劉治君，李蓬蓬，李柏渝，孫廣富

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073）

0 引 言

GNSS接收機(jī)本振信號(hào)和采樣時(shí)鐘引入的相位噪聲，都會(huì)對(duì)載波跟蹤環(huán)和延遲鎖定環(huán)的跟蹤和測(cè)距性能造成影響。對(duì)于亞納秒級(jí)的測(cè)量，相位噪聲的影響是不可忽略的[1]。要降低相位噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響，可以從射頻前端和信號(hào)處理兩個(gè)方面進(jìn)行。文獻(xiàn)[2]提出了利用改進(jìn)卡爾曼濾波算法和多通道中相位噪聲的相關(guān)性，抑制相位噪聲的影響。而射頻前端主要是研究低相噪的頻率源。

介紹了鎖相環(huán)的工作原理及相位噪聲傳遞和Hittite公司的HMC820的特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于該芯片的低相噪鎖相環(huán)電路，并針對(duì)該芯片，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鑒相頻率和環(huán)路帶寬對(duì)鎖相環(huán)輸出信號(hào)的相位噪聲的影響。

1 鎖相環(huán)工作原理及相位噪聲傳遞

用于頻率綜合的鎖相環(huán)的工作原理如圖1所示。用于頻率合成的鎖相環(huán)由鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO和N分頻器組成，實(shí)際上是一個(gè)反饋環(huán)路。鎖相環(huán)的輸出信號(hào)的相位噪聲由式（1）所示[3]：

圖1 鎖相環(huán)原理框圖

式中：Sout（f）為輸出相噪的單邊帶功率譜；N為分頻比；H（f）為鎖相環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)；SCU（f）為參考頻標(biāo)的相位噪聲；SVCO（f）為VCO的相位噪聲。

由式（1）可知，鎖相環(huán)的輸出相位噪聲由參考頻標(biāo)、VCO和閉環(huán)傳遞函數(shù)，即環(huán)路濾波器共同決定。參考頻標(biāo)對(duì)于輸出相位噪聲的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先是參考頻標(biāo)的頻率，對(duì)于同一個(gè)輸出頻率，參考頻率越高，N越小，從而使式（1）中的第一項(xiàng)減?。涣硗馐菂⒖碱l標(biāo)的相位噪聲，由于H（f）呈低通特性，所以輸出信號(hào)的近端相位噪聲主要由參考頻標(biāo)和H（f）的帶寬決定，遠(yuǎn)端相位噪聲主要由VCO決定。

2 HMC820特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

HMC820是Hittite推出的一款低相噪、內(nèi)部集成VCO的鎖相環(huán)芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 HMC820的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

參考頻標(biāo)首先經(jīng)過(guò)R分頻器，然后送到鑒相器。鑒相器的輸出經(jīng)過(guò)電荷泵后，由管腳CP輸出至外接環(huán)路濾波器，濾波后，經(jīng)管腳VTUNE來(lái)控制VCO，VCO產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)可編程的分頻器后對(duì)外輸出，可以輸出1 095～1 275MHz，2 190～2 550MHz和4 380～5 100MHz三個(gè)頻帶的信號(hào)。

HMC820有以下特點(diǎn)：

1）高集成度。內(nèi)部集成了低相噪VCO、自校準(zhǔn)VCO諧振系統(tǒng)、低相噪數(shù)字鑒相器、高精度電荷泵和三個(gè)可編程分頻器。高集成度使外圍電路極簡(jiǎn)單。通常，電路設(shè)計(jì)只需要考慮環(huán)路濾波器即可。

2）高鑒相頻率。對(duì)于同樣的RF頻率，較高的鑒相頻率可以減小式（1）中的N，從而降低輸出信號(hào)的近端相位噪聲。HMC820的最高鑒相頻率可以達(dá)到100MHz，而一般的鎖相環(huán)芯片的鑒相頻率要小得多，如國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMX2531系列的芯片，最高鑒相頻率僅為32MHz.

3）高頻率準(zhǔn)確度。當(dāng)芯片工作在精確模式下時(shí)，輸出頻率幾乎可以達(dá)到零誤差。

4）短的頻率鎖定時(shí)間。采用跳周抑制技術(shù)，大大縮減了鎖定時(shí)間。

5）采用數(shù)字鎖定檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬檢測(cè)技術(shù)，可以通過(guò)串口對(duì)芯片內(nèi)部的狀態(tài)進(jìn)行更細(xì)致的檢測(cè)。

3 電路設(shè)計(jì)

對(duì)于內(nèi)部集成VCO的鎖相環(huán)芯片，VCO的相噪特性不能改變，而參考頻標(biāo)往往由原子鐘或高穩(wěn)晶振提供，因此，電路設(shè)計(jì)主要考慮參考頻標(biāo)的頻率和環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)。

3.1 鑒相頻率選擇

當(dāng)目標(biāo)頻率一定時(shí)，鑒相頻率決定了分頻比N，由式（1）可知，分頻比越大，近端相噪越低，同時(shí)，由于H（f）是非理想的，N也會(huì)對(duì)遠(yuǎn)端相噪產(chǎn)生一定影響。

3.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

由于鑒相器、VCO和分頻器都集成在芯片內(nèi)部，所以環(huán)路濾波器就成了電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)是環(huán)路帶寬，它不僅是影響相位噪聲的重要參數(shù)，還與動(dòng)態(tài)范圍、鎖定時(shí)間等相關(guān)。其定義為開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)幅度的3dB帶寬。

鎖相環(huán)最終輸出的相位噪聲可以看做是VCO的相位噪聲曲線與參考頻標(biāo)的相位噪聲曲線的組合，兩條曲線的交點(diǎn)由環(huán)路濾波器決定。在僅考慮相位噪聲的情況下，最理想的情況是環(huán)路帶寬取在兩條曲線的交叉點(diǎn)附近。對(duì)于含有除N分頻器的頻率合成器，還必須考慮參考信號(hào)的噪聲惡化[4]。

