小数分频频率合成器的理论基础.docx

小数分频频率合成器的理论基 础（翻译）A. Marques _, M. Steyaert and W. SansenESAT-MICAS, K.U. Leuven, Kard. Mercierlaan 94, B-3001 Heverlee, Belgium本文提出了一种基于锁相回路（PLL）频率 合成器的演变概述数字PLL的主要限制的描 述，以及随之而来的小数N技术使用的必要性 是有道理的合成频率的旁瓣典型的杂散噪声线 的起源进行了解释它通过使用数字 调制器来 控制分频值展示了如何消除这些杂散噪声线最 后,数字调制器的使用同分数N PLL的输出相 位噪声的影响一起进行了分析1. 介绍无线通信领域，在过去十年中有了很大的发 展这种快速发展，主要是通过引进强大的数字 信号处理技术这些技术允许执行复杂的调制解 调方案，以及先进的数字校正技术，最终产生非 常高性能的系统，可以完全或几乎完全集成在一 个标准的低成本技术典型的接收器/发射器无线系统RF部分如 图1所示可以看出，在无线系统中，一个或多 个频率合成器几乎都是必要的，同时在接收和发 射部分此频率合成器必须不仅能够产生感兴趣的频带内的所有频率，以及产生具有高纯度的, 由于不断下降的频道间距。

TX Filter IF FilterRF OSC IF OSC、八「、\ / -V A▼■ IQDem► 1 ► QImage FilterIF Filter图1典型的射频部分，一个无线接收器/ 发射器系统在无线系统领域，在过去几年中主要重点一 直是在一个完整的系统的全面整合，包括发射器 /接收器和频率合成器，使用短沟道 CMOS或 BiCMOS工艺（见［1,13］其引用）因此，频率合成精度高，稳定的需求令人难 以置信的增长，特别是对需要的操作频率非常高（在千兆赫兹的范围内）的应用，小频率决议（典 型的信道间隔几百万赫兹数100千赫），和低相 位噪声数字（100dBc的订单数100千赫载波） 此外，同时，在过去几十年，数字可编程的频率 合成器的需求也增加了本文提供了一个数字可编程频率合成器相位锁定回路（PLL）为基础的演变概述由于相 位噪声实际上是为无线通信系统所要求的规格 是非常艰难的，主要的重点将在相位噪声的分析 和如何在不削弱系统的其他特征的同时减少它 下面的思想将是这些结构将被期望用在高频无 线系统，并完全或几乎完全集成成本低，技术标 准（如尽可能短通道数字CMOS技术）第2节中，我们提供了动机研究基于PLL可 编程频率合成，提出不久在其他的替代品存在一 定的局限性。

第3节中，众所周知的数字锁相环 介绍，这种结构的主要限制在第4节，小数N 分频PLL原理解释，结构最重要的问题是确定 的因此，在第5条，该方法在［7,11］开发实现 小数N使用A-S调制器的功能进行了探讨最 后，在第6条，得出了一些结论有关这些技术的 探索2. 频率合成技术有几种可能的频率合成技术最常用的方法 是：第一，直接模拟合成;第二，直接数字合成; 第三，基于PLL结构的间接合成［4,6,12］直接模拟合成，如图2所示，硬件密集的技术，使一个实现精细的频率分辨率和快速开关时 间然而，这种技术不适合高频的和传统的CMOS 低相位噪声合成（或BiCMOS工艺）技术事实 上，集成度实现这种技术是相当减少，产生的结 果实现起来非常昂贵100-110 100-110 100-110MUXaD 31 3n图2直接合成技术的原则直接数字合成，在图3中，提供如直接模拟 合成技术，精细的频率决议和快速开关时间它 也可以完全在一个标准的CMOS技术下实施这项 技术,此外，通过一个相对简单的修改相位累 加器的结构，它甚至还提供了一个简单的方式实 现直接的相位和频率调制在一个成本稍高的芯 片面积上然而，对于典型的无线应用需要高频 率和低相位噪声，硬要求DAC的时钟频率上，决 议，非线性性和毛刺能量的使用这项技术是不可 能的。

间接的合成，如图4所示，是比较与前两次的技术，更适合高频率的正弦信号的合成此外， 可以集成合成器的主要组成部分在BiCMOS或即 使在CMOS技术电压通常主要控制振荡器(VCO) 构成整合的问题但是，目前它也有可能集成这 个模块在一个标准的CMOS技术之上，即使在千 兆赫兹的频率范围内操作和实现了非常低的相位噪声的数字［3, 8, 9,14］图4数字锁相环这种技术的主要问题导致合成过程中的间 接性质首先，由于参数是一个非常低的频率信 号相对合成信号，在频带参数相位噪声等于PLL 显示输出乘以一个大因数(频率乘以分频系数为 100增加了带内参数相位噪声40分贝)第二, 低频率参考信号要求PLL环路带宽更小，因此产生固有的缓慢切换结构然而，这一问题已逐步得到解决，终于在一 个小数分频PLL控制合成由△-艺结构，整合一个标准的CMOS技术，适合高频率和低相位噪声， 并取得了良好的频率分辨率和短的开关时间为总结此频率合成的简要概述技术，表1比 较几个关于超大规模集成电路集成无线解决方 案最重要的几个方面的技术指标表1比较不同的合成技术频率 范围相位噪 声+毛刺率 精度W换时 间集成度直接 模拟低好好非常快小型直接 数字低不好好非常快全部^成-PLL高好折中全部Fract PLL（AS控制）高不好好全部因此，高频率的稳定性和准确性，低相位噪 声和高频率合成能力，似乎是唯一真正的选择是 PLL[5,12]。

