（电路与系统专业论文）wsn频率综合器和lcvco设计与实现.pdf

燃 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 皇兰聿日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 摘要 摘要 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是一种由多个传感器节点构成的网 络，可以广泛应用于环境科学、交通管理、灾害预测、城市信息化建设等领域。本论文以 应用于w s n 无线收发机的频率综合器为出发点，从几个方面对单片c m o s 频率综合器和 电感电容压控振荡器进行了分析与设计。 本文在分析和比较各种频率综合器体系结构的基础上，推导了应用于w s n 的频率综 合器的性能要求和电荷泵锁相环频率综合器的完整设计参数，提出了一个用于分析锁相环 非理想性的行为级仿真方法。基于t s m c0 1 8 p , mr f c m o s 工艺，采用噪声滤波技术设计 了一种互补交叉耦合l c 压控振荡器，给出了电路的前仿真、版图设计和后仿真，并进行 了流片。测试结果表明，在1 8 v 电源电压下，压控振荡器的调谐范围为4 1 5 5 3 1 g h z ， 在振荡频率4 6 4 5 g h z 上，1 m h z 与3 m h z 频偏处测得的相位噪声分别为一111 d b c h z 与 一1 2 3 d b c h z 。给出了频率综合器系统的整合设计过程，详细描述了自动频率校准电路的组 成和工作过程，给出了频率综合器锁定过程的仿真结果，完成了频率综合器的版图整合， 并进行了流片。测试结果表明，在1 s v 电源电压下，频率综合器的锁定范围在2 4 2 4 8 g h z ， 在输出频率2 4 0 5 g h z 时，输出参考杂散为一6 4 d b e ，1 m h z 与3 m h z 频偏处的相位噪声分 别为一l18 d b c h z 和一1 3 5 d b c i - i z ，消耗电流为18 m a ，其它各项性能测试均满足系统指标要 求。 论文设计和整合的压控振荡器和频率综合器已应用于w s n 射频收发机芯片，通过进 一步优化亦可用于其它无线通信射频收发机芯片中。 关键词：无线传感器网络、锁相环、频率综合器、c m o s 、相位噪声、行为级仿真 a b s t r a e t a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i saw i r e l e s sn e t w o r kc o m p o s e do fs e n s o rn o d e s ，i t sa p p l i - c a t i o ni sv e r yw i d es u c ha se n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，t r a f f i cc o n t r o l ，d i s a s t e rp r e d i c t i o n ，m u n i c i p a l i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，e t c ad e e pr e s e a r c ho fm o n o l i t h i cc m o s f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ra n d v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( v c o ) f o rw s n t r a n s c e i v e ri sp r e s e n t e di ns e v e r a la s p e c t si nt h i s t h e s i s b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta r c h i t e c t u r e so f f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , t h e s p e c i f i cr e q u i r e m e n t sa n dt h ec o m p l e t ep a r a m e t e r so fac h a r g ep u m pp h a s el o c k e dl o o p f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rf o rw s na p p l i c a t i o na r ed e d u c e di nt h i st h e s i s f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r b a s e do nc h a r g ep u m p ( c p ) p h a s el o c k e dl o o p ( p l l ) i sa n a l y