3.3 編程

HMC820通過(guò)SPI編程控制內(nèi)部寄存器及監(jiān)視工作狀態(tài)。

對(duì)HMC820的編程主要包括配置R－分頻器、N－分頻器、電荷泵和VCO子系統(tǒng)。R－分頻器對(duì)參考頻標(biāo)進(jìn)行分頻，分頻過(guò)后的信號(hào)作為鑒相頻率輸入到鑒相器；N－分頻器的取值由目標(biāo)頻率與鑒相頻率決定；電荷泵的設(shè)置會(huì)影響輸出相噪和鎖定指示；VCO子系統(tǒng)編程是對(duì)內(nèi)部VCO調(diào)諧。

可通過(guò)讀操作來(lái)讀取內(nèi)部寄存器狀態(tài)。LD＿SDO管腳是一個(gè)通用輸出口，進(jìn)行讀操作時(shí)，輸出相應(yīng)的寄存器值，其他時(shí)間的輸出可編程。

4 應(yīng)用實(shí)例

某項(xiàng)目中，需要1 114MHz的本振信號(hào)，因此，選擇HMC820的f0／2工作模式。

電路選用4階無(wú)源濾波器，通過(guò)改變鑒相頻率和環(huán)路參數(shù)，驗(yàn)證二者對(duì)以HMC820為基礎(chǔ)的電路的輸出相位噪聲的影響。

測(cè)試主要從兩個(gè)方面進(jìn)行。首先固定環(huán)路帶寬，改變鑒相頻率，觀察鑒相頻率的影響，以驗(yàn)證鑒相頻率的影響；其次固定鑒相頻率，改變環(huán)路帶寬，以驗(yàn)證環(huán)路帶寬的影響。

測(cè)試儀器采用羅德施瓦茨的FSUP8.

保持環(huán)路帶寬為190kHz不變，改變鑒相頻率，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 相噪隨鑒相頻率的變化

由圖中可以得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)鑒相頻率增大時(shí)，相位噪聲降低，這與理論是相符的；

2）當(dāng)鑒相頻率增大到一定程度后，相位噪聲降低的幅度越來(lái)越小，80MHz與100MHz鑒相的輸出相噪相差已經(jīng)很小，這是因?yàn)槭剑?）取對(duì)數(shù)后，相噪隨分頻比按對(duì)數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)；

3）對(duì)于同一個(gè)環(huán)路參數(shù)，不同的鑒相頻率，相噪曲線的拐點(diǎn)不同。

固定鑒相頻率為100MHz，改變環(huán)路帶寬，得到測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 相噪隨環(huán)路帶寬的變化

由圖中可以得到以下結(jié)論：

1）環(huán)路帶寬對(duì)近端相噪影響較?。?Hz處的差異可認(rèn)為是相噪儀的測(cè)量誤差造成的）；1MHz處的相噪也幾乎不隨環(huán)路帶寬變化，這是因?yàn)檫h(yuǎn)端的相噪由VCO決定；

2）而曲線拐點(diǎn)附近的相噪隨環(huán)路帶寬變化較大，這是因?yàn)椋麳（f）｜2是非理想的，存在過(guò)渡帶，在拐點(diǎn)附近的相位噪聲由參考頻標(biāo)和VCO分別以｜H（f）｜2和｜1－H（f）｜2加權(quán)得到的；

3）以100MHz鑒相時(shí)，190kHz的環(huán)路帶寬對(duì)應(yīng)的鑒相曲線過(guò)渡比較平滑，相位噪聲比較理想；

4）隨著環(huán)路帶寬增大，相噪曲線的拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率變大，但與環(huán)路帶寬不相等，而大約是環(huán)路帶寬的1／3.同時(shí)，由圖3可知，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系還與鑒相頻率相關(guān)。

經(jīng)過(guò)比較，當(dāng)鑒相頻率為100MHz，環(huán)路帶寬為190kHz時(shí)，HMC820的輸出相位噪聲較好，其實(shí)測(cè)圖如圖5所示。

圖5 1114MHz信號(hào)的相噪實(shí)測(cè)圖

國(guó)家半導(dǎo)體公司的LMX2531系列芯片在相近頻率的相噪如表1所示[5]

表1 LMX2531的相位噪聲

與之相比，HMC820的相位噪聲降低了10dB以上，證明了HMC820在相位噪聲指標(biāo)上的優(yōu)越性。

5 結(jié) 論

介紹了鎖相環(huán)的工作原理及相位噪聲的傳遞過(guò)程，以HMC820為基礎(chǔ)，搭建了鎖相環(huán)電路，分析了鑒相頻率和環(huán)路帶寬對(duì)HMC820的鎖相環(huán)電路的影響，得到了一些有工程意義的結(jié)論，并給出了較優(yōu)的鑒相頻率和環(huán)路帶寬設(shè)置。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：與同類芯片相比，HMC820在相位噪聲指標(biāo)上確實(shí)有較大優(yōu)勢(shì)。

[1]朱祥維.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2007.

[2]王江安，莊奕琪，周清軍，等.利用改進(jìn)卡爾曼濾波算法抑制GPS接收機(jī)相位噪聲[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2010，25（5）：611－614.

[3]REBEYROL E，MACABIAU C，JULIEN O.Signal distortions at GNSS payload level[J].ION GNSS ITM，2006：26－29.

[4]王興春，劉 亮.低相位噪聲參考信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用天地，2007，26（11）：74－77.

[5]李彩華，李柏渝.LMX2531在信號(hào)源射頻電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].微處理機(jī)，2008（4）：2－3.