張士峰　劉亮　劉青松　楊東營　王令

【摘 要】本文設計并實現了用于相位噪聲測量可數字調頻的參考源。分析了鎖相頻率合成相位噪聲的影響因素及鎖相環(huán)調頻的理論依據，給出了參考源合成方案。實驗測試結果：頻率覆蓋范圍3～6GHz，3GHz時10kHz頻偏處的相位噪聲約為-131dBc/Hz，6GHz時10kHz頻偏處的相位噪聲約為-126dBc/Hz，最大調頻頻偏100kHz，具有較高的工程實用價值。

【關鍵詞】相位噪聲；頻率合成；參考源；調頻

Study and Realization of Digital FM Reference Source for Phase Noise Measure

ZHANG Shi-feng LIU Liang LIU Qing-song YANG Dong-ying WANG Ling

（The 41st Research Institute of CETC，Chengdu Sichuan 610081，China）

【Abstract】The issue aims at the Study and realization of digital FM reference source for phase noise measure. Analyzes the factor of affect the phase noise of PLL frequency synthesizer， and the theory about PLL FM， introduces schematic design of frequency synthesize. The experimental results： The frequency range is 3～6GHz， The phase noise level is -131dBc/Hz@10kHz with output frequency of 3 GHz； The phase noise level is -126dBc/Hz@10kHz with output frequency of 6 GHz， The maximum offset of FM is 100kHz. It has a high engineering practical value.

【Key words】Phase noise； Frequency synthesize； Reference source；FM

0 引言

在相位噪聲測量領域，鑒頻/鑒相法具有較高的相位噪聲測量靈敏度和測量準確度，能夠提供較寬的相位噪聲分析頻偏范圍，是目前相位噪聲測試領域廣泛采用的一種相位噪聲測量方法。如圖1所示，它需要提供一個超低噪聲可調諧參考信號源，利用數字鎖相技術，通過鑒頻/鑒相器將被測信號與參考信號之間的相位差轉換成電壓，對電壓信號進行基帶分析得出被測信號的相位噪聲[1]。

圖1 鑒頻/鑒相法相位噪聲測量示意圖

鑒頻/鑒相法進行相位噪聲測量對參考源具有較高的要求，除了具有超低的相位噪聲外還需要具備數字調頻功能。根據設計要求，需要為相位噪聲測試儀設計參考源，要求輸出頻率范圍3～6GHz，相位噪聲在3GHz左右10kHz頻偏處要小于-127dBc/Hz，具備數字調諧功能，最大頻偏50kHz。本文將介紹一種用于相位噪聲測量可進行數字調頻參考源的設計與實現方法。

1 頻率合成技術分析

1.1 頻率合成相位噪聲分析

頻率合成的實現方式多種多樣，但本質上都是以某個高指標參考頻率為基準，在它的基礎上進行分頻、倍頻、混頻等操作，從而生成頻帶更寬的信號。目前，合成寬帶微波頻率信號常用的方法是鎖相環(huán)，主要有分頻式反饋及諧波或基波混頻式反饋的鎖相環(huán)技術[2-3]。這兩種方式在采取相同相位噪聲水平的鑒相器和振蕩器以及相位噪聲足夠低的參考信號fref情況下，鎖相環(huán)輸出的相位噪聲取決與反饋信號的相位噪聲水平。

在分頻式反饋鎖相環(huán)路中，為了分析可變除N分頻器對環(huán)路噪聲的影響，在這里把分頻器看作是一個理想部件，而本身的相位噪聲用外加于輸出端的ΦO（S）/N來表示。同時由于分頻的原因，在其輸出端還有。如圖2所示[2]。

顯然，環(huán)路中加入可變除N分頻器之后，對VCO來說，它實際就變成了倍頻器。在低頻率偏移時，G（jω）≈1，SΦnd（ωm）相對SΦi（ωm）是小的，所以噪聲增加了20logN。但是在很多情況下，分頻器的輸出噪聲惡化要遠大于20logN的計算所得，原因在于分頻器對相位有采樣效果，使相位噪聲在頻域上拓展，當輸入噪聲帶寬較大時，就會發(fā)生混疊，從而使噪聲抬高。

在混頻式反饋鎖相環(huán)路中的混頻器可以看作是相位的加法（或減法）器[4]。圖3表示混頻器對相位的加減作用。在一般情況下，信號的相位φr包括直流分量φ0噪聲φnt和雜散三部分，若忽略直流分量φ0，只考慮混頻器對噪聲的影響，則

在不相關的條件下，功率譜密度總是相加而不會相減。

根據以上分析，若輸出的參考源信號相位噪聲足夠好，經過混頻器后鎖相環(huán)反饋信號理論上最多惡化3dB，只要參考信號及本振信號相位噪聲足夠低，則鎖相環(huán)輸出信號的相位噪聲就可以做得很低。因此，相對與分頻式反饋的鎖相環(huán)，采用混頻鎖相方式可實現更低相噪的頻率合成。

1.2 頻率合成數字調頻實現方法分析[5]

