微波本振源噪聲分析

劉賓容


中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036


　　摘 要：微波本振源在微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中是一個關(guān)鍵部件，在現(xiàn)代轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備中采用大規(guī)模單片鎖相式頻率合成作為本振源，其輸出譜線相位噪聲直接影響到微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的輸出譜線質(zhì)量。文中對微波本振源相位噪聲進行了描述及對它的幾種相位噪聲特點進行了分析，并得出微波本振源環(huán)路總相位噪聲功率譜密度表達式以及鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬選擇原則。


　　關(guān)鍵詞：微波本振源；相位噪聲；單片集成鎖相環(huán)；分析��


　　一、 引言


　　微波本振源為微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備提供本振信號和轉(zhuǎn)發(fā)信號，是該設(shè)備的核心部件之一。該設(shè)備采用大規(guī)模單片鎖相式頻率合成作為本振源取代前一代設(shè)備中的直接倍頻鏈本振源，使其可靠性、穩(wěn)定性、生產(chǎn)性水平大大提高，而且便于模塊化、小型化。大規(guī)模單片鎖相式頻率合成本振源輸出信號質(zhì)量及相位噪聲越來越受到關(guān)注，因此本文將對本振源相位噪聲對微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備性能影響及本振源的譜線及相位噪聲特性進行分析，以取得最佳設(shè)計方法。


　　二、本振源相位噪聲對微波轉(zhuǎn)發(fā)�ぴO(shè)備的影響


　　微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備頻率流程方框圖見圖1。


　　從圖1可知接收信道信號通過下變頻器之后，本振源的相位噪聲會疊加到信號上。因此，變頻器輸出的信號載噪比將小于輸入信號載噪比。


　　如果用V�璕/N表示變頻器的輸入信號的載噪比，VIF/N表示變頻器的輸出信號的載噪比，則本振源的載噪比：




　　那么，信號惡化量的載噪比




　　從上式可知，如果微波本振源的載噪比太低，將會干擾微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備載波跟蹤環(huán)或載波解調(diào)環(huán)的鎖定以及轉(zhuǎn)發(fā)譜線的質(zhì)量。




　　三、本振源噪聲的描述


　　理想情況下，一個微波本振源的輸出信號在時域中為一根單一譜線。而實際情況下，由于噪聲和雜散信號對振蕩器寄生調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相的作用，使波形發(fā)生畸變。在時域上表現(xiàn)為輸出信號的頻率隨時間作隨機變化，或輸出信號的相位隨時間作隨機變化。在頻譜儀上看到的輸出頻譜不是一根譜線，而是在主譜線兩邊出現(xiàn)了一些附加的頻譜，如圖2，這些離散的譜線為寄生調(diào)制譜線和諧波干擾，譜線的連續(xù)干擾為相位噪聲。��




　　相位噪聲常以相噪譜表示，由于相位噪聲是對稱分布在主信號兩邊，因此用單邊帶（SSB）相噪譜密度（￡（fm））來表示，單位是dBc/Hz，它表示在偏移頻率fm處，1Hz帶寬內(nèi)的相位噪聲功率與載波信號功率之比，一般可簡稱為單邊帶相噪譜。


　　圖2中：�И�




　　對于正弦頻率調(diào)制的信號，其瞬時頻率為��




　　式中Δfp為最大頻偏；fm為調(diào)制頻率。


　　瞬時相位為




　　式中Δfp/fm為調(diào)制指數(shù)，或最大相位偏移。于是，可得到相位調(diào)制信號為��




　　當(dāng)相位起伏φ(t)<<1rad時，




　　從上式可以看出，相位調(diào)制和載波是正交的，而且兩邊帶信號是反相的，一邊帶信號幅度與載波幅度之比為��




　　用對數(shù)表示：




　　在��(t)≤1rad時，它與相位抖動譜密度（SΔφ(fm)）的關(guān)系：




　　四、各種微波本振源相位噪聲比較


　　圖1中N��1、N��2是倍頻電路，可使用直接式倍頻本振源和微波鎖相倍頻本振源。直接式倍頻本振源主要利用晶振、混頻、倍頻來完成對頻率的組合，它的相位噪聲主要決定于晶體振蕩器，其優(yōu)點是具有低的相位噪聲。缺點是同時存在的頻率多、各級之間激勵功率大、多次變頻產(chǎn)生的組合干擾多、相位噪聲受調(diào)試狀態(tài)的影響大、生產(chǎn)性差，而體積大，功耗大，造價高，因而其應(yīng)用受到限制。


　　微波鎖相倍頻本振源由晶體振蕩器、壓控振蕩器、倍頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器等組成，它的相位噪聲主要是晶體振蕩器引入噪聲、壓控振蕩器自身的輸出噪聲和倍頻器產(chǎn)生的噪聲等3部分組成。鎖相環(huán)倍頻源將三者融合，由鎖相環(huán)路綜合考慮作用取得最佳噪聲特性，但數(shù)字鎖相環(huán)（含可變數(shù)字分頻器）的噪聲基底比模擬鎖相環(huán)的噪聲基底差。目前單片數(shù)字鎖相式頻率合成器，如美國Qualcomm公司的Q3036、Q3236、PE3236等，其中Q3236頻率達2 GHz，相位噪聲基底達-150 dBc/Hz,無鑒相死區(qū)，功耗0.5 W，外接VCO、濾波器即可直接構(gòu)成L波段頻率源，再外接一高速分頻器可構(gòu)成C波段頻率源。圖3由單片數(shù)字鎖相式頻率合成器組成的某設(shè)備微波鎖相倍頻本振源電路。




