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PLL技術(shù)簡介及其在合成頻率源中的應(yīng)用

作者: 時間:2012-03-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/194215.htm

  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。

  分為二大類:自激振蕩源和。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。頻率源的主要優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn),已被廣泛用于各種通信和雷達(dá)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(diǎn)見表l。

  

  鎖相環(huán)()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()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(jìn)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(dá)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(jìn)行跟蹤。在達(dá)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jìn)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(diǎn)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(jī)起伏。所謂頻率短期穩(wěn)定度,是指由隨機(jī)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。

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