z e d ab e h a v i o rs i m u l a t i o nm e t h o d i sp r o p o s e dt oa n a l y z et h en oi d e a lc h a r a c t e r i s t i co fp l l b a s e do nt s m co 18 p mr f c m o s p r o c e s s ，ac o m p l e m e n t a r yc r o s s - c o u p l e dl cv c o i sd e s i g n e d t h ep r e s i m u l a t i o n ，l a y o u td e s i g n a n dp o s ts i m u l a t i o na r eg i v e n t h ec h i pi st a p e o u t e da n dm e a s u r e di n1 8 vs u p p l yt h em e a s u r e d r e s u l t ss h o wt h a tt h et u n i n g r a n g eo ft h ed e s i g n e dv c oi s 4 15g h zt o5 31g h z t h e p h a s e - n o i s ea t1 m h za n d3 m h zf r e q u e n c yo f f s e tf r o m4 6 4 5 g h zc a r r i e ri s - 1 11 d b c h za n d - 12 3 d b c h z ，r e s p e c t i v e l y t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sm e r g e d t h ea u t of r e q u e n c yc a l i b r a t i o n c i r c u i ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h e l o c k i n gp r o c e s s o ff r e q u e n c y s y n t h e s i z e ri sg i v e n t h el a y o u to ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri sd e s i g n e da n dt a p e o u t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n1 8 vs u p p l ys h o wt h a tt h er e f e r e n c es p u ro ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r l o c k e do n2 4 0 5 g h zi s - 6 4 d b c ，t h ep h a s en o i s ea t1m h za n d3 m h zf r e q u e n c yo f f s e ta r e - i18 d b c h za n d - 13 5 d b c h zr e s p e c t i v e l y , t h ed i s s i p a t e dc u r r e n to ft h es y n t h e s i z e ri s18 m a o t h e rm e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c e sa l s om e e tt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s t h ed e s i g n e da n dm e r g e dv c oa n df r e q u e n c ys y n t h e s i z e rh a v eb e e na p p l i e df o rw s nr f t r a n s c e i v e rc h i p s ；i tc a l la l s ob eu s e di no t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr ft r a n s c e i v e r sc h i p s k e y w o r d s ：w s n ，p l l ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , c m o s ，p h a s en o i s e ，b e h a v i o rs i m u l a t i o n 1 1 i 目录 目录 摘 要i a b s t r a c t e l录i 第1 章绪论。1 1 1 研究背景1 i 1 1i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 简介i 1 2 研究内容。