锁相环中的相位噪声研究
第2.6章 锁相环路的噪声性能
因此,本章节的分析方法称为环路在弱噪声作用下的线性分析。
3
2.6.1 输入加性噪声的特性
锁相环输入噪声常常是经过环路前的选择性回路才加到输入端的, 其选择性回路的带宽远小于中心频率,即 B f0 。
当噪声通过选择性回路,形成一个振幅和相位都作随机变化的高频 噪声。统计分析表明,这种噪声具有窄带高斯白噪声性质。
增大K 时,BL 随之也增大,很难满足多方面性能需求,故很少应用。
20
2.6.3 环路对输入噪声的线性过滤
(2)各种锁相环的相位噪声带宽 采用无源比例积分滤波器的二阶环噪声带宽为:
BL
n 8
1
2
n
K
2
当
K
n
时,近似为:
BL
n 8
N
t
由上式,得到下面的加性噪声输入时的环路相位模型 。
14
2.6.3 环路对输入噪声的线性过滤
(一)环路等效输入相位噪声
在弱噪声作用下,即相位差 e t 的均方根值 e 13o 时, 环路相
位误差 et 300 的概率近似为1,可将 sine e ,使方程线性化,
0 f B 2
9
2.6.2 输入加性噪声的环路相位模型
在已知环路输入噪声性质的基础上,可以获得环路的相位模型。 当有输入加性噪声时,加在环路输入端的电压是信号与噪声之和,即:
Vi t nt Vi sin0t 1t nc tcos0t ns tsin 0t
(2)各种锁相环的相位噪声带宽 采用不同滤波器的环路,其闭环频率响应不同,因此计算出的相
锁相环中相位噪声的确定
output impedance is only really correct for active loop filters, if passive filters are used then the widget design is complicated by the need to use a low-noise buffer amplifier. We will not consider this case here. Choosing some convenient values (not particularly critical) R1 = 100k , R2 = 1k and C 2 = 10 µF gives a pole at 0.16Hz and a zero at 16Hz. The response is shown in Figure 5:
The PLL
A typical PLL synthesiser is shown in Figure 2. Although not essential, it is convenient when prototyping to include a link on the VCO control line. This allows the loop to be broken for VCO testing, as well as allowing the insertion of additional filtering.
锁相环电路的设计及相位噪声分析
和响应速度之间折衷考虑,相位裕度越大,系统越稳定,但是响应速度变慢。
这里取相位裕度为60度。
同样的,这两个环路参数是估计出来的,在实际电路中仍然需要多次考虑。
最后根据上面的两个环路参数,利用第二章第六节的公式2-22到2-24可以计算出低通滤波器的电阻和电容的值大约为:R2=12K,C2=138PF,CI=1IPF。
根据以上估算的参数可以将锁相环系统的幅频和相频特性曲线画出,如图4.2所示。
图4-2PLL的幅频与相频特性曲线4.3锁相环系统级模型4.3.1Matlab构造数学模型Mauab是MathWorks公司开发的具有强大科学运算功能的数学工具,其中的软件包--Simulink是专门用于数学建模的工具。
通过建立锁相环系统的线性模型,如图4—3所示,分别建立环路中每个模块的传输函数,然后设置输入输出点。
该线性模型不仅可以分析系统的冲击响应和阶跃响应,还可以分析零极点与波特图。
冲击响应和阶越响应的模拟结果如图4-4所示,此模型可以很方便的修改参数,仿真速度非常快,模拟结果也非常直观,对于理解二阶系统的特性非常有帮助。
t№啦*血瞻呻目删e,ra口aap蝌m鼬rtrartim'哥缸眦h恤啪蚓of恤VCO图4-3Matlab建立PLL的线性模型图4—4PLL的阶跃响应与冲击响应4.3.2VerilogA构造行为级模型VerilogA语言是Verilog硬件描述语言的扩展,主要用来描述模拟系统的结构和行为,包括电子,机械,流体力学和热力学系统等㈣。
下面给出VerilogA描述锁相环的行为级模型,并应用Mica进行仿真。
首先,以电阻的行为级模型为例,简单的说明一下VerilogA语言的特点和应用。
