前言

為了提高現代無線設備的靈敏度和可選擇性，需要盡可能地減小相位噪聲和參考雜散，并縮短鎖定時間。本文中所述電路可以改善本振（LO）的所有這些性能。

相位噪聲是對LO信號的純度的一種量度。相位噪聲是載波功率相對于給定的頻率偏移處（頻率合成器通常定義1kHz 頻率偏移）1-Hz的帶寬上的功率。其計算結果以dBc/Hz為單位表示。

由于頻率合成器內部的開關切換，輸出信號中會出現雜散（spurs）。在整數N分頻的合成器中，它們一般是由于鑒相器（PFD）的工作頻率點上的信號分量所引起的；在小數N分頻中，它們是由合成器本身架構的特點所造成的。在整數N分頻鎖相環（PLL）中，它們被稱為參考雜散（reference spurs）。

鎖定時間是指輸出從一個頻率切換到另一個頻率所需要花費的時間——這對于許多系統來說是一個重要的指標。一般說來，當輸出穩定到所期望的最終頻率附近、差異在某一百分比[或者以百萬分之一（ppm）衡量]之內，或是相位鎖定在所需要相位度數的附近，此時我們說，輸出被切換到或者鎖定到新的頻率上了。

傳統的接收機實現方式

圖1所示的是最通用的的接收機架構的功能框圖（超外差接收機）。這里所示出的系統是滿足DCS1800移動電話標準接收機的典型結構。在該標準中，接收（Rx）頻段是1805MHz～1880MHz。

圖1中，RF輸入信號先流經一個RF濾波器，接下來再經過一個低噪聲放大器（LNA）。隨后，信號在混頻器中與一個可調諧的LO輸入進行混頻，變換到中頻段（IF）。混頻后的信號接受進一步的濾波，在通過一個最終的混頻器，與一個固定頻率的LO信號混頻，從固定的IF頻段下變頻到基帶信號頻段上。

可調諧的RF LO信號是利用一路干凈和穩定的參考頻率信號來生成的，該基準信號輸入至ADF4106 PLL合成器和一個壓控振蕩器（VCO）中后最終形成LO信號。參考頻率信號可以由溫補晶振（TCXO）、壓控晶體振蕩器（VCXO）或者恒溫晶體振蕩器（OCXO）來產生。 在整數N分頻系統中，PLL合成器的R分頻器將該參考信號變換成為一個頻率等于信道間隔的信號——或者，在小數N分頻系統中，將信號頻率變換成信道間隔的倍數。PFD則對環路輸出FVCO除以N后的結果與R分頻器的輸出進行比較，然后，環路驅動VCO，使得FVCO = FPFD × N，以使PFD輸出歸零。可以通過改變N來改變LO輸出頻率，從而對無線電路進行調諧。

LO的相位噪聲取決于多方面的因素：參考信號噪聲、合成器中的噪聲（R分頻、N分頻、PFD和電荷泵），N值，以及PFD的工作頻率。

LO的相位噪聲（dB）可以用如下的公式來表示：
 
式中

PNSYNTH是合成器對相位噪聲的貢獻（在數據手冊中給出，單位是dB）
20 logN是合成器中的N值所帶來的附加噪聲
10 logFPFD是合成器的PFD頻率所產生的噪聲分量

*欲獲得更多詳情，請參閱“Design a Direct 6-GHz Local Oscillator with a New， Wideband， Integer-N， PLL Synthesizer”（Analog Dialogue， Volume 35， No. 6， November-December， 2001）

參考雜散取決于如下因素：PFD設計，PFD電路中電荷泵的漏電，PLL環路帶寬，VCO靈敏度。鎖定時間取決于PFD頻率和PLL環路帶寬。

在接收機中， 如果IF選定為230MHz，經過調諧的RF信號將在2035～2110MHz范圍內變化（使用高端注入），步進為200kHz。如果使用整數N分頻架構來實現的話，則需要使用200kHz的PFD頻率，而N值將從10175（2035MHz）變化為10550（2110MHz）。

在商業應用系統中所期望的帶內相位噪聲為－85.6 dBc/Hz，采用適合的鎖相環，如ADF4106，系統的典型基準寄生為－88dBc @ 200kHz和－90dBc @ 400kHz。

圖1 傳統的超外差接收機的系統框圖

如果環路帶寬選取為20kHz，則相位差小于10度時對應典型的鎖定時間將為250µs。

接收機的另一種可替代方案

ADI公司目前提供一種新的寬帶寬PLL合成器——ADF4107。其RF級可以在高達7.0GHz的頻率下工作，而PFD頻率可以高達104MHz。這樣的寬帶寬工作能力可以用于實現新穎的接收機架構，如圖2所示。在該結構中，每一級的LO都可以從一路頻率為所需頻率的整數倍的信號變換得到。此外，調諧是在IF部分完成的。這就容許系統采用非常高的倍率，以便改善總的相噪聲和鎖定時間性能。