根據設計要求，參考源要具備數字調諧功能。加有調頻信號的分頻式反饋鎖相環(huán)頻率合成器線性化相位模型，如圖4所示。

圖4 帶有調制信號鎖相環(huán)相位模型

按照線性系統(tǒng)理論傳遞函數變換規(guī)則，可以將圖4所示相位模型變換為如圖5所示的等效相位模型，求出環(huán)路對調頻信號UO（S）的傳遞函數：

式（6）說明環(huán)路輸出頻偏對調頻信號的傳遞函數可以表示為環(huán)路誤差的傳遞函數，即環(huán)路對調頻信號呈現高通特性，這就要求調頻信號頻率必須大于一定頻率，才可以對VCO進行直接調頻。所以直接調制VCO的方法不能實現頻率低至直流（DC）的調頻。

由于鎖相環(huán)環(huán)路對程序分頻器的傳遞函數呈現低通特性，這就使得可以考慮通過調制程序分頻比的方式實現較低調制信號頻率的調制。調制分頻比的鎖相調頻相位模型如圖6所示，該模型中將調頻信號進行數據轉換變成數據形式與分頻比相同的數據M（s），從而可以進行直接調制鎖相環(huán)的分頻比。

式（7）表明環(huán)路對調制鎖相環(huán)的分頻比呈現低通特性，所以這種調制方式可以使得調頻信號的頻率低至直流。

2 混頻頻率合成方案

根據以上分析，為了實現超低相位噪聲及數字調頻功能，采用包含調制分頻比鎖相環(huán)的多環(huán)混頻鎖相方式，方案框圖如圖7所示。

100MHz恒溫晶體振蕩器用來提供超低相位噪聲參考信號。

小數環(huán)的主要作用是用來獲得高分辨率的參考信號并實現直流調頻。小數環(huán)由集成VCO，小數分頻電路、鑒相電路、積分電路組成。小數分頻采用FPGA實現，小數環(huán)合成信號經分頻后作為基波混頻環(huán)的參考信號。數字調頻功能通過小數分頻電路實現，接收到的數字調頻信號FMDATA為32位，在FPGA內部與小數分頻比疊加，通過改變分頻比實現數字調頻。

本振環(huán)由主要作用是產生大步進低噪聲本振信號。100MHz信號經倍頻、分頻后作為微波本振環(huán)的參考信號。梳譜發(fā)生器產生的梳狀譜經濾波后與微波本振信號進行混頻，產生中頻信號，中頻信號與參考信號進行鑒相通過環(huán)路濾波器驅動VCO。

基波混頻環(huán)由鑒相電路、積分電路、振蕩器和混頻下變頻電路構成。由于基波混頻環(huán)輸出鎖相信號相位噪聲較低，這就需要較寬的帶寬，若使用遠端噪聲較差的VCO，帶寬過寬會導致轉折頻率處相位噪聲惡化嚴重，因此，基波混頻環(huán)采用了遠端相位噪聲較好的YIG振蕩器。來自本振環(huán)的本振信號與基波混頻環(huán)振蕩器的輸出信號進行混頻，中頻信號與小數環(huán)輸出的分頻信號進行鑒相，經積分電路驅動振蕩器實現環(huán)路鎖定。

3 實驗結果分析

本文設計的超低噪聲參考源輸出頻率范圍3～6GHz，頻率步進1Hz，相位噪聲測量結果如圖8所示。輸出頻率為3GHz時，10kHz頻偏處的相位噪聲約為-131dBc/Hz；輸出頻率為6GHz時，10kHz頻偏處的相位噪聲約為-126dBc/Hz。相位噪聲滿足了設計要求。數字調頻方面，受本振環(huán)、小數環(huán)、基波混頻環(huán)振蕩器預置及捕捉范圍所限，調頻頻偏受到一定限制，但最大頻偏均在100kHz以上，滿足50kHz的設計要求。

從這兩組測量結果上看，在10kHz頻偏處，3GHz與6GHz的相位噪聲差約6dB，這主要是本振環(huán)使用了梳譜發(fā)生器輸出諧波次數分別是10次和20次，本振環(huán)在這兩點的相位噪聲也差6dB，這個結果滿足在倍頻過程中相位噪聲以20logN惡化的理論值。由于本振環(huán)使用的VCO不同頻率相噪及調諧靈敏度會有差異，最終傳遞到基波混頻環(huán)，導致輸出信號在10kHz頻偏以遠略有差別。

4 結束語

本文介紹了相位噪聲測量數字調頻參考源的設計方法，分析了采用混頻鎖相環(huán)進行低噪聲設計及鎖相環(huán)如何實現數字調頻的理論依據，無論是在理論分析還是在方案設計上對于電子設備頻率合成面的研究均具有一定的參考及實用價值。

【參考文獻】

[1]朱偉，杜念文.相位噪聲測試技術研究及應用[J].2015年全國微波毫米波會議論文集，2015.

[2]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安：西安交通大學出版社，1995.

[3]范吉偉.基于諧波混頻的高性能頻率合成器[J].科技視界.2012，32：127-128.

[4]張有正，陳尚勤，周正中.頻率合成技術[M].北京：人民郵電出版社，1984，33-35.

[5]伍復哲.低相噪寬帶可調頻頻率合成器設計與實現.電子科技大學碩士學位論文，2012，03.

[責任編輯：朱麗娜]