、include“disciplines.”’’include“constants.h,’moduleres(a,b);inouta,b;electricala,b;parameterrealR21.O:analogbeginI(a,b)<+V(a,b)/R;//Altemative:V(a,b)<+I(a,b)4R;第五章锁相环电路设计及模拟第五章锁相环电路设计及模拟5.1整体设计本章主要是关于锁相环的晶体管级电路的设计,不但详细的分析了电路的结构,而且给出了模拟结构及相关的解释。
锁相频率源混频信号的相位噪声分析
锁相频率源混频信号的相位噪声分析为了研究锁相频率源的混频信号的相位噪声问题,本文将锁相源的相位噪声构成作为基础,构建起两路相关锁相源混频相位噪声近似数学模型,并开展了相关实验。
实验数据表明,模型仿真能够得到与实验一致的结果,可以在很大程度上降低相位噪声估值偏差。
标签:锁相频率源;混频信号;相位噪声1 相位噪声概述通常来讲,信号频率或者相位本身的短期性、随机性起伏是引发相位噪声的主要原因,理想的频率源信号得到的频谱近似直线,数学上一般用带有幅度的Delta函数表示。
而从实际测量的角度,频谱信号两侧可以看到宽度较大的连续分布谱,其形成的原因是热能与其他噪声源随机起伏对于频率信号的调整,这里的连续分布谱实际上就是相位噪声。
假定θ(t)表示噪声形成的调制信号,考虑到相位噪声同样属于较小的信号调制,满足θ(t)《1,可以将频率源信号表示为:(1)公式中,fc表示载波信号,对于公式进行相应的Fourier变换,可以得到(2)这里的S(f)表示S(t)的Fourier頻率谱,Sθ=F(θ(t)),表示相位与频率抖动的功率谱密度。
结合上述公式,参考相位噪声的内涵,可以通过分贝值的形式来对频率源相位噪声进行表示,有(3)公式中,=f-fc,该公式实际上是偏离载波位置1Hz带宽的相位噪声。
调制信号本身属于非平稳性的随机过程,而结合相应的文献研究以及工程实践,可以将其近似看做是平稳的高斯过程,能够得到近乎实际工程值的结果。
设相应的高斯过程θ(t)为N(0,),均值E=0,相位与频率会于载波信号附近抖动。
方差表示为相位噪声的功率,依照上述公式,可以得到相应的公式(4)2 锁相频率源相位噪声结构就目前而言,比较常见的锁相源一般都是有压控振荡器、鉴相器、环路滤波器以及分频器等构成,所有元器件的噪声都会影响最终输出频率的相位噪声,而其中最为关键,最不可避免的,是鉴相器鉴相基底倍频以及参考信号锁相倍频的恶化。
参考公式(4),可以将锁相源相位噪声表示为(5)在公式中,表示锁相源最终输出的相位噪声功率,和分别表示晶振锁相倍频恶化以及鉴相基底倍频恶化后的相位噪声功率,结合上述分析,参照公式(4)和公式(5),可以将相位噪声改写成分贝值的形式,得到锁相源相位噪声计算公式:(6)3 加入混频器后的相位噪声分析理想状态下,混频器的输出包含了两个输入信号的和频与差频,而实际上,混频器具备多个交调分量,不过和频与差频是主要分量。
锁相跳频源相位噪声预测方法的研究
・ 0・ 8
兵 工 自动 化
第 3 卷 1
晶 振 对 应 的 噪 声 传 递 函 数 为 式 () 4:
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振 荡器 、 相器 、 分频器和 R分频器噪 声的大小 ; 鉴 N
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兵 工 自 动 化
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锁 相跳 频 源相 位 噪 声预 测 方法 的研 究
彭 永 怀 , 周 雷 ,冯 江 华
( .总 装 驻 绵 阳 地 区 军 代 室 , 四 』I绵 阳 6 1 0 ; 2 1 I 2 0 0 .四 川 九 洲 电器 集 团 有 限 责 任 公 司 , 四 川 绵 阳 6 1 0 ) I 2 0 0o N (2 1)
由 式 () 5 、( )可 以看 出 ,鉴 相 器 、R 分 频 4 、( ) 6 器 、 N 分 频 器 和 参 考 晶 振 的噪 声 传 递 函 数 有 一 个 共
同的 闪予: ,这 是 它 们 与 VC 噪 声 传 O
Ke r s p aelc e o ;rq e c y teie; h s os; rq e c mps nh s e ywo d : h s o k dl p fe u n ysnh szr p a e ie f u n yj y tei r o n e u z
O 引 言
相 位 噪 声 是 影 响现 代 通 信 系 统 灵 敏 度 和 选 择 性
锁相环的相位噪声分析
锁相环路相位噪声分析张文军 电信0802【摘要】本文对锁相电路的相位噪声进行了论述,并对其中各组成部件的相位噪声也做了较为详细的分析。
文中最后提出了改进锁相环相位噪声的办法。
