【正文】 噪聲作用下，同樣存在門限效應(yīng)。環(huán)路在不同應(yīng)用場合，各種噪聲和干擾的強(qiáng)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(yīng)用價(jià)值。而對(duì)于正弦鑒相特性，當(dāng) 66e???? ? ?時(shí)。 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(shí)間常數(shù) 1? 、 2? 的關(guān)系。在 2X? 的范圍內(nèi)，幅頻響應(yīng)急劇下降。 閉環(huán)頻率特性具有低通特性，可以理解為；當(dāng)環(huán)路輸入信號(hào)的相位 ()rt? 作正弦變化時(shí)，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(hào)相位 0()t? 能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的變化；而當(dāng)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(hào)相位將不能跟隨輸入信號(hào)相位的變化，因此環(huán)路相對(duì)于輸入信號(hào)相位的變化相當(dāng)于一個(gè)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(qiáng)弱有關(guān)。 對(duì)于一個(gè)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(xué)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(shí)部；或者，可檢查閉環(huán)傳遞函數(shù) ()Hs的全部極點(diǎn)是否處于 s 平面的左半平面內(nèi)。因此，奈奎斯特準(zhǔn)則得到廣泛應(yīng)用。噪聲太大甚至?xí)弓h(huán)路跳周或失鎖，以至環(huán)路不能正常工作。因?yàn)樵肼暿请S機(jī)的，在壓控振蕩器的輸出中亦引起隨機(jī)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(qiáng)。其物理意義為：鎖相環(huán)路對(duì)壓控振蕩器相當(dāng)于負(fù)反饋電路，由于環(huán)路低通濾波器的作用，頻率越高，負(fù)反饋的作用越小，即旁頻離載頻越遠(yuǎn)，環(huán)路對(duì)它的抑制能力越弱。據(jù)此設(shè)計(jì)出合適的環(huán)路濾波器，以滿足課題設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，各個(gè)頻率的信號(hào)不是同時(shí)存在的，即頻率合成器在某一時(shí)刻只能輸出某一個(gè)頻道信號(hào)。通常要求頻率合成器人工轉(zhuǎn)換頻率的時(shí)間較快，同時(shí)要求鎖相環(huán)路的捕捉時(shí)間低于幾十毫秒。單邊帶功率與總的信號(hào)功率之比。 pre_en設(shè)置為低時(shí)10/11前置分頻器有源， pre_en 設(shè)置為高時(shí)允許 Fin 旁路前置分頻器且與前置分頻器無源。 rf R 計(jì)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(jì)數(shù)器 鑒 相 器 R Cext LD PD_U PD_D pf 西安電子科技大學(xué)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(gè)輸出。我在這用直接接口模式。 運(yùn)用伯德準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(xué)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(dāng) 1?Enh 時(shí) PE3336處于工作模式，當(dāng) 0?Enh 時(shí) PE3336處于測試工作狀態(tài)。直通到鑒相器。 本課題所設(shè)計(jì)的頻率合成器的技術(shù)指標(biāo)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(shí)內(nèi)）； （ 5） 頻率準(zhǔn)確度：優(yōu)于 s?10 ； （ 6） 信號(hào)變換時(shí)間： 10ms。 非諧波的寄生噪聲低于所需信號(hào) 80～ 90dB，而諧波低于 25dB。 （ 4） 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)間。 N 247。本課題所設(shè)計(jì)的是輸出頻率為 500—1000MHz 頻率可控的鎖相式頻率合成器。設(shè)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(xué)本科畢業(yè)論文 33 控振蕩器與 一個(gè)隨機(jī)相位噪聲為 ()nVt? 的噪聲源相加的結(jié)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(dǎo)出它的物理意義。當(dāng)環(huán)路鎖定以后，在輸入噪聲作用下，鑒相器 就會(huì)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(shí)，尼柯爾圖有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 （ 3） 勞斯 — 霍爾維茨準(zhǔn)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(shí)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(guān)系是分析 PLL 性能的任務(wù)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(guān)。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(shí)間常數(shù)的關(guān)系式。故環(huán)路增益 K 應(yīng)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(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)與使用就可以做到控制特性線性化。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 另一個(gè)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(yīng)用場合基本的鎖相頻率合成器是需要改進(jìn)的。在這里還特別要一提的是它的噪聲性能。因?yàn)榄h(huán)路輸出的是壓控振蕩器的信號(hào)，它是輸入載波信號(hào)頻率與相位的真實(shí)復(fù)制品，其幅度比輸入信號(hào)強(qiáng)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(shí)的環(huán)路基本方程： ? ? ? ? ? ?tpFKKtp ede ??? s in00 ??? 2— 24 此式左邊 ()ept? 項(xiàng)是瞬時(shí)相差 ()et? 對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，稱作瞬時(shí)頻差 ()rv??? 。如果用一個(gè)可編程分頻器來實(shí)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(jìn)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(yīng)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(gè)部件鑒相器 壓控振蕩器 參考信號(hào) Ur(t) Ud(t) Uc(t) Uo(t) 環(huán)路濾波器 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 的作原理。 5 易于集成化。 鎖相技術(shù)的特點(diǎn) 鎖相環(huán)路處于良好工作狀態(tài)時(shí)，有如下基本特點(diǎn)： 1 可以實(shí)現(xiàn)理想的頻率控制。進(jìn)入 50 年代，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，由杰斐（ Jaffe）和里希廷（ Rechtin）利用鎖相環(huán)路作為導(dǎo)彈信標(biāo)的跟蹤濾波器獲得成功，并首次發(fā)表了包含噪聲效應(yīng)的鎖相環(huán)路線性理論分析的文章，同時(shí)解決了鎖相環(huán)路最佳化設(shè)計(jì)問題。 這三種頻率合成方法是現(xiàn)代頻率合成的技術(shù)基礎(chǔ)，在性能上各有其特點(diǎn)，相互之間不能相互取代而是很好的補(bǔ)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(hào)，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(yīng)用大量的硬件設(shè)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(gè)晶體振蕩器參考源，設(shè)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(shù)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(gè)極小的范圍內(nèi)微調(diào)。傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的要求。通過對(duì)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(shù)和器件水平的提高而發(fā)展起來的，它最早是由美國學(xué)者于 1971 年提出的。鎖相原理在數(shù)學(xué)理論方面，早在30 年代無線電技術(shù)發(fā)展的初期就已出現(xiàn)。 70 年代后，隨著集成電路技術(shù)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(shù)在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用提供了條件。當(dāng)壓控振蕩器輸出頻率鎖定在輸入頻率上時(shí)，位于信號(hào)頻率附近的干擾成分將以低頻干擾的形 式進(jìn)入環(huán)路，而絕大部分干擾西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 會(huì)受到環(huán)路濾波器的低通特性的抑制，就相當(dāng)于一個(gè)窄帶的高頻帶通濾波器。在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)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(yùn)算放大器組成，因而它是一個(gè)線性系統(tǒng)，在時(shí)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(xué)本科畢業(yè)論文 10 中可用傳輸算子 F（ p）表示，其時(shí)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(duì)鑒相器起作用的不是瞬時(shí)角頻率而是它的瞬時(shí)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(shí)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(gè)相位自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，因而當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)，不存在輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的頻率差，而只存在一個(gè)很小的穩(wěn) 態(tài)相位差。則鑒相器輸入?yún)⒖夹盘?hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)的表達(dá)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(dá)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(jī)時(shí)，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(shí)，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(jié)構(gòu)決定其工作過程中會(huì)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(diǎn)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(guān)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(guān)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?? ? ???