【正文】 噪聲作用下，同樣存在門限效應。環(huán)路在不同應用場合，各種噪聲和干擾的強度及其造成的后果不同。其中小數(shù)分頻頻率合成可以在不改變參考頻率的情況下，通過增加分頻比中的小數(shù)位數(shù)提高頻率合成器的頻率分辨率，具有很好的應用價值。而對于正弦鑒相特性，當 66e???? ? ?時。 dK 的單位肯定是 [ / ]V rad ，若 0K 用 [ / ]HzV ，則 K 為 []Hz ；若 0K 用 [ / . ]rad sV ，則 K 為 [ / ]rad s 。表（ 3— 3）中給出了 ? 和 n? 與 K 及時間常數(shù) 1? 、 2? 的關系。在 2X? 的范圍內(nèi)，幅頻響應急劇下降。 閉環(huán)頻率特性具有低通特性，可以理解為；當環(huán)路輸入信號的相位 ()rt? 作正弦變化時，只要調(diào)制頻率 ? 低于環(huán)路帶寬 c? ，環(huán)路可以良好地傳遞相位，環(huán)路的輸出信號相位 0()t? 能夠跟蹤輸入信號相位的變化；而當輸入調(diào)制頻率 ? 高于環(huán)路帶 寬 c? ，環(huán)路就不能很好地傳遞相位，輸出信號相位將不能跟隨輸入信號相位的變化，因此環(huán)路相對于輸入信號相位的變化相當于一個低通濾波器。 由于系統(tǒng)的非線性，其穩(wěn)定性與外界干擾的強弱有關。 對于一個線性化單位反饋的鎖相環(huán)路，環(huán)路閉環(huán)傳遞函數(shù)如下式所示， 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 29 即 21() ()() ( ) ( )s K F sHs s s K F s???? ? 因此，根據(jù)線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件，判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，并不一定要解出特征方程 ( ) 0s KF s??的根，而只要判斷方程的根是否具有實部；或者，可檢查閉環(huán)傳遞函數(shù) ()Hs的全部極點是否處于 s 平面的左半平面內(nèi)。因此，奈奎斯特準則得到廣泛應用。噪聲太大甚至會使環(huán)路跳周或失鎖，以至環(huán)路不能正常工作。因為噪聲是隨機的，在壓控振蕩器的輸出中亦引起隨機相位噪聲。從濾除輸入相位噪聲的角度考慮， BL 越小環(huán)路濾除噪聲的能力越強。其物理意義為：鎖相環(huán)路對壓控振蕩器相當于負反饋電路，由于環(huán)路低通濾波器的作用，頻率越高，負反饋的作用越小，即旁頻離載頻越遠，環(huán)路對它的抑制能力越弱。據(jù)此設計出合適的環(huán)路濾波器，以滿足課題設計要求。當然，各個頻率的信號不是同時存在的，即頻率合成器在某一時刻只能輸出某一個頻道信號。通常要求頻率合成器人工轉(zhuǎn)換頻率的時間較快，同時要求鎖相環(huán)路的捕捉時間低于幾十毫秒。單邊帶功率與總的信號功率之比。 pre_en設置為低時10/11前置分頻器有源， pre_en 設置為高時允許 Fin 旁路前置分頻器且與前置分頻器無源。 rf R 計數(shù)器 cf D ? ?0:7Sdata Control A(3:0) R(5:0) M(8:0) 模數(shù)選擇 Fin Fin 10/11 prescaler M 計數(shù)器 鑒 相 器 R Cext LD PD_U PD_D pf 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 39 (3 ) 鑒相器 鑒相器由 主分頻器輸出 pf 和參考分頻器輸出 cf ,的上升沿觸發(fā)，它有 PD_U 和 PD_D 兩個輸出。我在這用直接接口模式。 運用伯德準則來判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，環(huán)路穩(wěn)定的條件為： ︱ ? ?rjG? ︳ =1；∠ ? ?rjG? ﹤ ? 。根據(jù)需要所設計的環(huán)路濾波器如下圖所示： 圖 4— 2 環(huán)路濾波器 C Enh eBmod eSmod R5 R4 R8 R7 ene_Pr 1 1 X 0 0 0 0 0 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 R3 0 1 0 1 1 1 1 0 R2 R1 R0 A3 A2 A1 A0 0 0 1 0 0 0 0 R1 R1 R2 R2 + C C 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 41 集成鎖相芯片選 PE3336，環(huán)路濾波器選有源濾波器。 當 1?Enh 時 PE3336處于工作模式，當 0?Enh 時 PE3336處于測試工作狀態(tài)。直通到鑒相器。 