【关键词】锁相环;相位噪声;分析 引言相位噪声是一项非常重要的性能指标,它对电子设备和电子系统的影响很大,从频域看它分布的载波信号两旁按幂律谱分布。
用这种信号无论做发射激励信号,还是接收机本振信号以及各种频率基准,这些信号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。
在通信系统中使环路信噪比下将,误码率增加;在雷达系统中影响目标的分辨能力,即改善因子。
接收机本振的相位噪声遇到强干扰信号时,会产生“倒混频”,使接收机有效噪声系数增加。
随着电子技术的发展,对频率源的信号噪声要求越来越严格,因此低相位噪声在物理、天文、无线电通信、雷达、航空、航天以及精密计量、仪器仪表等各种领域里都受到重视。
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,相位的随机起伏起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0f 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1Hz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m f 的函数 ,记为()m f ζ,单位为d B c / Hz ,即()010lg[/](1)m SSB f P P ζ=式中SSB P 为偏离载频m f 处,1Hz 带宽内单边带噪声功率;0P 为载波信号功率。
锁相环输出信号相位噪声噪声及杂散特性分析应用实践
锁相环输出信号相位噪声噪声及杂散特性分析应用实践【摘要】本文详细地介绍了锁相环的鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声对锁相环合成输出信号的近端相位噪声的具体贡献值。
并以CDMA 1X基站系统中800MHz的FS 单板的锁相环输出信号相位噪声指标进行理论计算。
为广大锁相环设计者提供理论计算方法的参考和实践设计的参考依据。
【关键词】锁相环设计,相位噪声一、术语和缩略语表格 1 术语和缩略语二、问题的提出锁相环工作原理图,由三部分组成:鉴相器(PFD)、环路滤波器(LPF)和压控晶体振荡器(VCXO),如图0-1所示。
图0-1锁相环原理框图锁相环输出信号指标主要有相位噪声、谐波抑制、杂散、输出功率、跳频时间。
在本文中以CDMA 1X基站系统中800MHz的FS单板应用为背景,在CDMA基站中不需要跳频,所以调频时间基本不做要求。
输出功率比较好控制,只要调整衰减网络就能保证。
锁相环输出信号的相位噪声、谐波抑制和杂散成为影响系统指标的主要因素,成为锁相环技术的关键指标项。
在锁相环设计中,相位噪声和杂散成为系统设计主要难点。
三、解决思路相位噪声分析相位噪声主要由VCO、鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这四部分引入。
环路滤波器对于由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这三部分引入的相位噪声具有低通特性,对于VCO产生的相位噪声具有高通特性。
一般来说环路带宽内的相位噪声主要决定于由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号,环路带宽以外的相位噪声主要决定于VCO,在环路带宽周围,这四部分的噪声影响相当。
所以为了尽量降低输出信号的相位噪声环路滤波器的环路带宽的最佳点是由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这三部分引入的相位噪声总和与VCO引入的相位噪声相同时的频率。
在实际运用中还礼滤波器的设计是非常重要的。
对于远端相位噪声如100KHz和1MHz处的一般远远高于环路带宽,其相位噪声主要决定于VCO,要保证其指标主要是选择良好的VCO。
相位噪声基础及测试原理和方法
摘要:相位噪声指标对于当前的射频微波系统、移动通信系统、雷达系统等电子系统影响非常明显,将直接影响系统指标的优劣。
该项指标对于系统的研发、设计均具有指导意义。
相位噪声指标的测试手段很多,如何能够精准的测量该指标是射频微波领域的一项重要任务。
随着当前接收机相位噪声指标越来越高,相应的测试技术和测试手段也有了很大的进步。
同时,与相位噪声测试相关的其他测试需求也越来越多,如何准确的进行这些指标的测试也愈发重要。
1、引言随着电子技术的发展,器件的噪声系数越来越低,放大器的动态范围也越来越大,增益也大有提高,使得电路系统的灵敏度和选择性以及线性度等主要技术指标都得到较好的解决。
同时,随着技术的不断提高,对电路系统又提出了更高的要求,这就要求电路系统必须具有较低的相位噪声,在现代技术中,相位噪声已成为限制电路系统的主要因素。
