利用7GHZ频率合成器实现快速锁定、高灵敏度的IF调谐无线接收机

前言

为了提高现代无线设备的灵敏度和可选择性，需要尽可能地减小相位噪声和参考杂散，并缩短锁定时间。本文中所述电路可以改善本振（LO）的所有这些性能。

相位噪声是对LO信号的纯度的一种量度。相位噪声是载波功率相对于给定的频率偏移处（频率合成器通常定义1kHz 频率偏移）1-Hz的带宽上的功率。其计算结果以dBc/Hz为单位表示。

由于频率合成器内部的开关切换，输出信号中会出现杂散（spurs）。在整数N分频的合成器中，它们一般是由于鉴相器（PFD）的工作频率点上的信号分量所引起的；在小数N分频中，它们是由合成器本身架构的特点所造成的。在整数N分频锁相环（PLL）中，它们被称为参考杂散（reference spurs）。

锁定时间是指输出从一个频率切换到另一个频率所需要花费的时间——这对于许多系统来说是一个重要的指标。一般说来，当输出稳定到所期望的最终频率附近、差异在某一百分比[或者以百万分之一（ppm）衡量]之内，或是相位锁定在所需要相位度数的附近，此时我们说，输出被切换到或者锁定到新的频率上了。

传统的接收机实现方式

图1所示的是最通用的的接收机架构的功能框图（超外差接收机）。这里所示出的系统是满足DCS1800移动电话标准接收机的典型结构。在该标准中，接收（Rx）频段是1805MHz～1880MHz。

图1中，RF输入信号先流经一个RF滤波器，接下来再经过一个低噪声放大器（LNA）。随后，信号在混频器中与一个可调谐的LO输入进行混频，变换到中频段（IF）。混频后的信号接受进一步的滤波，在通过一个最终的混频器，与一个固定频率的LO信号混频，从固定的IF频段下变频到基带信号频段上。

可调谐的RF LO信号是利用一路干净和稳定的参考频率信号来生成的，该基准信号输入至ADF4106 PLL合成器和一个压控振荡器（VCO）中后最终形成LO信号。参考频率信号可以由温补晶振（TCXO）、压控晶体振荡器（VCXO）或者恒温晶体振荡器（OCXO）来产生。 在整数N分频系统中，PLL合成器的R分频器将该参考信号变换成为一个频率等于信道间隔的信号——或者，在小数N分频系统中，将信号频率变换成信道间隔的倍数。PFD则对环路输出FVCO除以N后的结果与R分频器的输出进行比较，然后，环路驱动VCO，使得FVCO = FPFD × N，以使PFD输出归零。可以通过改变N来改变LO输出频率，从而对无线电路进行调谐。

LO的相位噪声取决于多方面的因素：参考信号噪声、合成器中的噪声（R分频、N分频、PFD和电荷泵），N值，以及PFD的工作频率。

LO的相位噪声（dB）可以用如下的公式来表示：
 
式中

PNSYNTH是合成器对相位噪声的贡献（在数据手册中给出，单位是dB）
20 logN是合成器中的N值所带来的附加噪声
10 logFPFD是合成器的PFD频率所产生的噪声分量

*欲获得更多详情，请参阅"Design a Direct 6-GHz Local Oscillator with a New， Wideband， Integer-N， PLL Synthesizer"（Analog Dialogue， Volume 35， No. 6， November-December， 2001）

参考杂散取决于如下因素：PFD设计，PFD电路中电荷泵的漏电，PLL环路带宽，VCO灵敏度。锁定时间取决于PFD频率和PLL环路带宽。

在接收机中， 如果IF选定为230MHz，经过调谐的RF信号将在2035～2110MHz范围内变化（使用高端注入），步进为200kHz。如果使用整数N分频架构来实现的话，则需要使用200kHz的PFD频率，而N值将从10175（2035MHz）变化为10550（2110MHz）。

在商业应用系统中所期望的带内相位噪声为－85.6 dBc/Hz，采用适合的锁相环，如ADF4106，系统的典型基准寄生为－88dBc @ 200kHz和－90dBc @ 400kHz。

图1 传统的超外差接收机的系统框图

如果环路带宽选取为20kHz，则相位差小于10度时对应典型的锁定时间将为250µs。

接收机的另一种可替代方案

ADI公司目前提供一种新的宽带宽PLL合成器——ADF4107。其RF级可以在高达7.0GHz的频率下工作，而PFD频率可以高达104MHz。这样的宽带宽工作能力可以用于实现新颖的接收机架构，如图2所示。在该结构中，每一级的LO都可以从一路频率为所需频率的整数倍的信号变换得到。此外，调谐是在IF部分完成的。这就容许系统采用非常高的倍率，以便改善总的相噪声和锁定时间性能。

固定频率的RF电路

在图2中，一个频率固定的RF LO将信号向下变频到IF频段，而信道的调谐在IF中完成。仍以DCS1800为例，我们可以选择频率固定为1520MHz的RF LO。这可以从一路6080MHz的信号通过÷4分频来获得。

图2 替代性的接收机框图

RF LO 的相噪声为：

–219 + 20 log 950 + 10 log （6.4