本課題所設計的頻率合成器的技術指標主要有： （ 1） 相位噪聲： 60dBc/Hz10KHz （ 2） 雜散抑制： 90dB： （ 3） 輸出阻抗： 50Ω； （ 4） 頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于 s?10 ；（連續(xù)工作 8 小時內(nèi)）； （ 5） 頻率準確度：優(yōu)于 s?10 ； （ 6） 信號變換時間： 10ms。 非諧波的寄生噪聲低于所需信號 80～ 90dB，而諧波低于 25dB。 （ 4） 頻率轉(zhuǎn)換時間 頻率轉(zhuǎn)換時間是指頻率合成器從某一頻率轉(zhuǎn)換到另一頻率所需要的時間。 N 247。本課題所設計的是輸出頻率為 500—1000MHz 頻率可控的鎖相式頻率合成器。設壓控振蕩器相位噪聲等效為理想的無噪聲壓西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 33 控振蕩器與 一個隨機相位噪聲為 ()nVt? 的噪聲源相加的結果，環(huán)路的相位模型如圖（ 3— 7）所示。根據(jù)式（ 3— 23）的定義，可導出它的物理意義。當環(huán)路鎖定以后，在輸入噪聲作用下，鑒相器 就會有噪聲電壓輸出。但由于他更直觀，因此在解決系統(tǒng)的校正問題時，尼柯爾圖有其獨特的優(yōu)點。 （ 3） 勞斯 — 霍爾維茨準則 這種方法不必求出根值，而直接利用特征方程的系數(shù)，確定其是否含有正實部根的數(shù)目。因此，研究系統(tǒng)穩(wěn)定性與環(huán)路參數(shù)之間的關系是分析 PLL 性能的任務之一。分析環(huán)路的穩(wěn)定性就是要力求避免這些不穩(wěn)定因素，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可用。由圖可見，誤差頻率特性具有高通特性，特性曲線與 ? 值的大小有關。且阻尼系數(shù) ? 越小，其峰值越高。表 (3— 10 中，傳遞函數(shù)表示增益 K 和環(huán)路濾波器的時間常數(shù)的關系式。故環(huán)路增益 K 應具有頻率的量綱。雖然壓控振蕩器也可能出現(xiàn)非線性，但只要適當?shù)脑O計與使用就可以做到控制特性線性化。 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 18 另一個問題是 VCO 的輸出是直接加到可變分頻器上的，而這種可編程分頻器的最 高工作頻率可能比所要求的合成器工作頻率低得多，因此，在很多應用場合基本的鎖相頻率合成器是需要改進的。在這里還特別要一提的是它的噪聲性能。因為環(huán)路輸出的是壓控振蕩器的信號，它是輸入載波信號頻率與相位的真實復制品，其幅度比輸入信號強得多。 載波跟蹤特性包含有三重含義：一是窄帶。 令 10( ) ( )rrtt? ? ? ?? ? ? 則 ? ? 01 ???? ???? ortp 2— 23 將式 2— 23 代入式 2— 21 可得固定頻率輸入時的環(huán)路基本方程： ? ? ? ? ? ?tpFKKtp ede ??? s in00 ??? 2— 24 此式左邊 ()ept? 項是瞬時相差 ()et? 對時間的導數(shù)，稱作瞬時頻差 ()rv??? 。如果用一個可編程分頻器來實現(xiàn)分頻比 N,就可以很容易的通過改變 N來使輸出頻率按照參考頻率的整數(shù)倍進行變化。 ()dUt經(jīng)過環(huán)路濾波器的過濾得到控制電壓 ()cUt。 （ 4） 控 制靈敏度 0K 從同步帶的角度希望 0K 越大越好，從邊帶抑制的角度希望 0K 越小越好。 其傳遞函數(shù)是 239。因此，應根據(jù)具體需要選擇合適類型的鑒相器。 現(xiàn)在我們先簡述圖（ 2— 1）中三個部件鑒相器 壓控振蕩器 參考信號 Ur(t) Ud(t) Uc(t) Uo(t) 環(huán)路濾波器 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 8 的作原理。 5 易于集成化。 鎖相技術的特點 鎖相環(huán)路處于良好工作狀態(tài)時，有如下基本特點： 1 可以實現(xiàn)理想的頻率控制。進入 50 年代，隨著空間技術的發(fā)展，由杰斐（ Jaffe）和里希廷（ Rechtin）利用鎖相環(huán)路作為導彈信標的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應的鎖相環(huán)路線性理論分析的文章，同時解決了鎖相環(huán)路最佳化設計問題。 這三種頻率合成方法是現(xiàn)代頻率合成的技術基礎，在性能上各有其特點，相互之間不能相互取代而是很好的補充。