X-波段频率合成器的精确仿真

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更新于2009-05-18 17:17:12

X-波段 频率合成器 精确仿真 VCO

结论和讨论

本文使用Matlab对所描述的设计进行了电路仿真。在仿真中，我们使的特性模型为国家半导体的LMX2326可编程频率合成器和灵敏度为50V/MHZ的VCO 的。VCO来自General Microwave，此VCO使用的高性能晶体管，工作于基本模式而不是双push-push模式。同时还使用一个Voltronics的商用10MHZ温度补偿晶体振荡器，该晶体振荡器具有10Hz频率偏移下近似－110dB/Hz的相位噪声。该PLL使用了LMX2326元件，能够对500MHz到3GHz范围内的VCO进行频率锁定，使用一个Hittite公司的（12GHz,1/8）预比例变换器来将频率范围扩展到X-波段。HMC363预比例变换器是一个低噪声，8分频静态分频器。它使用InGaP/GaAs异质结双极性晶体管(HBT)技术，在100KHz频率偏移处具有–153 dBc/Hz的相位噪声，这有助于使用者保持良好的系统噪声性能。

在实际中，这样的PLL可以通过一个膝上型电脑和一根并口线缆来进行编程。可以使用由国家半导体公司提供的软件变化其频率，在该软件中PLL连续控制数据由三个输入（数据，LE和时钟）控制。为了调节信道频率，设计使用串行数据输入控制R 计数器的 15b和N计数器（包括来自A计数器的7 b和B计数器的11 b）18 b。此例子中，需要8025 到 8175 MHz的频率范围和1 MHz的信道间隔。因此，为使参考分频器 (R计数器) 等于 10 (00000000001010)b，同时 N 计数器等于 1010 : (A 计数器 = 18 (0010010) ，B计数器 = 31 (00000011111)), 输出频率 (P1 ¥ (32 ¥ B + A) ¥ 参考频率) 等于 8080 MHz.。

图3 给出了存在电阻噪声源与不存在电阻噪声源的情况下的总相位噪声。值得注意的是参考杂散并没有包含在总相位噪声中。结果表明在合成器的环路带宽内(10 Hz 到 10 kHz)，参考振荡器的电平比较高，这是由于闭环传输函数的幅值非常大，而当到达环路带宽边界时迅速下降。结果同样表明在合成器的输出端电阻噪声的影响非常小。图4给出了R2 和 R3的噪声－频率曲线。为了证明PLL的高通滤波器滤除了VCO噪声，在带内消除了相位噪声或噪声误差，图5显示了环路误差响应，这种误差响应是在开环和闭环响应间产生。

图 3 存在电阻噪声和不存在电阻噪声两种情况下的单边带噪声

图 4 电阻的噪声－频率特性

图 5 环路误差响应

在这种方法中，环路滤波器的设计是PLL合成器一个非常关键的部分。通常来说，一个低截止频率的环路滤波器不会在相邻频率抑制截止频率外的相位噪声，这是因为闭环负反馈范围非常窄。除此之外，这会使PLL响应变慢，而频率转换稳定时间（PLL锁定时间）变长，因此PLL寄生噪声就会受到抑制。相反地，增大截止频率能够提供更快的PLL响应和更短的锁定时间。然而，PLL的输出信号会受到频率调制同时含有高电平杂散。由于边带的寄生噪声影响相邻信道，可以通过缩小环路滤波器的带宽来抑制有害杂散5。对环路滤波器进行了精确估计以保证设计的精确性。图6 和图 7 给出了两个拥有不同截止频率的低通环路滤波器输出频谱和瞬态响应，在不同条件下对杂散电平，对相位噪声和频率瞬态进行了估算。

图8给出了载波恢复PLL在解调中对单边带（SSB）相位噪声电平的影响，并验证了载波恢复PLL消除相位噪声的特性。载波恢复PLL将100Hz处的偏移抑制到一定电平，消除了越过判决界线的噪声。对曲线在载波两侧积分得到0.008弧度的均方根相位噪声和22.36dB的信噪比（S/N）裕量。

结论：

文中给出了一种可用于微卫星发射机系统的X-波段频率合成器的简单设计方法，讨论了PLL中不同的相位噪声源和它们对系统噪声性能的影响，同时文章还证明了环路滤波器截

图 6低通频率环路滤波器的截止频率（a）PLL输出谱（b）PLL瞬态响应

图 7截止频率较高的环路滤波器频谱（a）PLL输出谱（b）PLL瞬态响应

图8 解调中载波恢复前后的噪声

止频率的选择对获取PLL杂散电平，相位噪声和频率瞬态是非常重要的。为了确保设计的精度，对环路滤波器进行了精确估计。结果表明对于频率范围在8025到8175 MHZ之间，载波恢复0.6 kHz，PLL 的均方根（rms）相位噪声为0.008 弧度，信噪比为22.36dB。

参考文献：

1. A. Hajimiri and T. Lee, “A General Theory of Phase Noise in Electrical Oscillators,” IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 33, No. 2, February 1998, pp. 179–194.

2. D. Banarjee, PLL Performance, Simulation and Design, Second Edition, National Semiconductor, 2001.

3. E. Drucker, “Model PLL Dynamics and Phase-noise Performance,” Microwaves & RF, Vol. 35, No. 2, February 2000, pp. 73–82.

4. L. Lascari, “Accurate Phase Noise Prediction in PLL Synthesizers,” Applied Microwave and Wireless, Vol. 12, No. 2, February 2000, pp. 30–38.

5. M. Kameche and L. Hadj Abderahmane, “Design an X-band Frequency Synthesizer for Small Satellites,” CD Proceedings of the 9th International Space University Annual International Symposium: “Civil, Commercial and Security Space: What Will Drive the Next Decade?,” Strasbourg, France, November 30–December 3, 2004

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