　　從圖3可看出它是2個并行的鎖相倍頻鎖相環(huán)本振源主要是由環(huán)路濾波器、VCO連接于Q3236（或PE3236）上設(shè)計而成的。


　　不管用哪種方法，主要影響相位噪聲大小的是參考晶振源和壓控振蕩器的相位噪聲,其次是組成倍頻電路的倍頻器、放大器、分頻器、混頻器、鑒相器等基本電路，它們都會不同程度地引入噪聲到微波本振倍頻源中。��


　　五、振蕩器的相位噪聲


　　振蕩器的相位噪聲主要是由以下兩方面組成：


　　(1)由閃爍噪聲調(diào)頻和調(diào)相產(chǎn)生的相位噪聲；


　　(2)由散彈噪聲和熱噪聲調(diào)頻和調(diào)相產(chǎn)生的相位噪聲。


　　其數(shù)學(xué)表達式為




　　式中α-1、α0分別為振蕩器件的閃爍噪聲和白噪聲常數(shù)，fm為偏離載頻的頻率。




　　α-1與α0平均值分別為α-1≈10-11，α0≈10-15，此值在5 MHz～100 GHz的整個范圍內(nèi)，基本上與振蕩器的類型無關(guān)。


　　在知道振蕩器的中心頻率f0及振蕩回路的Q值，按照上式就可以作出Lnv(fm)與fm的關(guān)系曲線。


　　可見振蕩器的噪聲主要決定于諧振回路Q值。晶體振蕩器諧振回路具有高的Q值，所以其近端相噪很好。VCO振蕩器工作頻帶寬，Q值低，工作頻率越寬，Q值越低。此外，VCO諧振回路存在變?nèi)荻�極管，它與振蕩器一樣存在噪聲，因此其近端相噪較差，比沒有電壓控制電路的振蕩器高出20～40 dB。此外還與振蕩器的壓控靈敏度、諧振電路噪聲及振蕩器件本身的噪聲有關(guān)。


　　六、微波單片鎖相環(huán)倍頻源的低噪聲設(shè)計


　　在微波單片鎖相倍頻本振源中，噪聲的來源主要是：（1）作用在參考分頻器上的等效相位噪聲θni(t)；（2）作用在鑒相器輸入端的等效相位噪聲θ�璓(t),它包括鑒相器、可變分頻器和參考分頻器的觸發(fā)噪聲以及環(huán)路濾波器各種有源無源器件的噪聲，此類噪聲稱為的底噪聲；（3）VCO的內(nèi)部相位噪聲θnv(t)，輸出相位噪聲為




　　式中，H（s）為鎖相環(huán)路的閉環(huán)傳遞函數(shù)具有低通特性，因此這類噪聲通過鎖相環(huán)路就象通過低通濾波器傳遞給輸出信號,即低通型相位噪聲的近端由參考源的相位噪聲經(jīng)倍頻因子(N/M1)2作用而成，低通型相位噪聲的遠端由環(huán)路底噪聲經(jīng)倍頻N2作用而成，在環(huán)路帶寬內(nèi)呈現(xiàn)白噪聲特性，(H(s)-1)是鎖相環(huán)路誤差轉(zhuǎn)遞函數(shù)，具有高通特性，而壓控振蕩器固有相位噪聲的功率譜主要集中在低頻部分，所以經(jīng)過鎖相環(huán)路帶內(nèi)的低頻分量，受到很大衰減后傳遞給輸出信號，而它在鎖相環(huán)路帶外的高頻分量幾乎不衰減，全部傳遞給輸出信號。


　　因此選取高通相位噪聲（壓控振蕩器的噪聲）和低通型相位噪聲（環(huán)路底噪聲和參考源倍頻噪聲）3條頻譜密度曲線交點對應(yīng)的偏移頻率為鎖相環(huán)路的最佳帶寬。這樣輸入信號經(jīng)過低通過濾之后，在F>fn高頻段內(nèi)的相位噪聲譜已等于或低于壓控振蕩器噪聲，壓控振蕩器在經(jīng)過高通過濾后，在F

　　不同噪聲源情況下，最佳fn的選擇可能是不同的，但在一般情況下，選擇fn在三噪聲源譜密度的交叉點頻率附近總是比較接近于最佳狀態(tài)的。要降低微波本振源的噪聲，一是設(shè)計好VCO振蕩器，在保證工作帶寬的同時盡量提高回路Q值。二是降低分頻比，提高鑒相頻率及參考源晶振頻率。三是選擇最佳環(huán)路帶寬。但在實際工作中還要考慮各部分電路的電源供電情況，電源的噪聲、紋波都會造成本振源的噪聲惡化。�お�




　　七、結(jié)論


　　以上微波本振源的噪聲分析，希望能為研制和調(diào)試微波轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備提供一些幫助，為控制微波本振源噪聲指標(biāo)提供一點基本的途徑。�お�


　　參考文獻


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摘自《電訊技術(shù)》