PLL技術簡介及其在合成頻率源中的應用

1 引言

　　頻率源是現代射頻和微波電子系統的心臟,其性能直接影響整個電子系統的功能，成為非常重要的部件。

　　頻率源分為二大類：自激振蕩源和合成頻率源。常見的自激振蕩源有晶體振蕩器、腔體振蕩器、介質振蕩器、壓控振蕩器、YIG振蕩器和波形發生器等。這些頻率源的輸出頻率范圍、調諧帶寬、近端相噪等各不相同。合成頻率源的主要優點是頻率穩定度高,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、性能優越。而缺點是成本高、技術難度大。現代工程設計中對頻率源的頻率穩定度、精確度、頻率范圍等技術指標的要求越來越高。要滿足現代電子系統的這些要求在很多情況下必須使用頻率合成技術。

　　頻率合成是指將高精度和高穩定度的標準信號頻率通過一系列的算術運算，產生具有相同穩定度和精確度的大量離散頻率的技術。

　　鎖相式頻率源具有頻率穩定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優點，已被廣泛用于各種通信和雷達系統。筆者采用分頻鎖相頻率合成技術設計了1.8 GHz鎖相頻率源。

　　2 鎖相環技術的原理

　　實現頻率合成的方法可分為直接合成法與間接合成法。二種頻率合成技術的特點見表l。

　　鎖相環(PLL)是由鑒相器(PD),環路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成的自動相位控制系統。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，產生對應于這兩個信號相位差的誤差電壓Ue(t)。環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，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。壓控振蕩器受環路濾波器輸出電壓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。下面介紹鎖相環工作的大致過程：

　　鎖相環路(PLL)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，是將參考信號與輸出信號之間的相位進行比較，產生相位誤差電壓來調整輸出信號的相位，以達到與參考信號同頻率的目的，從而實現了對信號的頻率漂移進行跟蹤。在達到同頻率的狀態下，兩個信號之間的穩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)的相位進行比較，產生對應于兩個信號相位差的誤差電壓Ue(t)。環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，以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。壓控振蕩器受環路濾波器輸出電壓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，結果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內變化。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信號控制，使得壓控振蕩器輸出信號的相位和外來基準信號的相位保持某種特定關系，達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，在滿足穩定性條件下就在這個頻率上穩定下來。達到穩定后，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，這時環路就進入“鎖定”狀態。這就是鎖相環工作的大致過程。

　　鎖相源設計的技術難點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生的原因，以便采取相應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內各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機起伏。所謂頻率短期穩定度，是指由隨機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定度。通常我們主要考慮的是頻率短期穩定度問題，頻率短期穩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為標稱值幅度,fo為標稱值頻率。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制功率遠小于相位噪聲調制功率,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為：

　　由于相位噪聲j(t)的存在，使頻率源的頻率不穩定。這種不穩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)為一個相位噪聲調制邊帶在頻率為f處的功率譜密度，P0為載波功率。