3 1 3 论文组织。4 “ 第2 章频率综合器体系结构和指标预算5 2 1 频率综合器在无线收发机中的作用。5 2 2 频率综合器的实现方式6 2 3 相位噪声与时钟抖动8 2 3 1 相位噪声理论8 2 3 2 时钟抖动( j i t t e r ) 9 2 3 3 相位噪声与抖动的关系。1 0 2 4 频率综合器的主要性能指标。1 0 2 4 1 相位噪声1 0 2 4 2 频率范围1 l 2 4 3 频率分辨率1 2 2 4 4 锁定时间( 1 0 c k i n gt i m e ) 1 2 2 5z i g b e e 频率综合器系统指标预算12 2 5 1z i g b e e 收发机结构1 2 2 5 2 频率范围与频率分辨率。1 3 2 5 3 相位噪声与杂散指标1 3 2 5 4 锁定时间。1 4 2 5 5 设计指标小结1 5 2 6d 、l 1 5 第3 章电荷泵锁相环频率综合器分析与设计1 7 东南大学硕士学位论文 3 1 电荷泵锁相环频率综合器的组成1 7 3 1 1 鉴频鉴相器与电荷泵1 7 3 1 2 环路滤波器19 3 1 3 压控振荡器2 0 3 1 4 分频器2 0 3 2 电荷泵锁相环连续时间线性模型与传递函数。2 l 3 2 1 电荷泵锁相环中各组成模块的数学模型2 1 3 2 2 锁相环连续时间系统模型及传递函数2 2 3 2 3 锁相环连续时间相位噪声模型及传递函数2 4 3 2 4 环路带宽对锁相环性能的影响2 7 3 3 锁相环环路参数计算。2 7 3 3 1 环路带宽与相位裕度2 7 3 3 2 二阶无源环路滤波器参数值求取2 9 3 4z i g b e e 频率综合器环路参数设计3 0 3 5 频率综合器行为级仿真验证3 2 3 5 1 动态特性仿真3 4 3 5 2p f d c p 非理想性对p l l 的影响和行为级仿真验证3 5 3 6 j 、结4 1 4 章电感电容压控振荡器设计 4 1 振荡器的基本原理4 3 4 2 压控振荡器的相位噪声模型与相位噪声优化技术4 4 4 2 1 相位噪声模型。4 4 4 2 2 相位噪声优化技术4 6 4 3c m o s 交叉耦合l c 振荡器拓扑结构4 8 4 4v c o 电路设计5 0 4 4 1v c o 电路结构5 0 4 4 2 谐振腔设计5l 4 4 3 开关电容阵列设计5 2 4 4 4 互补差分负阻管设计。5 3 4 4 5 尾电流偏置电路设计5 3 目录 4 4 6 二次谐波滤波电路设计5 3 4 4 7r c 低通滤波器设计5 4 4 4 8v c o 电路前仿真结果5 4 4 5v c o 版图设计与后仿真5 7 4 5 1 高频电路版图设计原则【4 3 4 4 j 。5 7 4 5 2v c o 版图设计。5 7 4 5 3 后仿真结果5 9 4 6v c o 芯片测试6 l 7 4 6 1 芯片照片与测试方案6 1 4 6 2 测试结果及分析6 3 4 7 小结6 5 ，第5 章频率综合器整合与实现。6 7 5 1 鉴频鉴相器与电荷泵电路6 7 5 2 可编程分频器与除2 分频器电路。6 8 5 2 1 可编程分频器6 8 5 2 2 高速除2 分频器7 0 5 3 自动频率校准单元( a f c ) 7 1 5 4 频率综合器电路整合与仿真7 4 5 5 频率综合器版图设计7 5 5 6 频率综合器芯片测试7 7 5 6 1 芯片照片与测试方案7 7 5 6 。2 测试结果及分析7 9 5 7 小结8 2 第6 章总结与展望。 6 1 工作总结。8 3 6 2 工作展望。8 3 参考文献 致谢。 附件：攻读硕士学位期间发表的论文。8 9 东南大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 无线通信技术是近2 0 年来信息通信领域中发展最快、应用最广的技术，各种无线通 信技术( 如手机通信、无线局域网、卫星定位、移动数字电视等) 已广泛应用于日常生活当 中。 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 是由众多无线传感器节点组成，每一 个传感器节点由数据采集模块( 传感器、a d 转换器) 、数据处理和控制模块( 微处理器、存 储器) 、通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电池、d c a c 能量转换器) 等组成【1 】。 w s n 技术是典型的具有交叉学科性质的军民两用战略高技术，可以广泛应用于军事、 国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域， 具有广阔的市场前景。因此，研究与设计应用于w s n 的射频前端通信芯片具有主要意义。 早在1 9 3 2 年，b e l l e s c i z e 就已经提出并描述了锁相概念，然而在电视机时代来临前并未得 到广泛应用。利用带有分频功能的锁相环来实现频率倍增的专利最早出现在1 9 7 0 年。现在，锁 相概念已经广泛应用于各种产品之中，锁相频率综合器已成为射频前端芯片的重要组成部分。 随着通信技术的不断发展，频率综合器设计技术也越来越成熟，同时也面临着新的挑战。 