基于∑-△調制小數分頻技術的頻率合成器MAX2150及其應用

　　1 引言

　　小數分頻(F-N)頻率合成器具有很高的輸出頻率分辨率，即使非常復雜的合成信號發生器也可采用較少的鎖相環路甚至單環來實現。但是，F-N合成信號的頻譜普遍存在固有且非常嚴重的相位雜散(又稱為分數調制或相位調制)現象。這一問題可以采用∑-△變換較好地加以克服。

　　目前，基于∑-△小數分頻技術的頻率合成器專用器件已有多款問世，Maxim公司的MAX2150就是具有代表性的一款頻率合成器。該器件以較高的性價比廣泛應用于無線寬帶系統、衛星上行鏈路、無線基站等系統。

　　2 基于∑-△調制器的小數分頻(F-N)頻率合成技術

　　為了較理想地克服相位噪聲的影響，采用過抽樣調制器。使用多級量化方法獲得良好的信號質量，這是一種全數字化的解決方案。普通A/D轉換器對快速變化的交流信號的變換性能是由變換時間和奈奎斯特取樣定理決定。根據該定理可知，只要取樣頻率大于等于2倍模擬信號的截止頻率，就可將模擬信號理想地變換為數字信號。但這種方法很難獲得較高的分辨率。

　　∑-△變換采用低分辨率的A/D轉換器通過很高的頻率對輸入信號過采樣，使得取樣頻率與分辨率一致。然后采用數字方式處理數據流，即獲得更高分辨率的低速率輸出。也就是說，采用一比特量化器，多倍奈奎斯特頻率的速率采樣，可以達到多比特奈奎斯特速率量化器的效果。這種方式只需少量且簡單的元件即可實現，而且魯棒性較好。雖然沒有改變信噪比(SNR)，但噪聲能量分布到更寬的頻率范圍，通過數字濾波器濾除掉大部分噪聲，從而獲得寬動態范圍。

　　F-N頻率合成器是由鑒相/鑒頻器(PD/PF)、充電泵(CP)、環路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器以及調制器組成。其中CP可方便地設置環路增益，簡化積分器的實現(也可不用)，并能夠將誤差信號轉變為電流信號，以驅動環路濾波器，如圖1所示。

　　∑-△調制器是由模擬濾波器HCT(s)、A/D轉換器(Q為一比特量化器)，以及帶有反饋環的D/A轉換器組成，如圖2所示。一般情況下采用∑-△調制器，A/D轉換器由比較器和觸發器實現。D/A轉換器是一個脈沖成型器，輸出兩個波形分別為高電平+V、低電平-V。為了方便，兩個電平進行歸一化處理，傳遞函數H(s)決定了調制器的階數。∑-△系統實質上是一種噪聲整形器，對量化噪聲信號進行處理，使大多數噪聲能量轉移到有用的頻帶之外，并通過濾波去除，從而提高了信噪比。隨著階數的提高，在f≤fc范圍內噪聲得到了明顯抑制，而代價是在f>fc頻帶內量化噪聲功率增加。

　　把量化過程視作加入白噪聲的過程，假設輸入信號和量化噪聲互不相關。在一般情況下，fs>>fc總是成立的，進行歸一化使|e(n)|≤1，噪聲功率為σ2e，輸出噪聲功率為σ2N。而對于一階∑-△系統而言，傳遞函數為T1(Z)=1-Z-1，輸出噪聲功率為σN2=(3/8)π2σ2(fc/fs)3，由此可知，隨著采樣率每增加1倍，信噪比提高9 dB。

　　3 基于∑-△小數分頻技術的頻率合成器MAX2150

　　3.1 引腳配置

　　MAX2150是Maxim公司推出的基于∑-△調制器的28位小數分頻技術的頻率合成器，可應用于700 MHz～2 300 MHz頻率范圍。當采用10 MHz參考頻率時，其頻率分辨率優于50 MHz。此外，該器件配有I/Q調制輸入端、50 Ω寬帶輸出驅動放大器、低噪聲晶體振蕩器放大器(當采用外部參考振蕩源時，該放大器可用作緩沖器)，采用標準的3線串行接口實現合成器的編程和整體配置。當輸出信號電平為-1 dBm時，MAX2150的載波和邊帶抑制可達34 dBc。該器件采用+3.0 V電源供電，消耗電流為72 mA。MAX2150的引腳配置如圖3所示，各引腳功能描述如表1所示。

　　3.2 I/Q調制器

　　MAX2150的I/Q調制器由匹配雙平衡混頻器、寬帶無源LO正交信號發生器及加法放大器組成。混頻器接收差分I/Q基帶信號并對內部0