频率合成器的相位噪声分析

相位噪声作为频率合成器的一项重要技术指标，其性能好坏直接影响了电子系统的性能。用这种信号不论做发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准时，这些相位噪声将在解调过程中都会和信号一样出现在解调终端，引起基带信噪比下降，影响电子系统目标的分辨能力，即改善因子。接收机本振的相位噪声，当遇到强干扰信号时，会产生“倒混频”使接收机有效噪声系数增加。所以随着电子技术的发展，对频率合成器的相位噪声要求就越来越高，因此研究低相位噪声、高可靠性频率合成器成为系统发展的重要方向。

1 相位噪声概述
    相位噪声，就是指在系统内各种噪声作用下所表现的相位随机起伏，相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度。
    理想情况下，合成器的输出信号在频域中为一根单一的谱线，而实际上任何信号的频谱都不可能绝对纯净，总会受到噪声的调制产生调制边带。由于相位噪声的存在，使波形发生畸变。在频域中其输出信号的谱线就不再是一条单根的谱线，而是以调制边带的形式连续地分布在载波的两边，在主谱两边出现了一些附加的频谱，从而导致频谱的扩展，相位噪声的边带是双边的，是以f0为中心对称的，但为了研究方便，一般只取一个边带。其定义为偏离载频1 Hz带宽内单边带相位噪声的功率与载频信号功率之比，它是偏离载频的复氏频率fm的函数，记为￡(fm)，单位为dBc／Hz，即

   
    式(1)中，PSSB为偏离载频fm处，1 Hz带宽内单边带相位噪声功率；P0为载波信号功率。

2 频率合成器中的噪声特性分析
    在频率合成器中，噪声的来源是多方面的，既有外部噪声，也有电子电路的内部噪声，一般只考虑随机噪声的影响。
2．1 频率合成器的实现方式
    频率合成器的实现方式主要有两种：一种是直接式频率合成器；另一种是间接式频率合成器。
    直接式频率合成器是将基准频率通过倍频、分频和混频进行算术运算，再通过开关滤波器组选出所需的输出频率。
    间接式频率合成器是利用锁相环(PLL)构成的频率合成器，它利用锁相环优异窄带跟踪特性，使输出频率锁定在高稳定的参考频率上。输出频率的相位噪声主要由VCO和参考频率源两者合成决定，靠近载波主要是倍频后的参考源的相位噪声，远离载波主要是VCO远端的相位噪声。
2．2 影响直接式频率合成器的噪声因素
2．2．1 参考频率振荡器的相位噪声
    参考频率振荡器，使用晶体振荡器：它是整个频率综合器的心脏，晶振和谐波发生器的指标决定了频综的输出指标。理论上直接式频综输出相噪为：晶振的相噪为输出频率，Fr为参考频率。可以看出直接式频率合成器输出相噪取决于晶振的相噪。
2．2．2 混频器的相位噪声
    混频器输出端所得到的输出频率是其输入两信号频率的和频或差频。如果这两个输入信号不是纯净理想信号，而在完成频率相加或相减的同时，也完成了相位噪声的相加或相减，对于随机噪声来说，混频器输出相位噪声功率谱密度等于两个输入信号相位噪声谱密度之和，并且这两个输入信号不相关。因此对功率谱密度而言，两个不相关的随机函数的相加或相减是没有区别的，相减只是意味着倒相，并不影响振幅大小，它们的功率谱密度永远是相加的。
2．2．3 分频器的相位噪声
    分频器的任务是将输入信号的频率除以分频比N。实际上，在输入频率除以N的同时，输入相位噪声θni(t)也同时除以N。
2．2．4 倍频器的相位噪声
    倍频器是产生频标的最基本的方法，也是直接式频率合成器中最基本的电路。它的指标直接影响了频率合成器输出的指标，即有

   
    式(2)中，θno(t)代表倍频器输出的相位噪声，θni(t)代表倍频器输入的相位噪声。
    式(3)中，Sφo(fm)代表倍频器输出的相位噪声功率谱密度、Sφo(fm)代表倍频器输出的相位噪声功率谱密度、N为倍频因子。
2．3 影响间接式频率合成器的噪声因素
    间接式频率合成器是利用锁相环(PLL)构成的频率合成器，主要分为两种：间接模拟式频率合成器、间接数字式频率合成器。
    基于锁相环的间接式频率合成器的主要缺点是会产生较大的相位噪声。锁相环中的噪声源主要包括晶体振荡器、压控振荡器(VCO)、鉴相器、环路滤波器等这些噪声在频率合成器中各环节。
    为了保持相位噪声最小，必须考虑环路元件如何产生和环路影响。下面将简单讨论环路元件在锁相环路中相位噪声对频率合成器输出相位噪声的影响。
2．3．1 晶体振荡器的相位噪声
    晶体振荡器的相位噪声φi(S)对输出相位噪声φo(S)的影响为