目前常用的频率综合技术包括直接模拟综合器( d a s ，d i r e c ta n a n l o gs y n t h e s i z e r ) 、直接数字 综合器( d d s ，d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 、锁相频率综合器( p l l - f s ，p h a s e l o c k e dl o o p f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 、延迟锁相环频率率综合器( d l l f s ，d e l a y - l o c k e dl o o pf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ) 。锁相频率综合器又可分为整数n 和分数n 频率综合器。 国际上符合z i g b e e 协议要求的频率综合器的研究与设计均采用了整数n 的系统结构。 目前，频率综合器正朝着全集成、低功耗、低成本、智能化的方向发展。 目前市场上常见的w s n 射频收发芯片主要有f r e s c a l e 公司的m c l 3 1 9 2 、德州仪器( t i ) 公司的c c 2 4 2 0 系列。其中t i 公司的c c 2 4 2 0 芯片符合i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e ( 2 4 g h z ) 协 议，是一款全集成、低功耗、高性能的射频收发机芯片。 1 1 1i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 简介 i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 是专为低复杂度、低成本、低功耗、低数据速率的设备间无线互 联而制定的标准【2 1 。z i g b e e 是基于8 0 2 1 5 4 标准开发的关于组网、安全和应用软件方面的 东南大学硕士学位论文 技术标准。z i g b e e 协议包括高层应用规范、汇聚层、网络层、数据链路层和物理层。其中 数据链路层和物理层标准由i e e e8 0 2 1 5 4 负责制定，网络层以上由z i g b e e 联盟制定。 z i g b e e 技术一开始就是被设计用来构建包括恒温装置、安全装置、家用电表等小型设 备的无线网络。其主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼 宇自动化、医疗设备控制等。根据射频环境的不同和特定应用对输出功率的要求，兼容 z i g b e e 协议的无线设备能够覆盖的范围在1 0 7 5m 。 i e e e8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 3 标准的物理层定义了3 个无须授权的工作频段并划分了总计2 7 个信 道，信道带宽2 m h z 。下面分别对3 个工作频段加以介绍： 1 ) 8 6 8 8 6 8 6m h z 频段，主要针对欧洲地区，数据率为2 0 k b p s ，接收机灵敏度为 第1 章绪论 表1 1 频段与数据率 p h y频段 扩频参数 数据参数 ( m h z ) ( m h z ) 码片速率 调制方式 比特率 符号速率 符号 ( k c h i p s )( k b s ) ( k s y m b o l s ) 8 6 8 8 6 8 8 3 0 0b p s k2 0 2 0 二进制 8 6 8 9 1 5 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0二进制 正交1 6 进 2 4 5 0 2 4 0 0 2 4 8 3 5 2 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 5 制 1 2 研究内容 本文研究的内容来源于国家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划) 目标导向类项目“无线传感器网 络节点嵌入式s o c 芯片和射频收发芯片设计 ，项目编号为n o 2 0 0 7 a a 0 1 2 2 a 7 。本项目中的射 频收发芯片按照i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准设计并采用c m o s 工艺实现，该芯片主要由接收机、 发射机和频率综合器三个部分组成，所采用的系统结构如图l - 2 所示。其中接收机采用2 m h z 低中频方案，分别由低噪声放大器o n a ) 、下变频混频器, ( d n _ m i x e r s ) 、复数带通滤波器, ( c o m p l e x b p f ) 和可编程增益放大器删组成；发射机采用直接上变频方案，它主要由功率放大器( p a ) 、 上变频混频器c u pm i x e r s ) 和低通滤波器( l p f ) 组成；频率综合器( s y n 妞s i z e r ) 为接收机和发射机 提供所需要的本振信号，它采用全集成整数n 电荷泵锁相环结构。 