低相位噪声对于提高电路系统性能起到重要作用。
相位噪声好坏对通讯系统有很大影响,尤其现代通讯系统中状态很多,频道又很密集,并且不断的变换,所以对相位噪声的要求也愈来愈高。
如果本振信号的相位噪声较差,会增加通信中的误码率,影响载频跟踪精度。
相位噪声不好,不仅增加误码率、影响载频跟踪精度,还影响通信接收机信道内、外性能测量,相位噪声对邻近频道选择性有影响。
如果要求接收机选择性越高,则相位噪声就必须更好,要求接收机灵敏度越高,相位噪声也必须更好。
总之,对于现代通信的各种接收机,相位噪声指标尤为重要,对于该指标的精准测试要求也越来越高,相应的技术手段要求也越来越高。
2、相位噪声基础2.1、什么是相位噪声相位噪声是振荡器在短时间内频率稳定度的度量参数。
它来源于振荡器输出信号由噪声引起的相位、频率的变化。
频率稳定度分为两个方面:长期稳定度和短期稳定度,其中,短期稳定度在时域内用艾伦方差来表示,在频域内用相位噪声来表示。
2.2、相位噪声的定义以载波的幅度为参考,在偏移一定的频率下的单边带相对噪声功率。
这个数值是指在1Hz的带宽下的相对噪声电平,其单位为dBc/Hz。
利用双压控晶振降低锁相环中的相位噪声赵晨
《自动化与仪器仪表》2013 年第 1 期(总第 165 期)
晶体是一个对温度敏感的器件,环境温度的变化对频率稳 定度影响很大,故要把晶体置于恒温箱(也称恒温槽)中。VCXO 压控晶振采用单层恒温箱,恒温箱的外壳采用铜金属屏蔽,并镀 铬。晶体加热筒采用紫铜金属,紫铜热容量大,可缩小恒温箱内 的温度梯度和环境温度的影响。保温层采用聚胺脂保温。同样 振荡电路、温控电路也要置入恒温箱内,以保持不受环境温度变 化的影响。对于恒温箱及温度控制电路的要求:温度应控制在 晶体温度的零温度系数点即拐点处,应严格匹配,使温度对晶体 振荡频率的影响最小。温度应保持不变且温度应均匀避免出现 温度梯度,避免温度的波动。恒温箱的保温性能要好,因此要用 导热系数小的材料做保温层。温度控制电路与振荡电路间要有 很好的屏蔽隔离,同时要求恒温箱具有对环境电场、磁场的屏蔽 隔离作用。
图 3 晶体的等效电路
并联谐振频率为:f p = 2p
1 L1 C0C1
= fs
C0 + C1
1+ C1 C0
串联谐振频率为: fs = 2p
1 L1C1
晶体的品质因数:Q = WL1 R1
3.2 高性能压控晶振的构成
一个完整的压控晶振的内部框图如图 4 所示,由 SC 切型晶 体、主振级、缓冲幅度放大器、自动增益控制器、输出放大器、恒
锁相环后的100mhz压控晶振输出频率的相噪载波相噪偏移f相噪dbchz10hz120100hz1361khz15710khz175100khz176结束语由于系统中的噪声是各种噪声的累加任一环节的不足都有可能会造成相位噪声的增加所以系统整体的电路设计元器件选择甚至结构都要精心设计细心调试反复试验才能达到最终所需的理想效果
锁相环频率合成器的相位噪声分析
图 1 锁相式频率合成器的原理 框图
锁相式频率合成器 的基本原理如 下: 鉴相器 ( PD) 将参考信号 V i ( t ) (频率 f r )与输出信号 Vo ( t ) ( 频率 fo ) 的相位进行比较, 产生一个反映两信号 相位差大小的信号 Vd ( t) , Vd ( t ) 经过环路 滤波器 ( LPF )滤波滤除高频分量 , 得到控制电 压 Vc ( t ), 将 Vc ( t) 加到压控振荡器 ( VCO ) 的控制端, 通过
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航空兵器
2010 年第 6 期
VCO 使得输出频率 fo 向 f r 靠拢 , 直到消除相差使 环路锁定。
令
pd
2 锁相环路中的相位噪声
锁相环频率合成器主要由倍频器、放大器、分 频器、混频器、鉴相器、 压控振荡器 ( VCO) 等基本 电路组成, 有的还包括辅助捕获电路、跳频控制电 路和电子开关等, 它们都不同程度地将噪声引入 频率合成器中, 因此对频率合成器各组成部件噪 声的研究就很有必要。 2 . 1 鉴相器对环路噪声的影响 鉴相器是 PLL 的关键部件之一, 它有许多不 同的类型和电路形式。目前较常用的鉴相器基本 上可分为两大类: 乘法器 ( 或逻辑组合 ) 电路和时 序电路。 这里主要讨论乘法器类鉴相器。 乘法器类 鉴相器将输 入信号波 形与本地 振荡器波 形相乘 , 并把乘积的平均值作为其有用的直流输出, 一个 设计正确的乘法器鉴相器可以对淹没在极大噪声 中的输入信号进行处理。 这里假设 PLL 环路是线性的, 鉴相器是理想 的。鉴相器引入的噪声用一个外加的等效干扰噪 声电压 vpd ( s) 代替 , 如图 2 所示。
1 频率合成器简介
