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        淺議頻率合成器在現(xiàn)代無線通信收發(fā)機中的實現(xiàn)形式

        2015-05-30 16:15:45胡習(xí)霜玄甲輝
        中國新通信 2015年18期
        關(guān)鍵詞:分頻器鎖相鎖相環(huán)

        胡習(xí)霜 玄甲輝

        【摘要】 隨著科技的不斷進步,無線通信技術(shù)在人類生活中的作用越來越大。本文對現(xiàn)代無線通信收發(fā)機中的關(guān)鍵部件之一——頻率合成器的實現(xiàn)形式做了一般性的討論。首先簡要介紹了下無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分——射頻收發(fā)機,對頻率合成器在無線通信收發(fā)機中的作用做了簡單說明。然后詳細介紹了頻率合成器的幾種實現(xiàn)方法,并分別展開描述具體實現(xiàn)形式。文章最后對頻率合成器的實現(xiàn)形式做了總結(jié),并指出在目前的無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是鎖相環(huán)式頻率合成器體系結(jié)構(gòu)。

        【關(guān)鍵字】 無線通信 頻率合成器 射頻收發(fā)機 實現(xiàn)形式

        一、無線通信系統(tǒng)的射頻收發(fā)終端概述

        無線通信系統(tǒng)是用于發(fā)送從信源發(fā)出的信息或消息到一個或多個目的地的系統(tǒng),信源產(chǎn)生的信息可以包括多種形式,比如圖像、語音、數(shù)據(jù)信號等。典型的無線通信系統(tǒng)包括信源信宿、輸入輸出換能器、發(fā)射機和接收機。

        通常,接收機和發(fā)射機可以被集成設(shè)計為無線收發(fā)機。集成之后,接收單元和發(fā)射單元可以復(fù)用部分模塊,可進一步減小芯片面積。隨著市場需求的不斷提高,對收發(fā)機的指標要求也越來越高,在保持高性能的基本要求之下,還要求無線收發(fā)機具有低成本、低尺寸、低功耗等特點。

        二、頻率合成器在無線通信收發(fā)機中的作用

        在無線通信領(lǐng)域中,頻率合成器起著越來越重要的角色。在無線收發(fā)機結(jié)構(gòu)中,頻率合成器作為混頻器中本振的產(chǎn)生源,是不可或缺的一部分。頻率合成器是將一個高穩(wěn)定度和高精確度的標準參考頻率(一般是晶體振蕩器),經(jīng)過倍頻或分頻等操作對它進行四則運算,最終產(chǎn)生一個或多個具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源的電路模塊或設(shè)備[1],它是影響電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和精確性的最關(guān)鍵因素之一。

        在現(xiàn)代無線通信收發(fā)機中,頻率合成器獲得的頻率精確度和穩(wěn)定度的好壞,將直接決定整個射頻收發(fā)機系統(tǒng)性能的好壞。

        三、頻率合成器的實現(xiàn)形式

        有關(guān)頻率合成器的研究,最早提出是在20世紀30年代,在近代電子技術(shù)發(fā)展的過程中,頻率合成器體系得到不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)得到不斷擴充。

        從這項技術(shù)提出以來,先后經(jīng)歷了直接模擬式頻率合成器、直接數(shù)字式頻率合成器和間接鎖相式頻率合成器等三個階段的發(fā)展。

        隨著各種現(xiàn)代產(chǎn)品中電子系統(tǒng)地位的與日俱升,在應(yīng)用以及市場的牽引下,頻率合成器技術(shù)得到不斷快速發(fā)展,如高指標、小體積的合式頻率合成器[2]以及將鎖相和DDS相結(jié)合的混合式頻率合成器。

        如表 1所示,頻率合成器大致上可分為三大類:直 接型、間接性和混合型。

        3.1直接模擬式頻率合成器

        直接模擬式頻率合成器是最早出現(xiàn)的一種頻率合成類型,它的工作原理很簡單,就是用諧波發(fā)生器、混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器電路對一個或幾個基準頻率進行四則運算,從而產(chǎn)生所需求的頻率信號。根據(jù)合成方式不同可分為相關(guān)合成與非相干合成兩種[3]。

        直接頻率合成器可以實現(xiàn)快速頻率變換、低相位噪聲、幾乎任意高的頻率分辨率以及很高的頻率輸出。但是直接頻率合成要使用很多的硬設(shè)備,因而具有體積大、造價高的特點。除此,它還有另一個缺點:在輸出端會出現(xiàn)大量無用的寄生頻率——雜波。

