可調(diào)小數(shù)分頻合成器曲

簫 揚

摘要小數(shù)分頻技術(shù)自20世紀(jì)70年代發(fā)明以來利用范圍十分廣泛,即使在今天的數(shù)字移動通信系統(tǒng)的設(shè)計中也有其一席之地。但是如何突破數(shù)字分頻器自身的限制,在實現(xiàn)小數(shù)分頻的同時,又能實現(xiàn)分頻比的可調(diào)節(jié)是本文探討的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞鎖相環(huán)小數(shù)分頻累加器

中圖分類號:TN91文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

小數(shù)分頻頻率合成技術(shù)是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來的一種新型合成技術(shù)。它能夠協(xié)調(diào)高工作頻率和小頻率間隔之間的矛盾,并且具有輸出噪聲低,抑制寄生邊帶干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,因而應(yīng)用范圍很廣。例如在數(shù)字移動通信系統(tǒng)的設(shè)計過程中,經(jīng)常采用跳頻方法來提高通信系統(tǒng)的抗干擾、抗多徑衰落能力。因而要求快速跳頻系統(tǒng)中的超快速跳頻PLL能夠在幾十微秒(%es)內(nèi)穩(wěn)定到所要求的相位和頻率。為達(dá)到此要求可采用由兩個小數(shù)分頻頻率合成器構(gòu)成的"乒乓"體系結(jié)構(gòu)。在這種系統(tǒng)中,當(dāng)一個頻率合成器作為本地振蕩器工作時.另一個頻率合成器的作用是鎖定下一步要求的頻率。

鎖相頻率合成器的工作原理是,當(dāng)可編程分頻器的分頻比變化1時,得到輸出頻率增量為參考頻率fr。當(dāng)需要提高頻率分辨力時,需要減小參考頻率fr,而鎖相環(huán)內(nèi)的環(huán)路濾波器的帶寬必須小于參考頻率fr,因而環(huán)路濾波器的帶寬也要壓縮。環(huán)路的捕捉時間或跟蹤時間就要增長,即頻率合成器的頻率轉(zhuǎn)換時間加大。

若可編程分頻器能夠提供小數(shù)分頻比,則每次改變某位或某幾位小數(shù),就能在不降低參考頻率的情況下提高頻率分辨力了。雖然數(shù)字分頻器本身無法實現(xiàn)小數(shù)分頻,但依然可采用如下方法實現(xiàn)小數(shù)分頻。例如,N=7.5的小數(shù)分頻,若能控制數(shù)字分頻器先除一次7,再除一次8,這樣交替進(jìn)行,從輸出的平均頻率觀測,即是實現(xiàn)了7.5的小數(shù)分頻。因此只要控制整數(shù)分頻器的分頻比按照某特定規(guī)律工作,即能實現(xiàn)小數(shù)分頻。若能將該特定規(guī)律用變量間的關(guān)系式表達(dá)出來,即是實現(xiàn)了可調(diào)小數(shù)分頻功能了。

現(xiàn)舉兩個例子用來引導(dǎo)關(guān)系式的推出。若要完成N.F=2.6的小數(shù)分頻,其中N表示整數(shù)部分,F表示小數(shù)部分,則只要在每10次分頻中,作4次除2,再作6次除3,就可以得到

N.F=?2?+3?)=2.6

若要完成N.F=62.45的小數(shù)分頻,則只要在每100次分頻中,作55次除62,再作45次除63,即可得到

N.F=?6255+6345)=62.45

則現(xiàn)總結(jié)關(guān)系式,若要完成N.F小數(shù)分頻,N表示整數(shù)部分,F表示小數(shù)部分,P表示小數(shù)部分F的位數(shù),則:

N.F=讃N?1-F)+(N+1)譌}

按照此思路,實現(xiàn)小數(shù)分頻器的電路可由一個基本單環(huán)頻率合成器和累加器、存儲器構(gòu)成。其中,基本單環(huán)頻率合成器輸出頻率為Nfr,在壓控振蕩器VCO和可編程分頻器之間添加一個脈沖刪除電路,在鑒相器與環(huán)路濾波器之間添加一個相加器。根據(jù)用戶需要可調(diào)節(jié)的N、F、P分別存在存儲器中,N、F、P用微機(jī)控制。

現(xiàn)以N.F=5.3的小數(shù)分頻為例,說明電路工作過程。要求電路輸出頻率fo =5.3fr,在第一個參考周期中,上述電路以除N=5工作,累加器加進(jìn)小數(shù)F=0.3,并保存記憶。第二、三個參考周期上述電路仍舊以除5工作,累加器的存數(shù)從0.3遞增到0.6,再遞增到0.9。在第四個參考周期,累加器繼續(xù)遞增0.3,使得OVF溢出一次,控制脈沖刪除電路刪去一個脈沖,得到的輸出電壓電壓再經(jīng)除5,此處從總分頻效果考慮,其實已經(jīng)變?yōu)槌?。累加器在溢出后,所存的余數(shù)為0.2。再經(jīng)過三個參考周期,在第7個參考周期累加器再次出現(xiàn)溢出,脈沖刪除電路再刪除掉一個脈沖,再作一次除6,累加器所存余數(shù)變?yōu)?.1。再經(jīng)三個周期又溢出一次,作一次除6,累加器余數(shù)為0。這樣經(jīng)過10個參考周期完成一次循環(huán)。在此期間,OVF溢出三次,作三次除6,另外其次作除5。即是完成了N.F=5.3的小數(shù)分頻。

若以N.F=62.45的小數(shù)分頻為例,則用F=0.45加入到累加器中,在100次累加中,將會出現(xiàn)45次溢出,電路中的N設(shè)置為62,每出現(xiàn)一次溢出,就作一次除63。這樣就能準(zhǔn)確實現(xiàn)N.F=62.45的小數(shù)分頻了。

在上述電路工作過程中,由于fo =5.3fr,即fo 是fr的5.3倍,則每經(jīng)過fr的一個周期,fo為5.3個周期。這樣,在經(jīng)過一個參考周期后,在鑒相器輸入端口就出現(xiàn)了0.3?%i的相位誤差。再經(jīng)過一個參考周期出現(xiàn)0.6?%i的相位誤差。以此類推,相位誤差隨時間變化而變化,相應(yīng)的鑒相器輸出電壓呈現(xiàn)為遞減的階梯電壓,此遞減的階梯電壓如果經(jīng)過環(huán)路濾波器后加到壓控振蕩器VCO,會使VCO調(diào)頻,影響合成器的輸出頻譜。解決此問題的方法是,消除遞減階梯脈沖的影響。而環(huán)路中的累加器存數(shù)經(jīng)數(shù)模變換之后,恰巧能夠形成一個遞增的階梯電壓,這樣剛好和之前的遞減階梯電壓相互抵消。在環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,兩個極性相反的階梯電壓相加后,得到所需要的直流電平。電路中的相加器就是為此添加的,對合成器的輸出信號頻譜有明顯的改善作用。