高频率操作的需求和需要锁定环路到一个 相对较低的频率参考结合使用数字模块的简单 做数字锁相环，数字分频器和数字鉴相器，非常 有吸引力的（见图4）在下一节将分析这种结 构3. 数字式锁相环由于所需的高稳定性和低噪声输入信号，这 个环路可以作为线性控制分析系统，输入和输出 信号是相位的［4,6］系统框图如图5所示图5,我们马上就可以得出这样的结论锁定 条件下（频率和相位误差，等于零），输出频率 由下式o = N •fr ⑴图5 一个数字PLL的框图请注意，生成的输出可控制编程分频器的N 值但是，N为一个整数值，第一个限制立即出 来：频率分辨率等于参考频率从参考噪声的噪 声传递函数源和输出的VCO噪声，分别给出N (s)=}(s)=2) m p f vNv(s)=討 G)= s + H (s )-KkK /N(3) ” pfv由于环路滤波器H (S),具有低通特性，将 参考源的相位噪声低传递给输出和乘以N,而相 位噪声VCO的将是高传递到输出，造成噪音环 路带宽之外的组件不衰减因此，输出相位噪声 约为等于向参考源的相位噪声乘以N在频率低 于环路带宽下，或等于VCO的相位噪声在频率 高于环路带宽下。

给一个确定的的参考频率，优化循环的特 性，以实现低输出相位噪声是不是一件简单的事 情，因为：•首先，为了减少由参考频率的噪音产生的 输出相位噪声的贡献，我们应该减少环路带宽， 并选择参考源的相位噪声低的特点自从对于一 个循环顺序两极将接近的位置，但随后该系统的 建立时间会加重，环路的稳定性将产生更多的问 题•其次，要降低VCO的输出贡献相位噪声，我们 应该增加环路带宽设计了一个非常低的噪声VCO但随后的抑制参考频率的噪音会更小，这 意味着可能是一个更高的顺序循环，如果环路带 宽和参考频率过于接近，或增加一个参考频率， 这是很难设计的因此，如果低相位噪声要求覆盖很宽的频率 波段，我们必须建立一个折中相位噪声接近并远 离合成频率，参考频率抑制和回路的开关时间由于在数字锁相环频率分辨率是直接依赖 于参考频率，它时下很难甚至是不可能实现这种 结构频率分辨率，开关和相位噪声要求的电信市 场的要求4. N分频锁相环N分频锁相环是一个数字锁相环分频值随时 间函数变化通常用作频率双模预定标器的分频 器，两个数字除以，说N1和N2 (N2> N1 )为 了锁定VCO在一个小数参考频率的整数倍，我 们划分小数部分，它可以在统计方法划分有时由 N1和有时由N2。

所需的分频的定义通常是做一个累加器，应用 一个数字N (0

这种周期性的条件下锁定行为会不断重复并 且相位检测器输出将与累加器值成正比（见图 8）因此，我们可以得出结论，在累加器的值代 表两个信号之间的相位误差的比较从图8可以看出，相位检测器输出具有周期 性的锯齿形电压，频率等于n• f显然，这锯齿 r波信号会诱发相位噪声VCO的输出，主要尖峰 密切在频率偏移的多个所需的频率n• frf. UUUUUUUUUUULUUUJUUJUULUUUJUUUUULUUUJUUJUUUiiII1.0Phase Error0.5 卄 0.6 廿 OH*0 9I I I I I I I I I I0-1 r 0.2 03 °4图8相位检测信号(N1、N2分别为4、5, n 为 0.1)显然，如果这个分数频率落在环路带宽，将 产生非常大的尖峰过滤的锯齿波信号但是，如 果这个分频比PLL带宽高得多，他们会大力减 少循环过滤作用理论上，它可以完全删除它们，因为我们知道信号之间的相位差适用于相位检测器我们可 以应用累计DAC的相位误差，正确缩放值和减 去相位检测器输出这种技术被称为相位插补和 结合它构成一个 DAC的模拟相位内插系统(API)，［12］系统框图图7参照图8,我们可以看到，最大相不同的是 等于VCO频率的一个周期,N2-N1的周期一般。

由于VCO的频率是变量，最大相差幅度相位误 差信号是依赖于合成频率假设输出没有相位噪声，最大相位差），max振幅相位误差信号（a ），以及必要的比例因子e（A）（假设累加器之间有一个规范化的输出0 和1）,可以立即计算：A0 = 2冗-（N — N ） - f / fmax 2 1 r oA = A = k *A0e p因此：A = 2k-k • T = 2k-（7）p （1 一 n） - N + n - N p N + m - AN1 2这是本合成器的主要问题我们即不补偿相 位误差锯齿形，接受每个多。