        在大部分應(yīng)用場合,直接頻率合成方法已被采用鎖相技術(shù)的間接頻率合成方法所取代[1]。

        3.2直接數(shù)字式頻率合成器

        直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)是1971年由美國學(xué)者J.T、C.M.R和B.G首次提出的,采用全數(shù)字化方式實現(xiàn)。一個典型的DDS系統(tǒng)主要由相位累加器、正弦波查找表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。DDS的輸出頻率為:

        其中,K為頻率控制字,N為相位累加器的比特位長度,F(xiàn)C為時鐘頻率。由于受奈奎斯特定律的約束,最高輸出頻率不能高過系統(tǒng)時鐘的一半,一般取時鐘的40%作為上限,其頻率分辨率為FC / 2N。

        DDS是一個完全數(shù)字化的系統(tǒng),具有易于集成、頻率合成速度快、極快的跳頻速度、頻率切換時相位連續(xù)和極高的頻率分辨率等優(yōu)點,缺點是雜散比較大、輸出頻率低、功耗較大。

        3.3間接鎖相式頻率合成器

        鎖相式頻率合成技術(shù)又稱為間接式頻率合成技術(shù),是基于PLL的一種頻率合成技術(shù)。廣義的講,鎖相環(huán)電路使一個特殊系統(tǒng)跟蹤另一個系統(tǒng)。在同步狀態(tài),振蕩器輸出信號和參考信號之間的相位差為0,或者保持常數(shù)[4]。鎖相環(huán)是一種相位誤差控制系統(tǒng),它通過比較輸入信號和壓控振蕩器輸出(或分頻器后的輸出)信號之間的相位差,從而產(chǎn)生一個反饋電壓來控制VCO的輸出頻率,以達到與輸入信號成倍頻關(guān)系的目的。

        在現(xiàn)代通信用收發(fā)終端機中,基于PLL的頻率合成器廣泛采用電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)式頻率合成器。CPP LL頻率合成器的一般系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

        電荷泵鎖相環(huán)式頻率合成器由鑒頻鑒相器、電荷泵、壓控振蕩器以及÷N分頻器組成。頻率合成器的輸出頻率為:

        其中N為分頻器分頻比(可為整數(shù)或小數(shù)),fref為PFD的輸入?yún)⒖碱l率。

        3.4混合型頻率合成器

        混合式頻率合成技術(shù)是近幾年非常流行的頻率合成技術(shù),主要形式有DDS激勵PLL、DDS內(nèi)插PLL、DDS+倍頻、DDS+混頻等幾種合成方式[3]。

        這種方案利用了DDS的高分辨率來提高PLL輸出的頻率分辨率,又能得到較高的頻率輸出,同時PLL內(nèi)的環(huán)路濾波器對帶外的DDS雜散也能夠起到很好的抑制作用。但是該種混合型頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時間取決于PLL。

        四、頻率合成器不同實現(xiàn)形式總結(jié)

        本文中大致介紹了目前所存在的幾種不同形式的頻率合成技術(shù),其中,無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的是鎖相環(huán)式頻率合成器體系結(jié)構(gòu)。

        這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是容易在CMOS工藝上集成。在性能可滿足大多數(shù)無線通信系統(tǒng)指標要求的前提下,可大大節(jié)省功耗。基于ADPLL的頻率合成器一般用于數(shù)字電路,能夠糾正時鐘,實現(xiàn)很低的時鐘傾斜,缺點是不能夠編程。

        在需要本振頻率很高的情況下,一般可采用直接模擬頻率合成器結(jié)構(gòu),缺點是功耗和體積比較大,而且成本會 比較高。綜上,可對各種頻合成器主要性能比較如表 2所示。

        參 考 文 獻

        [1]李智群. 射頻集成電路與系統(tǒng)[M]. 北京:科學(xué)出版社. 2008.8.

        [2]Longiun Zhai,Yonghua Jiang,Xiang Ling,et a1.DDS-Driven PLL Frequency synthesizer for X-band Radar signal simulation[C]. IEEE Conference on Systems and control in aerospace and astronautics.IEEE,2006:344-346.

        [3]楊檍,鮑景富. 現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的研究進展. 電訊技術(shù) Telecommunication Engineering. 2007, 47(2).

        [4]Roland E.Best 著 李永明 [等] 譯. 鎖相環(huán)設(shè)計、仿真與應(yīng)用. 北京:清華大學(xué)出版社,2007.4

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