u p _ m i x e r 8 图1 2 本课题采用的射频前端芯片结构框图 东南大学硕士学位论文 本论文研究的主要内容是图l - 2 中的频率综合器的系统级设计与实现，包括频率综合 器系统指标预算、频率综合器环路参数设计与验证、电感电容压控振荡器设计与实现和频 率综合器系统的整合与实现。 1 3 论文组织 本论文的工作是对应用于w s n 的频率综合器进行系统级分析与设计，并对其中的压 控振荡器电路进行设计，最后对频率综合器进行整合。本论文的具体组织结构如下： 第2 章介绍了到目前为止频率综合器的几种典型体系结构，给出了评价频率综合器性 能的主要参数，并分析了z i g b e e 系统对频率综合器性能的要求。 第3 章对电荷泵锁相环频率综合器进行了系统的分析，在此基础上给出了应用于w s n 的频率综合器的系统级设计过程，并提出了一个分析锁相环参考杂散特性的行为级仿真方 法。 第4 章介绍了电感电容压控振荡器的基本原理与噪声模型，对应用于w s n 频率综合 器中的压控振荡器进行了设计，给出了芯片测试方案与测试结果。 第5 章对应用于w s n 频率综合器中的各电路模块进行了介绍，并对频率综合器电路 与版图进行了整合，给出了芯片测试方案与测试结果。 第6 章对论文进行总结和展望。 4 第2 章频率综合器体系结构和指标预算 第2 章频率综合器体系结构和指标预算 2 1 频率综合器在无线收发机中的作用 频率综合器是一个能够根据某个参考频率源产生一个或多个频率信号的电路单元或 设备。在现代无线收发机射频前端电路中，频率综合器的主要作用是为混频器提供高质量 的本地振荡信号。图2 1 为典型超外差无线收发机射频前端电路的框图，分别由射频开关 譬( r fs w i t c h ) 、低噪声放大器( l n a ) 、滤波器( f i l t e r ) 、混频器( m i x e r ) 、频率综合器( f s ，f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ) 、功率放大器( p a ) 组成。 接收通道 图2 1典型超外差收发机射频前端结构框图 在图2 1 所示的接收通道中，天线同时接收多个不同信道的信号，通过调节频率综合 器的输出信号频率，下变频后可以得到固定的中频频率，从而降低后续信号处理电路的复 杂度。图2 - 2 为理想下变频混频器的频率变化示意图，其中f r f 为接收到的射频信号，a o 为本地振荡信号，屉为下变频后的中频信号。 。 图2 2 理想下变频示意图 f 东南大学硕士学位论文 2 2 频率综合器的实现方式 频率综合技术早在上个世纪3 0 年代就已经出现，随着电子技术的飞速发展，频率综 合器的体系结构得到了不断的扩充。如表2 1 所示，频率综合器大致可以分为以下四种： 直接模拟综合器( d a s ，d i r e c ta n a l o gs y n t h e s i z e o 、直接数字综合器( d d s ，d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i z e r ) 、锁相频率综合- 器( p l l f s ，p h a s e - l o c k e dl o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 、延迟锁相 环频率综合器( d l l f s ，d e l a y - l o c k e dl o o pf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 。 表2 1 频率综合器分类 直接模拟综合器倍频器+ 混频器+ 分频器 直接综合器 直接数字综合器数控振荡器+ 数模转换器 频率综合 整数n 器 间接综合器基于锁相环的频率综合器分数n 延迟锁相环 直接模拟综合器0 ) a s ) 直接模拟综合器( d a s ) 通常由谐波发生器、倍频器、分频器、混频器、带通滤波器级 联而成【3 】【4 】。直接模拟频率综合器的优点是工作可靠，频率转换速度快。如果各个模块间 的物理或电隔离做的合适，则可以得到极佳的相位噪声和杂散性能。直接模拟综合器的最 大缺点是需要大量的混频器、分频器、带通滤波器，从而造成实现的d a s 体积大、高功 耗与高成本。图2 3 给出了一个直接模拟频率综合器案例的系统框图，其输出频率为 撕+ 0 珑+ 0 0 ，其中正、五、石可分别设置为参考频率丘f 的甩倍为的整数) ，因 此输出频率可从0 变化至1 9 9 f r , f ，频率分辨率为o 0 l f r e f 。 血 - q 谐波发生器 _ 一- 带通滤波器 3 詹一频率选择 阵列 2 f ，, r 一 阵列 厶f 一 直接数字综合器( d d s ) 图2 - 3 一个d a s 系统框图 6 第2 章频率综合器体系结构和指标预算 如图2 - 4 所示，典型d d s 系统主要由数控振荡器( n c o ，n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 和数模转换器( d a c ，d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r ) 两部分组成。