數(shù)字式鎖相頻率合成器具有良好的窄帶跟蹤特性，可以很好的選擇所需頻率的信號，抑 制雜散分量，并且避免 了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于采用了大量的倍頻﹑分頻﹑混頻和濾波環(huán)節(jié)，需要應用大量的硬件設備，這就使得直接合成器做的較為龐大和昂貴。但由于這種方法要使用多個晶體振蕩器參考源，設備笨重，難于做到一致性，也不能滿足各種不同頻率的需要，因而后來被淘汰。鎖相式頻率合成技術提供了解決這一問題的思路。但晶振的頻率是單一的或只能在一個極小的范圍內(nèi)微調(diào)。傳統(tǒng)的頻率合成技術已經(jīng)遠不能滿足實際的要求。通過對可編程分頻比的改變，就可以根據(jù)需要來改變輸出頻率。 直接數(shù)字式頻率合成是近 20 年來隨著技術和器件水平的提高而發(fā)展起來的，它最早是由美國學者于 1971 年提出的。鎖相原理在數(shù)學理論方面，早在30 年代無線電技術發(fā)展的初期就已出現(xiàn)。 70 年代后，隨著集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的集成鎖相環(huán)，這就為鎖相技術在更廣泛的領域應用提供了條件。當壓控振蕩器輸出頻率鎖定在輸入頻率上時，位于信號頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形 式進入環(huán)路，而絕大部分干擾西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 6 會受到環(huán)路濾波器的低通特性的抑制，就相當于一個窄帶的高頻帶通濾波器。在此基礎上，導出了環(huán)路的相位模型和基本方程，概述了環(huán)路的工作過程。鑒相器的形式很多，按其鑒相特性分，有正弦型﹑三角形和鋸齒型等。環(huán)路濾波器由線性元件電阻，電容和運算放大器組成，因而它是一個線性系統(tǒng)，在時域分析dk dk ??t0? － ? +? 0 圖 2— 3 正弦鑒相器特性曲線圖 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文 10 中可用傳輸算子 F（ p）表示，其時域模型和頻域模型如下圖所示。在線性范圍內(nèi)，特性用下列方程表示 00( ) ( )vct K u t???? 2— 10 在鎖相環(huán) 路中，壓控振蕩器的輸出對鑒相器起作用的不是瞬時角頻率而是它的瞬時相位 0000( ) ( )ttvcd t K u d? ? ? ? ? ????? 2— 11 將此式與式（ 2— 4）相比較，可知以 t0? 為參考的輸出瞬時相位為 ?? t ci duKt 02 )()( ??? 2— 12 由此可見，壓控振蕩器在鎖相環(huán)中起了一次積分作用。否則，系統(tǒng)參數(shù) ? 與 ? 就隨 0K 的變化而變化。由于鎖相環(huán)是一個相位自動跟蹤系統(tǒng)，因而當鎖相環(huán)鎖定時，不存在輸入信號和輸出信號之間的頻率差，而只存在一個很小的穩(wěn) 態(tài)相位差。則鑒相器輸入?yún)⒖夹盘柡蛪嚎卣袷幤鬏敵鲂盘柕谋磉_式分別如（ 22），（ 23）式所示。稱為控制頻差。在高頻頻帶上，鎖相環(huán)路可以做到很窄的帶寬，這是普通的濾波器難以達到的。但是鎖相環(huán)路不像一般非線性器件那樣，門限取決于輸入信噪比，其門 限是由環(huán)路信噪比決定的。如環(huán)路用于接收機時，輸入端的高斯白噪聲是主要的噪聲源；環(huán)路用于頻率合成器時，主要噪聲源是 VCO 內(nèi)部噪聲和鑒相器的泄漏。但由于其固有的結構決定其工作過程中會產(chǎn)生比較大的雜散，目前國內(nèi)外大多采用數(shù)字 校正的方法來改善小數(shù)分頻的雜散?？砂言c附近的特性曲線視為斜率為 dK 的直線。 鎖相環(huán)路的傳遞函數(shù) 眾所周知，線性系統(tǒng)的特性，可以用它的傳遞函數(shù)來描述。 表 3— 1 0()Hs、 ()Hs、 ()eHs與 K 、 1? 、 2? 的關系 一階環(huán) 典型二階環(huán) 非理想二階環(huán) 理想二階環(huán) ()Fs 1 111 s?? 211ss??? 211ss??? 0()Hs Ks 1(1 )Kss?? 21(1 )(1 )Ksss???? 221(1 )Kss ??? ()Hs KsK? 1211Ks s K????? 2112 21 1 11()K KsKs s K????? ? ??? ? ? 2112 211K KsK Kss????????? ()eHs ssK? 1211sss s K?????? 2 12 21 1 11()ssKs s K??? ? ??? ? ? 22 211sKKss????? 表 3— 2 ()Hs、 ()eHs與 ? 、 n? 的關系 典型二階環(huán) 非理想二階環(huán) 理想二階環(huán) ()Hs 2222 nnnss??? ??? 2222( 2 )2n n nnnsKss?? ? ???