摘 要： 設計和實現了一種高分辨率、低相位噪聲、可用于快速跳頻的基于∑-Δ調制的小數分頻寬頻段跳頻頻率合成器。主工作頻率范圍為1 800 MHz~1 900 MHz,輔助工作頻率范圍為600 MHz～820 MHz，在偏離主頻10 kHz時相位噪聲優于-80 dBc/Hz，非諧波雜散小于-60 dBc，頻率分辨率小于100 Hz，換頻時間小于50 μs，這種新型頻率合成器簡單實用、性價比高，有廣闊的應用前景。
關鍵詞： 頻率合成器； 小數分頻； ∑-Δ調制
跳頻技術是一種擴頻通信技術，可以提高通信的保密性和抗外界干擾，近年來得到廣泛的應用。跳頻通信的核心技術之一就是跳頻頻率合成技術。鎖相頻率合成技術具有高頻率、寬帶、頻譜質量好的優點，但其頻率切換速率低，輸出頻率間隔較大[1]。為了解決整數分頻鎖相環帶來的高參考頻率和高頻率分辨率的矛盾, 引入小數分頻頻率合成技術。但與此同時也引入了雜散噪聲，采用模擬相位內插的方法也很難抑制[2]。為了消除輸出端的雜散噪聲，可以采用調制器以隨機模式來選擇分頻器的分頻值。其優點在于能將產生的量化噪聲整形到遠離主信號的高頻段，再由PLL的低通濾波特性大幅度衰減量化噪聲，從而獲得任意小的頻率分辨率、極低的相位雜散和快速轉換時間[3]。
該方案就是引入∑-Δ調制技術，該技術將過取樣噪聲整型與數字濾波技術的結合, 小的頻率分辨率的實現依賴于電路的速度。∑-Δ調制頻率合成器在小數分頻鎖相環的基礎上，采用全數字式調制技術來抑制小數雜散，設計采用全數字電路來實現調制小數分頻器，利用此方法很好地解決了頻率分辨率與相位檢波器工作頻率之間的矛盾，使環路工作頻率有了很好的改善，同時大大提高了噪聲性能。
1 一階單環∑-Δ調制
傳統小數分頻頻率合成器中的相位累加器可等效為圖1所示形式[4]，Y(k)為1 bit量化器輸出，取0或1值，取1值表示溢出，從而控制分頻比的變化。而1 bit量化器數學上可用量化誤差E1(k)來表征，數學模型如圖2所示。
組合圖1和圖2，可有方程：
圖2的Z域模型如圖3所示，它就是1個一階單環∑-Δ調制器的Z域等效模型。
顯然，它同相位累加器模型等效，因此用一階單環數字∑-Δ調制器代替相位累加器功能,傳統的小數分頻器實質上是采用了數字一階單環∑-Δ調制技術來實現小數分頻控制的。由圖3可導出Z域信號與量化誤差的傳遞關系如下：
式(2)表明數字一階∑-Δ調制器無衰減地傳輸了輸入信號，對量化誤差呈高通特性。但是對于一個給定的分頻比，量化誤差是低頻的周期性信號，雖然采用過采樣技術的數字一階∑-Δ調制器對量化誤差有一定的濾波作用，但十分有限。采用高階單環∑-Δ調制方式，讓濾波特性呈(1-Z-1)M形式，從而對量化誤差的濾波整形作用可得到極大加強。
2 高階單環∑-Δ調制
圖4是全數字單環∑-Δ調制電路等效示意圖[5]。
式(3)中分子含有的(1-z-1)3表示高通整形特性，還可通過調整零極點設計出更好的噪聲整形特性，靈活性很強。一階∑-Δ調制器ΔN輸出時域波形呈周期性變化，而三階∑-Δ調制器ΔN輸出時域波形表現為高密度脈沖調制信號，因此可以獲得精細的頻率分辨率。三階∑-Δ調制器ΔN輸出波形在頻域上呈現為高通形噪聲特性，可以利用環路濾波器的低通特性來濾除，從而有效地消除了小數雜散。
3 跳頻頻率合成器的實現
采用多階∑-Δ調制器利用其對噪聲的整型功能，將量化噪聲從低頻端推向高頻端。并且∑-Δ調制器階數越大，在高頻端的噪聲功率也越大，噪聲整型效果越好。在頻率合成器中鑒相器的輸出信號在輸入到VCO之前需要經過環路濾波器對噪聲進行濾波，而濾波器的帶寬大小也在很大程度上決定了通過低通濾波器的相位噪聲大小。因此在小數分頻合成器中采用多階∑-Δ調制器，并且選用適當的環路濾波器，可以得到良好頻譜的輸出頻率。本設計采用基于∑-Δ調制技術的芯片CX72300來實現[7]。其特點是：寬頻段頻率合成，采用高階∑-Δ調制技術克服小數雜散問題，參考頻率的分頻比、鑒相器增益是用控制字寫入，用軟件控制環路帶寬，并能夠實現掃頻、跳頻。圖6為CX72300的功能模塊框圖。從圖6看出，在外圍電路中配上壓控振蕩器、環路濾波器及晶振,便可構成完整的頻率合成器,還可通過軟件控制合成器的輸出頻率。單片機控制頻率合成有著廣闊的應用前景,例如在跳頻電臺中,正是利用單片機控制才實現了頻率的跳變。用軟件通過單片機把控制字寫到芯片的內部寄存器里，控制參考分頻比和主分頻比，以及鑒相器增益。外部晶振輸入，通過芯片內部的參考頻率振蕩器、鑒相器輸出給外部的環路濾波器，再送到壓控振蕩器，VCO差分輸入反饋給鎖相環路的鑒相器，同時射頻輸出。在芯片內部實現調制，控制小數分頻比。信號源產生的電路是晶體振蕩電路，2個電容與晶振在外部連接，有源器件在芯片內部。環路濾波器采用三階級聯的RC濾波器來實現，帶寬為50 kHz～100 kHz,用ADS軟件仿真并設計RC濾波器參數，仿真結果見圖7。
采用頻譜分析儀可以測得VCO的輸出信號具有良好的頻譜特性，如圖8所示。測試的中心頻率分別是723.470 MHz(圖8(a))和1.849 999 80 GHz(圖8(b))。
采用頻譜分析儀測得在723.470 MHz主頻時相位噪聲曲線如圖9(a)，橫軸是頻率補償值,縱軸參考點是-50 dBc/Hz,每格下降10 dB,在偏離主頻10 kHz時相噪小于-91.63 dBc/Hz；在1.85 GHz主頻時相位噪聲曲線如圖9(b)，在偏離主頻10 kHz時相噪小于-82.79 dBc/Hz。
用軟件設置掃頻時間和間隔，可實現快速跳頻。用示波器的鎖存功能測試跳頻時間, 頻率從1 800 MHz跳到1 850 MHz，換頻時間小于50 μs。
本文分析了單環高階∑-Δ調制技術，并把該技術應用于小數分頻頻率合成器中，使小數分頻相位誤差頻譜得到整形和有效抑制，解決了小數分頻的相位雜散問題，從而獲得具有低相位噪聲、低雜散、高頻率分辨率和快速轉換時間的寬頻率范圍的頻率合成器。本文采用基于高階調制技術的CX72300芯片實現了寬頻段跳頻頻率合成器，用軟件實現了掃頻和跳頻功能。在跳頻通信中具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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