固定頻率的RF電路

在圖2中，一個頻率固定的RF LO將信號向下變頻到IF頻段，而信道的調諧在IF中完成。仍以DCS1800為例，我們可以選擇頻率固定為1520MHz的RF LO。這可以從一路6080MHz的信號通過÷4分頻來獲得。

圖2 替代性的接收機框圖

RF LO 的相噪聲為：

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

參考雜散將出現在偏離載波6.4MHz的頻率上，量值很小（<－90dBc），這是因為（a）4分頻電路對應12dB的衰減，以及（b）——由于這是固定頻率的LO——環路帶寬可以變得很小（例如20kHz）。簡單地施加一路20dB/十倍頻程的衰減，將可以進一步衰減寄生分量。

在200kHz、400kHz、600kHz和800kHz處將不存在參考雜散，而鎖定時間也不成問題，因為在頻率固定的RF電路中無需進行任何調諧操作。

調諧作用的IF電路

我們繼續討論DCS1800實例，圖2示出了一種可調諧的IF電路，其調節范圍從285MHz到380MHz，步進為200kHz。為了實現此功能，PFD頻率選用為3.2MHz ，相應產生的初始LO信號可以從4560變化到5760MHz，調諧的步進為3.2MHz。對這些頻率進行16分頻，就可以獲得所需要的285MHz～360MHz、步進為200kHz的信號。
可調諧的IF電路在最差情形下的位相噪聲為：

–219 + 20 log 1800 + 10 log （3.2 × 106） – 20 log 16
= –219 + 65 + 65 – 24
= –113 dBc/Hz

參考雜散將出現在偏離載波3.2MHz處。通過選擇500kHz的環路帶寬， 在3.2MHz的雜散將低于－90dBc。在一個DSC系統中，參考雜散件小的的重要頻率點是200kHz、400kHz、600kHz和800kHz。不過在我們所提出的配置中，這些頻率點上并不存在寄生分量，因為我們選用的PFD工作頻率高達3.2MHz。

在環路帶寬設定為500kHz， PFD頻率為3.2MHz時，系統可以在10 µs以內完成鎖相操作，且偏差在10°以內。圖3所示的是頻率鎖定的響應特性。

圖3 可調諧的IF電路鎖定時間

濾波方面的考慮

上述的兩種架構實質上都屬于超外差，采用了兩級下變頻電路。在每一級電路中，濾波都有著關鍵性影響。

在圖1中，位于LNA之前的RF濾波器可以抑制很強的帶外干擾，IF濾波器可以選用窄帶（在GSM體制中可以為200kHz）來抑制帶內干擾。

在圖2中，RF濾波器與圖1中所示的相同。不過，圖2中的IF濾波器不能采用窄帶的。它必須能覆蓋整個信號帶寬，因為調諧是在其后才發生的。這意味著，帶內干擾信號將在信號鏈后面的基帶處理中濾除。ADI可以提供若干種IF到基帶的接收機，包括AD6650、AD6652、AD9870和AD9874。在使用如圖2所示的架構時，應該仔細考慮這些器件的選用。

結論

讓PLL的內核以更高的PFD頻率工作（最終的LO頻率的整數倍）可以改善相位噪聲、輸出參考雜散和鎖定時間性能。另外，可調諧的IF架構可以提供更高的性能，因為其倍頻可以采用更高的整數倍。不過，需要精心考慮濾波方面的需求。

本文中所示的例子是針對整數N分頻鎖相環ADF4107的，但這種結構并不僅限于此，采用小數N分頻體系結構，也能實現類似的性能改善。

作者：Mike Curtin，Paul O'Brien，ADI半導體

參考文獻
Mini-Circuits Corporation， VCO Designer’s Handbook 1996.
Couch， L. W.， Digital and Analog Communications Systems. New York: Macmillan Publishing Company， 1990.
Vizmuller， P.， RF Design Guide， Artech House， 1995.
Best， R. L.， Phase-Locked Loops: Design， Simulation and Applications， 3rd edition， McGraw Hill， 1997.
Bannerjee， Dean， “PLL Performance， Simulation and Design，” National Semiconductor Website.
Analog Devices， Inc. Data Sheet for ADF4107.
Hittite Microwave Corporation. Data Sheet for HMC362S8G
Curtin， Mike， “Phase-Locked Loops，” 3-part series in Analog Dialogue 33-3， 33-5， and 33-7 （1999）. Also in hard copy: Analog Dialogue Volume 33， 1999.
Goldberg， Bar-Giora， Digital Frequency Synthesis Demystified， LLH， 1999.