频率合成技术自提出以来 , 目前已 经逐渐形 成了四种技术 : 直接模 拟式频率合成 技术、锁相 频率合成技术、直接数字 式频率合成技术和混合 式频率合成技术。本文主 要介绍锁相频率合成技 术。 锁相式频率合成器是采用锁相环 ( PLL ) 进行 频率合成的一种频率合成器, 它是目前频率合成 器的主流, 其原理框图如图 1 所示。 最简单的锁相 环合成器是单环锁相环频率合成器, 在压控振荡 器与鉴相器之间的锁相环反馈回路上增加整数分
锁相环环路滤波器噪声特性分析与仿真
锁相环环路滤波器噪声特性分析与仿真金玉琳;余世刚;周毅;保玲【摘要】为估计环路滤波器对锁相频率合成器输出相位噪声的贡献,建立了一种常用的有源差分环路滤波器噪声模型,并推导出滤波器中各噪声源贡献的噪声的理论公式.针对一实际滤波器贡献的相位噪声进行理论计算,考虑了滤波器中运放的非理想特性后,对滤波器中各个噪声源贡献的相位噪声进行了仿真.通过理论结果和仿真结果对比,得出理论公式对实际环路滤波器噪声进行了很好的估计.最后给出环路滤波器设计时在噪声性能方面的考虑.%It is necessary to accurate phase noise prediction of synthesizer for loop filter's contribution, a noise model for loop filter that is used for differential output phase detector is built, and theoretical formula of the output phase noise contribution from each noise source in loop filter is derived. Theoretical value of phase noise is calculated aimed at the contribution from a actual loop filter, and the phase noise is simulated after considered the actual character of op-amp. Comparing the theoretical value and simulated value, the noise of the actual loop filter can be estimated by theoretical formula, and some considerations of loop filter design about the noise performance are provided.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)021【总页数】4页(P193-195,198)【关键词】频率合成器;锁相环;有源环路滤波器;相位噪声【作者】金玉琳;余世刚;周毅;保玲【作者单位】兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000;兰州空间技术物理研究所,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TN713-34锁相频率合成器其潜在的出色性能、相对简单性和低成本而被普遍使用[1]。
锁相环输出信号相位噪声噪声及杂散特性分析应用实践
锁相环输出信号相位噪声噪声及杂散特性分析应用实践【摘要】本文详细地介绍了锁相环的鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声对锁相环合成输出信号的近端相位噪声的具体贡献值。
并以CDMA 1X 基站系统中800MHz 的FS 单板的锁相环输出信号相位噪声指标进行理论计算。
为广大锁相环设计者提供理论计算方法的参考和实践设计的参考依据。
【关键词】锁相环设计,相位噪声一、 术语和缩略语表格 1 术语和缩略语 缩写全名 含义 CDMACode Division Multiple Access 码分多址 PLLPhase Locked Loop 锁相环 FSFrequency S ynthesizer 频率合成器 LPFLoop Filter 环路滤波器 VCO Voltage Control Oscillator压控振荡器 二、 问题的提出锁相环工作原理图,由三部分组成:鉴相器(PFD )、环路滤波器(LPF )和压控晶体振荡器(VCXO ),如图 0-1所示。
÷R 分频器VCO 参考频率鉴相器÷N 分频器LPF ΦK O θS K VCO )(S F rθ+iθ-e θ图 0-1锁相环原理框图锁相环输出信号指标主要有相位噪声、谐波抑制、杂散、输出功率、跳频时间。
在本文中以CDMA 1X 基站系统中800MHz 的FS 单板应用为背景,在CDMA 基站中不需要跳频,所以调频时间基本不做要求。
输出功率比较好控制,只要调整衰减网络就能保证。