n c 0 由相位累加器r ( p h a s e a c c u m u l a t o r ) 和正弦波查找表( s i n ew a v el o o k - u p ) 构成。d d s 的输出频率为- ，台u 颤i k k 2 n ，其 中k 为相位累加器的数字输入，n 为相位累加器的比特长度( b i t - l e n g t h ) ，石l o c k 为时钟频率。 图2 - 4 典型d d s 系统组成框图 直接数字综合器的优点是频率综合速度快，频率精确，分辨率高，缺点是输出杂散和 功耗较大。 锁相环频率综合器( p l l f s ) 现代无线通信系统中的频率综合器广泛采用基于电荷泵锁相环的频率综合器。如图2 - 5 所示，电荷泵锁相频率综合器分别由鉴频鉴相器( p f d ，p h a s e - f r e q u e n c yd e t e c t 0 0 、电荷泵 ( c p ，c h a r g ep u m p ) 、压控振荡器( v c o ，v o l t a g e - c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 和可编程分频- 器( d i v i d e r s ) 组成。频率综合器的输出频率为石u t - n 启f ，其中为环路分频比，矗f 为p f d 的输入参 考频率。根据分频比是整数还是分数，锁相环频率综合器又可分为整数n 频率综合器和 分数n 频率综合器两种。 图2 5电荷泵锁相环频率综合器系统框图 分数n 频率综合器可以采用较高的参考频率和环路带宽，且频率分辨率与参考频率无 关。但是分数n 频率综合器至少需要一个复杂的小数分频器，同时小数分频器也引入额外 的杂散。 频率综合器体系结构的性能比较 东南大学硕士学位论文 在目前已有的频率综合器技术中，基于p l l 的频率综合器体系结构容易在c m o s 工艺 中集成，消耗功耗合理，性能满足大多无线或有线射频应用的要求。而在需要的频率很高 时( 如微波频段) ，可以采用直接模拟频率综合器。表2 2 对几种典型频率综合器体系结构 的优缺点进行了的汇总网。 表2 2 频率综合器体系结构比较 体系结构优点缺点 d a s 转换速度快，低噪声、低杂散，适用于微波频段体积大，功耗大 d d s 转换速度快，较好的频率分辨率杂散高，功耗大 i n t e g e r - np l l低功耗，低噪声转换速度慢 f n - p l l 转换速度比i n t e g e r - np l l 快分数杂散 d l l 非常低的噪声不可编程，功耗大 混合频率综合器转换速度快，低噪声结构复杂 2 3 相位噪声与时钟抖动 2 _ 3 i 相位噪声理论 理想频率综合器输出的信号为纯净的正弦波，其时域波形可表示为v ( 0 = v o s i n ( 2 7 c a 0 ， 其中为振幅，局为载波频率。当正弦波的幅度和相位随时间发生波动时，信号波形可表 示为【6 】 y ( f ) = ( v o + v ( t ) ) s i n ( 2 x f o f + 矽( f ) )( 2 1 ) 其中v ( 0 和吠f ) 分别表述正弦波的幅度波动和相位波动。幅度波动可以通过限副器或自动幅 度控制电路【刀加以改善，因此这里主要考虑相位波动的影响。 相位波动可分为周期变化和随机变化两种类型，数学上，吠f ) 可表示为【8 】 ( f ) = a # s i n ( 2 u f , t ) + p ( t )( 2 2 ) 其中，等式右边第l 项表示相位的周期性变化部分，第2 项9 ( f ) 表示相位的随机变化部分。 周期性变化的相位会在载波频率矗两侧产生杂散频率。假设v ( t ) = 0 ，矽兀2 ，则杂散频 率信号的输出幅度可表示为【3 】 y ( f ) = v os i n ( 2 x f c t + a # s i n ( 2 7 【f m t ) ) 9 v o s i n ( 2 蚴+ 争( 2 , t ( f o 型2s i n ( 2 兀( f o 圳) 从式( 2 3 ) 可以看出，信e s 在f o 厶频率处的杂散功率与载波功率的差为- 2 0 l o g ( a # 2 ) d b ， 该差值被定义为信号的杂散并用d b c 作为杂散的单位。 第2 苹频率综合器体系结构和指标预算 _ - - - - _ - - _ - _ - _ _ - - - - _ - 一一_ 单边带( s s b ) 相位噪声定义为距离载波频率v ( 鲈= 厂一石) 处1 h z 带宽内的噪声功率 与载波功率的比，其单位为d b c h z ，数学表达式为【5 】 w ) = l o l o g 垒譬塑= l o l o g 剑2 ( d b c h z ) ( 2 4 ) & ( ) = 亡b ( f 弦叩咖d r , 墨( f ) = e 【缈( f ) 缈9 一f ) 】 ( 2 5 ) 其中& 为相位随机变化过程的谱密度函数，也( f ) 为随机变化相位矿( f ) 的自相关函数。 理想频率综合器输出信号的频谱如图2 - 6 ( a ) 所示，作为对比图2 6 ( b ) 给出了一个带有噪 声的频率综合器输出信号的频谱图，从图中可以直观的看到相位波动对输出信号频谱的影 响。 