基于鎖相環的頻率綜合器技術探討

張心澤 周金亮

【摘 要】隨著微波通信技術的迅速發展，人們對通信設備的要求也越來越高。在現代通信系統中，基于鎖相環的頻率綜合器具有頻率穩定度高、使用靈活、控制方便、相位噪聲低等優點，對于提高電子系統的控制效果具有重要的應用價值。本文對基于鎖相環的頻率綜合器技術進行了探討。

【關鍵詞】鎖相環；頻率綜合器；鑒頻鑒相器；晶體振蕩器

21世紀是信息技術高度發展的時代，以微電子為基礎的電子技術是推動信息技術發展的物質基礎。隨著通信技術的飛速發展，頻率綜合器在射電天文、衛星導航、通信、電子對抗、雷達測量等電子信息通信領域的應用已經越來越廣泛。在這些先進的電子系統中，高質量的頻率綜合器是不可或缺的。頻率綜合器的性能在很大程度上牽制了電子系統的性能，因此，各類電子系統對頻率綜合器的頻率穩定度、頻譜純度、頻率范圍和分辨率提出越來越高的要求。如何設計出寬頻帶、高分辨率、低相噪、低成本以及高穩定性的頻率綜合器，早已成為了當今研究的熱門課題。

一、鎖相環及頻率綜合器簡介

（一）鎖相環

最基本的鎖相環結構主要包括鑒相器、低通濾波器、VCO等，輸入信號由晶體振蕩器提供，輸出信號可以直接或間接的作為收發系統中的本振信號。雖然單個VCO電路便可以通過自身振蕩產生頻率信號，但容易受到PVT的影響，使振蕩頻率發生改變，直接影響到收發機的調制和解調過程，產生很高的誤碼率甚至使系統無法正常工作。晶體振蕩器可以保持較高的頻率穩定度，其中石英振蕩器的頻率穩定度在-25ppm到+25ppm范圍內。研究人員將VCO和晶體振蕩器的優點結合起來，便提出了鎖相環的概念。

（二）頻率綜合器

頻率綜合器也可以稱為頻率合成器，其實質就是發射機的激勵信號源。頻率合成是指由一個或多個頻率穩定度很高的參考信號源通過頻率域的線性運算，產生具有同樣穩定度的大量頻率的過程。頻率綜合器應用較多的技術如下：第一，直接頻率合成技術，利用采樣定理通過查表的方法產生波形，其優點是頻率切換響應快、分辨力較高、相位連續等，缺點是輸出頻率范圍有限、輸出雜散大；第二，鎖相環頻率合成技術，它利用鎖相技術實現頻率的加、減、乘、除，其優點是成本低、可合成任意頻率，缺點是頻率切換響應慢。

二、基于鎖相環的頻率綜合器技術

基于鎖相環的頻率綜合器是目前最為廣泛的一種頻率綜合器，基于鎖相環的頻率綜合器的基本結構主要由鑒頻鑒相器、分頻器、壓控振蕩器、晶體振蕩器和環路濾波器等構成，其基本原理如圖1所示。晶體振蕩器產生的高穩定度和高準確度的輸出頻率作為鑒頻鑒相器的參考時鐘信號，決定了頻率綜合器輸出頻率的穩定度和準確度。壓控振蕩器工作在鎖相環頻率綜合器的最高頻率，是鎖相環頻率綜合器的重要模塊。

（一）鑒頻鑒相器

鑒頻鑒相器根據處理信號的不同可以分為模擬和數字鑒頻鑒相器兩大類，其中，模擬鑒頻鑒相器的缺陷是存在著零點漂移、窄鑒相鑒頻范圍等，而數字鑒頻鑒相器則不存在零點漂移，抗干擾能力很強。鑒頻鑒相器主要作用是比較晶體振蕩器的輸出參考頻率fref和分頻器的輸出頻率fdiv的頻率和相位，產生兩信號的電壓誤差信號。當鎖相環開始工作時，若fref與fdiv相差比較大時，鑒頻鑒相器與環路濾波器共同工作，改變壓控振蕩器的控制電壓，當兩個頻率足夠接近時，鑒頻鑒相器進行兩個信號的相位比較。

（二）分頻器

分頻器是鎖相環頻率綜合器中工作在最高頻率的子電路，利用分頻系數N把壓控振蕩器輸出的信號變為原來的N倍，然后與來自石英晶體振蕩器的基準信號進行比較。在低頻應用中，可以通過可編程數字計數器實現可編程分頻系數N，但是它不適應于高頻應用，CMOS工藝技術下，數字計數器的最高工作頻率會受到限制。高頻鎖相環頻率綜合器又是射頻系統不可缺少的電路之一，通過加入高頻多模預置分頻器可以解決高速壓控振蕩器和低速數字計數器之間的速度問題。

（三）晶體振蕩器

鎖相振蕩源具有頻率穩定度高、相位噪聲低、易于集成等突出優點，因而成為通信、雷達、武器制導和電子測量儀器等系統的核心部件。為了提高頻率穩定度，經常采用晶體振蕩器等方法來解決，但它不能滿足頻率個數多的要求，因此，目前大量采用頻率合成技術。通過對頻率進行加、減、乘、除的運算，可從一個高穩定度和高準確度的標準頻率源產生大量的具有同一穩定度和準確度的不同頻率。

（四）壓控振蕩器

壓控振蕩器是鎖相環系統的核心電路，它是鎖相環系統工作頻率最高的電路。隨著壓控振蕩器的發展的不斷進步，對其集成度的要求越來越高，其小面積和簡單化的使用為設計者帶來了很大的方便。鎖相環的核心電路模塊是壓控振蕩器，其性能指標直接影響鎖相環的性能指標，同時調諧范圍寬、相位噪聲低和節省成本等是壓控振蕩器設計的重點和難點。

（五）環路濾波器

環路濾波器的主要作用是濾除環路中的低頻噪聲，減小加在壓控振蕩器上的噪聲電壓，同時建立鎖相環頻率綜合器的動態特性；環路濾波器的階數由其極點的個數決定，由于壓控振蕩器會在零頻率處引入一個極點，因此整個鎖相環頻率綜合器的階數比環路濾波器的階數大一個。為了獲得較高精度的輸出信號頻率，同時防止參考信號的泄漏，必須使用帶寬很窄的濾波器。

三、結束語

總而言之，鎖相環頻率綜合器廣泛應用在無線通信領域中，其本身就是一個非常復雜的數、模、射頻混合系統。鎖相環頻綜器的輸出可以作為各種收發機的本地振蕩信號，還可以完成調制、解調和載波恢復等功能，因此，不斷完善基于鎖相環的頻率綜合器技術具有重要意義。

【參考文獻】

[1]梁亮.低電壓CMOS分數分頻鎖相環頻率綜合器關鍵技術研究[D].西安電子科技大學，2016.