锁相环输出信号的相位噪声、谐波抑制和杂散成为影响系统指标的主要因素,成为锁相环技术的关键指标项。
在锁相环设计中,相位噪声和杂散成为系统设计主要难点。
三、 解决思路相位噪声分析相位噪声主要由VCO 、鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这四部分引入。
环路滤波器对于由鉴频鉴相器、分频器和输入参考信号的相位噪声这三部分引入的相位噪声具有低通特性,对于VCO产生的相位噪声具有高通特性。
锁相环 相位噪声
锁相环相位噪声锁相环是一种常用的电路技术,用于抑制信号中的相位噪声。
相位噪声是指信号中的相位变化不稳定性,它可以导致信号的频偏和抖动,影响系统的性能和稳定性。
锁相环通过比较输入信号和参考信号的相位差,然后通过反馈调节输入信号的相位,以达到消除相位噪声的目的。
在现代通信系统中,相位噪声是一个非常重要的问题。
相位噪声的存在会导致信号的频谱扩展,降低系统的信噪比,影响通信质量。
因此,研究和解决相位噪声问题对于提高通信系统的性能至关重要。
锁相环通过利用负反馈原理来消除相位噪声。
它由相位检测器、低通滤波器、电压控制振荡器和除相器等组成。
首先,相位检测器将输入信号和参考信号进行比较,产生相位误差信号。
然后,低通滤波器对相位误差信号进行滤波,得到控制电压。
接下来,电压控制振荡器根据控制电压来调节输出信号的相位。
最后,除相器将输出信号和参考信号进行比较,得到反馈信号,闭环控制系统实现了相位的稳定。
锁相环的关键是相位检测器。
常用的相位检测器有边沿检测器、比较器和混频器等。
边沿检测器通过检测信号的边沿来获得相位信息,适用于高频信号。
比较器通过比较两个信号的幅值来获得相位信息,适用于低频信号。
混频器通过将信号与参考信号相乘,然后滤波得到直流分量来获得相位信息,适用于宽频带信号。
除了相位检测器,滤波器也是锁相环中的重要组成部分。
低通滤波器的作用是滤除高频噪声,使得控制电压变化平稳。
滤波器的带宽决定了锁相环对相位噪声的抑制能力。
带宽越宽,抑制能力越强,但相应的噪声增益也会增加。
因此,在选择滤波器带宽时需要进行权衡。
锁相环的另一个关键参数是环路带宽。
环路带宽决定了锁相环的跟踪能力和响应速度。
带宽越高,跟踪能力越好,但相应的稳定性也会降低。
因此,在设计锁相环时需要根据具体应用需求来选择合适的环路带宽。
除了上述基本结构,锁相环还可以通过添加频率鉴频器、倍频器和除频器等模块来实现更复杂的功能。
例如,可以利用频率鉴频器来实现频率锁定,将输入信号的频率锁定到参考信号的频率上。
锁相环的相位噪声传递函数
锁相环的相位噪声传递函数锁相环(PLL)是一种常用的电路,用于将输入信号的相位与参考信号的相位保持一致。
相位噪声传递函数是描述锁相环中相位噪声传递的数学模型。
本文将介绍锁相环的基本原理和相位噪声传递函数,并探讨其在通信系统中的应用。
一、锁相环的基本原理锁相环由相位比较器、低通滤波器、电压控制振荡器(VCO)和分频器组成。
其基本原理是通过不断调节VCO的频率,使其输出信号的相位与参考信号的相位保持一致。
具体实现过程如下:1. 相位比较器:将输入信号和参考信号进行相位比较,产生一个误差信号。
2. 低通滤波器:对误差信号进行滤波,得到一个平滑的控制电压。
3. VCO:根据控制电压改变输出信号的频率,同时也改变其相位。
4. 分频器:将VCO的输出信号进行分频,得到参考信号。
通过不断的反馈调节,锁相环能够使VCO的输出信号与参考信号的相位保持一致,从而实现相位同步。
二、相位噪声传递函数的定义相位噪声传递函数是衡量锁相环中相位噪声传递特性的一种数学模型。
它描述了输入到输出的相位噪声传递情况,通常用频率响应函数的形式表示。
具体而言,相位噪声传递函数可以表示为:H(f) = K / (1 + jf/fc)其中,H(f)表示相位噪声传递函数,K表示增益,f表示频率,fc 表示截止频率。
三、相位噪声传递函数的分析相位噪声传递函数可以用于分析锁相环中相位噪声的特性。
从函数的形式可以看出,当频率接近截止频率时,相位噪声传递函数的值较小,说明锁相环对低频相位噪声具有较好的抑制能力。
而当频率远离截止频率时,相位噪声传递函数的值逐渐增大,说明锁相环对高频相位噪声的抑制能力较弱。
四、锁相环在通信系统中的应用锁相环在通信系统中有着广泛的应用。
其中,最常见的应用是时钟恢复和频率合成。
1. 时钟恢复:在数字通信系统中,接收端需要从接收到的信号中恢复出发送端的时钟信号。
锁相环可以通过将接收到的信号与本地时钟进行比较,并通过调节VCO的频率来实现时钟的恢复。
利用双压控晶振降低锁相环中的相位噪声赵晨
of PLL. Using double VCXO will decrease phase noise of PLL, improve the performances of whole system.