石 ( a ) 理想频率综合器 知， 五 分， ( ”非理想频率综合器 图2 - 6 频率综合器输出信号频谱 2 3 2 时钟抖动( j i t t e r ) 相位噪声与杂散描述了频率综合器( 或振荡器) 噪声在频域的特性。时钟抖动是相位噪 声在时域的表现。如图2 - 7 所示，理想时钟信号过零点时刻是确定的，而非理想时钟信号 过零的时刻是不确定的，在示波器上表现为信号的抖动。 i r 。 j 抖动 忍盔盔蕊碜 i 何 一 _ t 图2 - 7 时钟信号的抖动 9 东南大学硕士学位论文 抖动可分为周期抖动、周期至周期抖动和绝对抖动三种类型，分别下面给出三种抖动 的定义和数学表达式【3 】 ( 1 ) 周期抖动，定义为乙= 乙- t ，其中死为信号第刀个周期的时间长度，f 为其 平均值。周期抖动的均方根( r m s ) 值为 吒= 般艉面 ( 2 ) 周期至周期抖动，定义为乙= z + 一乃，其均方根值为 孵一l i m 。啄a i t 。, ) ( 3 ) 绝对抖动( 或个周期的长期抖动) ，定义为( ) = 专姜( 乙一亍) = 姜( 乙) 。 2 3 3 相位噪声与抖动的关系 既然抖动是频率信号相位噪声在时域的表现形式，那么抖动与相位噪声之间必然存在 某种联系。 w e i g a n d t 等人在文献【9 】中推导出单边带相位噪声与均方根周期抖动吼之间的关系为 期抖动之间的关系【1 0 】 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 一个更为通用的相位噪声与抖 ( 2 9 ) 第2 章频率综合器体系结构和指标预算 相位噪声是频率综合器最主要的性能指标。在窄带无线通信系统中，通信信道中除了 期望接收的有用信号外，还伴有干扰信号，干扰信号的能量往往集中在固定的频率偏移处， 如在蓝牙系统中，3 m h z 频偏处干扰信号的能量约为- 4 0d b m ，为了避免这些干扰信号 下变频后淹没有用信号，频率综合器在这些频率偏移处的相位噪声需要满足一定的要求。 低中频接收机的下变频过程实际上是频谱的搬移过程。假设混频器输入信号触在频 率( 血+ 鲈) 处有一功率为风k ( d b m ) 的干扰信号，本地振荡信号f l o 在频率f l o + a f 处的相 位噪声为三( 动( d b c h z ) 。如图2 - 8 ，有用信号知被下变频至中频段屉( 7 i f = 知一血) 处，由 于本振信号在频偏处存在相位噪声，干扰信号同样被下变频到了中频段詹处，从而恶化 了中频信号的信噪h ：( s n r ) 。 以) l 纛 图2 8 非理想接收机的下变频示意图 对给定的信噪比( s n r ) ，当有用信号功率只i g 最小，阻塞信号功率尸b l k 最大时，接收机 输入到混频器的信号干扰比最小，为了不进一步恶化接收机的信噪t 七( s n r ) ，频率综合器 在偏离载波频率处的相位噪声与杂散必须满足下面两个关系式【5 】 l ( a f ) ( d b c h z ) 尼。( d b m ) 一( d a m ) 一石w ( d b h z ) 一s n r ( d b ) ( 2 10 ) s p u r ( a f ) ( d b c ) 3 5 m r t z ) 发射信 东南大学硕士学位论文 号功率的绝对限制为一3 0 d b m ，带外泄露的信号功率可视为其它信道接收机的干扰信号， 因此接收机带外的最小信号干扰比p s i g ( d b m ) - p b l k ( d b m ) = - 3 0 d b 。 按照式( 2 1 0 ) 可算出频率综合器相对载波频偏1 m i - i z 、3 5 m h z 处的相位噪声需求 为： l ( + i m h z ) ( d b c h z ) i g ( d b m ) 一咒n 【( d b m ) 一赢( d b h z ) 一s n r ( d b ) = 2 0 d b 1 0 l o g ( 2 1 0 6 ) ( d b h z ) 一6 d b = - 8 9 d b c h z 三( 鸪5 m h z ) ( d b c h z ) p m g ( d b m ) 一p b l k ( d b m ) 一品( d b h z ) 一s n r ( d b ) = - 3 0 d b - 1 0 l o g ( 2 x 1 0 6 ) ( d b h z ) 一6 d b = - 9 9 d b c i - i z 另外根据a c i 与a a c i 的要求，可算出频率综合器相对载波频偏_ + 5 m h z 、1 0 m h z 处的相位噪声需求： l ( + _ 5 m h z ) ( d b c i - i z ) 气( d b m ) 一( d b m ) 一品( d b h z ) 一s n r ( d b ) = 0 d b - 1 0 l o g ( 2 x 1 0 6 ) ( d b h z ) 一6 d b = - - 6 9 d b c h z l ( _ - 5 m i - i z ) ( d b c i - - i z ) ，毫( d b m ) 一只眦( d b m ) 一兀w ( d b i - i z ) 一s n r ( d b ) = 3 0 d b 1 0 l o g ( 2 1 0 6 ) ( d b h z ) 一6 d b = -