毫米波頻率合成方式的若干基本方式淺析

謝瀟

摘 要 本文首先針對毫米波頻率源的性能指標展開必要的分析，而后進一步在此基礎之上，面向頻率合成的幾個主要基本方式加以討論。

關鍵詞 毫米波;頻率;合成;方式

當前無線通信領域相關技術不斷發展，直接給頻譜資源帶來壓力。多種新型技術工作頻率不斷提升，已經進入到毫米波的頻段之中，在這樣的技術背景推動之下，相應的頻率源等都會隨之做出調整。但是不容忽視的一個問題，是毫米波頻率與射頻頻率和微波低段頻率的特性差別較大，在合成技術方面無法實現自動適應，相應的性能和指標等細節也存在差異。這就在明確考察指標的基礎之上，對毫米波頻率合成方案進行考察，才能為其加強應用提供堅實基礎。

1頻率源的性能指標分析

頻率源的性能指標，在一定程度上是依賴于其應用環境的，不同的應用環境，對于性能會提出不同的要求。但同時，一個頻率源的指標是包括多個細節項的，這些細節項之間存在短板特征，即某一個指標的不達標，會造成系統整體運行水平不佳。在這樣的背景之下，可以重點從如下幾個方面加強對于毫米波頻率源指標的落實。雖然不同應用環境對于指標的要求可能存在差異，但是仍然可以作為重要參考。

（1）頻率范圍：即系統需要明確輸出頻率的最小和最大值，這是衡量一個頻率源穩定性的根基所在。

（2）頻率步進：這是用于標記兩個單點輸出頻率之間最小頻率間隔的指標。對于目前商用的PLL芯片而言，其步進取決于小數分頻的寄存器位數和鑒相頻率。而對于DDS頻率步進來說，則主要受到參考時鐘頻率和相位累加器位數的影響，與PLL相比，DDS的步進范圍要小得多。

（3）調頻時間：即所輸出的兩個單點頻率之間的過渡時間間隔。將PLL和DDS二者進行對比，就可以發現DDS具有顯著優勢。目前PLL的調頻時間要依賴環路鎖定時間而確定，其迭代特征明顯，所以對應的需要時間也比較長，多保持在us數量級范圍內。而DDS則依賴時鐘頻率和相位累加器的位數來確定調頻時間，因此其對應的時間保持在ns數量級水平。

（4）輸出功率：該參數用以規定頻率源輸出功率的最小值，從而保證能夠滿足系統運行要求。除此以外，系統指標通常也會對輸出功率的抖動作出規定，要求其保持相對的平穩狀態。

（5）雜散以及諧波：其中前者是指信號輸出頻率近端的干擾信號，而后者則是指輸出頻率的數倍頻率處的干擾信號。使用濾波器可以有效地將諧波信號進行濾除，但是對于雜散信號，由于其存在于輸出頻率附近，因此難以有效用濾波器剔除，通常會考慮采用調整頻率規劃，以及優化電路結構的方式才能實現控制。在PLL系統中，參考雜散比較常見，由電荷泵源的電流泄露和失配而產生，可以通過提升鑒相頻率、減小輸出頻率與鑒相頻率的余數等方式來實現控制。而在DDS系統中，源于參考時鐘的雜散，以及相位截斷雜散和相位幅度轉換雜散比較常見，除此以外，包括數模轉換器和系統內部數字信號也同樣會帶來雜散信號。對于此類問題，大多需要通過增大輸入時鐘頻率，或者使用輸出頻率的低頻段等手段進行優化。

（6）相位噪聲：從根本上看，這個概念是信號在頻域上的一種度量，多表現為時鐘抖動。對于PLL系統而言，其相位噪聲多源于參考信號、鑒相器、壓控振蕩器和電荷泵等幾個方面，而DDS系統中，這一方面的問題則源于參考時鐘和數模轉換器兩個方面。相比之下，DDS系統更能實現對于相位噪聲問題的優化[1]。

2頻率合成的基本方式淺議

在對相關指標實現了了解的基礎之上，進一步可以對混合頻率合成的基本方式加強剖析。傳統的單純對信號進行簡單運算操作就進行輸出的方式，在當前已經不再適用，PLL和DDS成為新的基本工作單元。就技術發展狀況而言，常見的混合模式包括如下幾種：

2.1 環內混頻式合成

此種方式是將混頻器放在PLL環內，使VCO與DDS二者的輸出頻率進行混頻，從而在合成器輸出中引入DDS頻率，使合成器能夠以相對較小的頻率步進運行，達到優化PLL步進的整體目標。其輸出頻率參見式（1）。

此種合成方式，環路變頻時間由DDS控制，本身就是一種對于PLL調頻時間的優化。但是此種合成結構對于環內帶通濾波器的要求比較高，必須引起注意。

2.2 環外混頻式合成

此種合成方式是將混頻器放置于PLL環外，讓VCO輸出頻率與DDS輸出頻率實現混頻輸出。此種方式與環內方式相似，其步進和變頻時間均由DDS進行確定。其輸出頻率與環內混頻方案保持一致。

并且此種結構對于環外BPF要求同樣較高。而雜散和噪聲，也會因為DDS而直接疊加在輸出信號中，并無法通過環內濾波器的參與而實現有效剔除。因此此種方案的噪聲，是DDS和PLL雙方的疊加，相對而言比較嚴重。

2.3 環內分頻式合成

這是將DDS直接作為環內分頻器進行使用的工作方式，其輸出頻率參見式（2）。

在式（2）中，將DDS的相位累加器位數定義為N，其頻率控制字用K表示，則DDS可以實現對于頻率步進的控制，并且使得PLL的頻率步進得到優化。對于此種方案而言，PLL的輸出頻率會受到DDS的制約，并且DDS的輸出噪聲和雜散也會浸入到PLL體系之中。總體來說，環路帶寬外的噪聲會有所改善，但是帶寬內的噪聲卻會惡化。

2.4 直接激勵式合成

此種合成方案，是將DDS作為PLL的參考源加以使用，對應的輸出頻率參見式（3）。

式（3）中，頻率步進問題由DDS和PLL兩個方面共同實現控制，這種狀態是對于DDS優質步進的一個抑制，但是如果將此種方式的步進與PLL進行對比，則可以發現仍然存在優勝之處。此種方案的調頻時間由PLL確定，環路帶寬外的噪聲和雜散等問題，可以通過濾波器進行改善，而對于環路帶寬內的噪聲和雜散等問題，則會經過PLL倍增到輸出信號[2]。

3結束語

實際工作中，為了適應具體的需求，還需要依據情況來對不同的方案合理取舍，優化設計，才能充分利用DDS和PLL二者的優勢，產出更為合理高效的頻率合成方案。

參考文獻

[1] 胥鑫.微波毫米波雷達頻率源關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[2] 詹銘周.小型毫米波頻率合成技術研究[D].成都：電子科技大學，2011.