Key words: VCXO; PLL; Phase Noise
中图分类号:TP73
文献标识码:B
PLL 的实施方案可以采用全数字方式、全模拟或混合电路, 目前混合电路方案居多。
图 1 接收机方案框图
20 世纪 50 年代,伴随着电视机进入实用化进程,PLL 开始得 以广泛使用,最为代表性的为电视机中的 AFC(自动频率控制) 电路。20 世纪 70 年代民用无线电收发报机中的本振(LO)开始 广泛使用 PLL 电路,并由此开发了多种 PLL 集成电路。随着计 算机技术的进步和 PLL 电路集成化程度进一步提高,PLL 电路的 应用前景日趋广泛。例如目前 PLL 已成为现代通讯系统的基本 构建模块,为无线电接收机和发射极提供稳定可靠的 LO;也可 由于时钟信号分配和降噪;以及高速率采样模式转换(A/D)的时 钟源。
的影响,进而提升系统的性能。
关键词:VCXO;PLL;相位噪声
Abstract: Pll is a important part of modern electronic system. It’s a guarantee of whole system that improved performance
3 压控晶振的基本特性 3.1 压控晶振简介
利用调节直流电压改变主振级变容二极管的电容,从而改 变晶振输出的频率,这样的晶振称作压控晶振。晶振是目前获 得最好相位噪声的技术方案。晶振利用晶体的压电效应与振荡 电路产生谐振获得振荡电信号,经放大输出即可获得标准频率 信号。晶振的等效电路如图 3 所示,图中 R1为等效电阻,C1为动 态电容,L1 为等效电感,C0 为静态电容,Re 为晶体阻抗的电阻部 分,Jx 为晶体阻抗的电抗部分。从晶体的等效电路可知,晶体有 一个串联谐振频率 fs和并联谐振频率 fp。
低噪声锁相环设计
摘要i摘要本文设计了一个用于无线通信系统的低噪声锁相环。
分析了锁相环中的相位噪声的关系和各个噪声源对整体噪声的贡献。
这个锁相环包含了鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器。
本文所设计的压控振荡器采用Bonding线电感和2次谐波滤波器以降低其相位噪声,工作频率范围无缝覆盖1GHz到2GHz,并通过CML二分频器或者CML四分频器分频后得到250MHz到1GHz的信号。
而且,这个VCO除了环路滤波器之外还有一个调制信号接入点可以作为音频等信号的调制接口,这样这个锁相环外接一个功率放大器就可以作为发射机使用了。
另外,本文使用了一种新技术可以把环路滤波器的电容缩小到约原来的十分之一以降低成本。
然后,本文以Global Foundry 0.35um 2p3m 3V dual gate CMOS工艺设计了该锁相环电路并通过Cadence仿真验证。
最后,这个锁相环通过Global Foundry 0.35um 2p4m 3V/5V dual gate CMOS工艺MPWl流片制作并测试,测试结果基本符合设计指标。
关键词:锁相环,环路滤波器,压控振荡器,噪声,Bonding线电感ii 低噪声锁相环设计ABSTRACT iABSTRACTThis research proposes a low noise Phase Lock Loop(PLL)for wireless communication system. Analysis of output phase noise relating to various PLL system parameters and noise contribution from internal noise sources is presented.The PLL circuit includes phase frequency detector, charge pump, loop filter, voltage-controlled oscillator (VCO), and divider. In order to get a low phase noise, a Bonding wire inductor is used in the LC VCO and an external LC degeneration tank is used to filter out 2nd harmonic signal to reduce phase noise further. The work frequency of VCO is from 1GHz to 2GHz, and it is divided by CML divide-by-2 or CML divide-by-4 to get output signal from 250MHz to 1GHz. In addition, the PLL system also has an input pin which can be used to modulate VCO for external signal such as voice. Therefore, the PLL system can also be used as a transmitter with an external power amplifier (PA). Furthermore, we also use a new technique to reduce the capacitance of loop filter to one tenth to save silicon area. Then, this PLL system is designed and simulated using Global Foundry 0.35um 2p3m 3V dual gate CMOS process. At last ,the PLL system tape out in Global Foundry 0.35um 2p4m 3V/5V dual gate CMOS MPW technology, and its test results agree well with simulation results.Keyword: PLL, LPF, VCO, Noise, Bonding Wire Inductorii 低噪声锁相环设计致谢i致谢此论文得以顺利完成,首先应该感谢我的导师蔡觉平教授和孙茂友博士在这两年来对我学业上广泛的指导和生活上无微不至的照顾。