   
    由式(4)中可以看出，晶振中心频率ω的相位噪声全部由环路输出，大于环路谐振频率ωn的相位噪声将被衰减。由于分频次数Ⅳ与倍频次数M受输出频率和跳频点数限制，故主要考虑φi(S)。晶体振荡器等效电路中的放大器固有噪声功率FKTB经放大器后通过带宽为Bi的晶体滤波器与信号功率Ps一起加到输入端，mo形成相位噪声，为放大器输出端的基底噪声，可写成

   
2．3．2 压控振荡器(VCO)的相位噪声
    压控振荡器(VCO)的相位噪声对φ0(S)的影响为

   
    φVCO(S)φ0(S)对的影响具有高通特性，低于的分量环路有很强的抑制作用，高于ωn的相位噪声分量将全部输出。因此频率合成器远端的相位噪声主要决定φVCO(S)，φVCO(S)降低是降低频率合成器远端相位噪声的主要方法。
    但是军品所使用的频率综合器往往要求在带宽内能迅速转换频率，这就要求VCO在工作带宽内能频率捷变。为满足该要求，常常用变容二极管来调谐VCO，这就降低了VCO的Q值，以至VCO近端的相位噪声不会太好，因此一般在军品频率合成器的设计中应适当加宽锁相环路的带宽。
2．3．3 环路滤波器的相位噪声
    影响相位噪声的另一个重要因素是环路滤波器。环路滤波器对最终性能有很大影响，这是因为它决定拐点频率(在拐点频率处来自电路不同部分的噪声开始影响输出，如图2所示)。

    在环路带宽内，鉴相器强迫VCO跟踪参考频率，将参考频率源的相位噪声带到VCO上。由于鉴相器噪声基底通常比参考频率源的相位噪声高，因此这一过程受到鉴相器噪声基底的支配。由于补偿频率高于环路带宽，环路就不能很好的跟踪参考频率，总的相位噪声等于VCO的相位噪声，因此要将环路带宽设置在鉴相器噪声基底与VCO自由振荡时相位噪声的交叉点上。过宽和过窄的环路带宽虽然对VCO的相位噪声有一定的改善，但不能很好地提高PLL的相位噪声性能。
2．3．4 鉴相器的相位噪声
    鉴相器的相位噪声对φ0(S)的影响为

   

    由式(7)可以看出，对φ0(S)也呈低通特性，对φ0(S)影响将很小。另外，还可看出，应尽量提高鉴相灵敏度Kd，使环路抑制能力增强，还应注意鉴相器输入电压也应足够大，使鉴相器二极管能工作在理想区域，以降低鉴相器的附加相噪。
2．3．5 电源引起的相位噪声
    电源引起的相位噪声主要来源于电源变压器及整流后的纹波电压，它们都通过某种方式对基准信号进行调制，尤其对晶振的调制，而形成相位噪声，这种噪声都属于近端干扰噪声，将由环路全部转移到输出端输出。

3 实际应用中频率合成器的相位噪声
    通过以上对频率合成器的相位噪声的分析，可以看出，直接式频率合成器的输出相位噪声好于间接式频率合成器的输出相位噪声。
    在实际应用中，根据所要求的技术指标的不同，采用了不同合成方式的频率合成器。例如，某型号产品的频率合成器为直接式频率合成器，它使用100 MHz高稳定度、低相噪晶体振荡器为基准参考信号源，在输出频率x波段上，偏离载频1 kHz处的相噪优于一100 dBc／Hz。如图3所示。

    某型号产品的频率合成器，采用间接式锁相环频率合成器，工作频率在c波段，它使用100 MHz高稳定度、低相噪晶体振荡器为基准参考信号源，在输出频率上，偏离载频1 kHz处的相噪达到一85 dBc／Hz，如图4(a)所示。偏离载频1 MHz处的相噪达到一100 dBc／Hz，如图4(b)所示。

    某产品的VCO，在输出频率X波段上，偏离载频1 MHz处的相噪达到一65 dBc/Hz，如图4所示。

    由以上实际应用中使用的频率合成器的相位噪声图，可以明显的看出，直接式频率合成器的输出相位噪声优于间接式频率合成器。

4 结束语
    在现代电子系统中，频率合成器的相位噪声直接影响到电子系统的性能，因此对其相位噪声提出了越来越高的要求。通过对频率合成器的相位噪声的分析，说明频率合成器的低相噪设计应根据技术指标的要求来综合考虑，使整个频率合成器的低相噪设计达到最佳状态。