AD6652、AD9870和AD9874。在分析圖2的架構(gòu)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮它們。

結(jié)論

以更高的PFD頻率（最終LO頻率的整數(shù)倍）操作PLL內(nèi)核可改善相位噪聲、輸出基準(zhǔn)雜散和鎖定時(shí)間。此外，調(diào)諧IF架構(gòu)可提供更高的性能，因?yàn)檎麛?shù)倍可以更高。但是，需要仔細(xì)考慮過(guò)濾要求。

本提案中使用的示例適用于整數(shù)N分頻PLL，即ADF4107，但配置不限于此。使用這種具有小數(shù)N分頻架構(gòu)的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)類似的增益也是非?？尚械?。

審核編輯：郭婷