数字锁相环的相位噪声分析
电气传动2021年第51卷第11期摘要:随着信息化社会的发展,数字锁相环越发受研发人员的重视。
而相位噪声是衡量数字锁相环性能的关键技术,更是研究的重点。
介绍数字锁相环的组成结构和工作原理,建立环路各个模块的相位噪声模型,从闪烁噪声和白噪声的特性入手,定性分析相位噪声的影响因素,并针对电荷泵增益和环路滤波器阻抗对锁相环电路相位噪声的影响进行了仿真,进一步验证了分析结果,为设计高性能的数字锁相环提供理论基础。
关键词:数字锁相环;相位噪声;振荡器;电荷泵;环路滤波器中图分类号:TM28文献标识码:ADOI :10.19457/j.1001-2095.dqcd21463Analysis of Phase Noise in Digital Phase -locked Loop ZHANG Zhanrong 1,WANG Yunfei 2,QU Meixia 2,ZHAO Li 3(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering ,Ordos Vocational College ofEco-environment ,Ordos 017010,Nei Moggol ,China ;2.Basic Department ,Ordos Vocational College of Eco-environment ,Ordos 017010,Nei Moggol ,China ;3.School of Software ,Shanxi University ,Taiyuan 030013,Shanxi ,China )Abstract:With the development of information society ,digital phase-locked loop (DPLL )attracts more and more attention of researchers.As the key technology to evaluate the performance of DPLL ,phase noise becomes the key point of the study.The structure and work principle of DPLL were introduced ,the phase noise model of each module of the loop was established.Starting from the characteristics of flicker noise and white noise ,the influence factors of phase noise were analyzed qualitatively ,and the influence of charge pump gain and loop filter impedance on phase noise of PLL circuit was simulated to further verify the analysis results.The theoretical basis was provided for improving the phase noise performance of DPLL.Key words:digital phase-locked loop (DPLL );phase noise ;oscillator ;charge pump ;loop filter基金项目:山西省科技厅基础研究计划项目—青年科技研究基金(2014021039-6)作者简介:张占荣(1969—),男,本科,副教授,Email :131****************数字锁相环的相位噪声分析张占荣1,王云飞2,屈美霞2,赵丽3(1.鄂尔多斯生态环境职业学院机电工程系,内蒙古鄂尔多斯017010;2.鄂尔多斯生态环境职业学院基础部,内蒙古鄂尔多斯017010;3.山西大学软件学院,山西太原030013)现代频率源一般是由直接频率合成、间接频率合成和直接数字频率合成这三种合成技术实现的[1]。
锁相环近端相位噪声
锁相环近端相位噪声锁相环近端相位噪声是现代通信和信号处理领域中一个重要的概念。
在本文中,我们将深入研究锁相环近端相位噪声的定义、原因,以及其对系统性能的影响。
通过从简到繁的方式,逐步展开论述,希望能给读者带来全面、深刻和灵活的理解。
1. 什么是锁相环近端相位噪声锁相环近端相位噪声是指在锁相环内部产生的相位抖动。
在锁相环中,相位噪声是由多种因素产生的,如参考源、振荡器、放大器等。
近端相位噪声可以通过衡量锁相环输出信号的相位变化来评估,通常以分贝(dBc)为单位表示。
2. 锁相环近端相位噪声的原因锁相环近端相位噪声的主要原因可以归结为以下几点:- 振荡器的噪声:振荡器是锁相环中最重要的组成部分之一,其本身的噪声会对系统性能产生较大影响。
振荡器的噪声主要由两方面因素决定,即抖动和频率噪声。
- 参考源的不稳定性:锁相环的性能主要取决于参考源的稳定性。
如果参考源的相位不稳定,将会导致锁相环输出的相位抖动。
- 放大器的噪声:放大器在信号处理过程中发挥着重要的作用,然而放大器本身也会引入噪声,这些噪声会增加锁相环近端相位噪声的水平。
3. 锁相环近端相位噪声对系统性能的影响锁相环近端相位噪声对于系统的性能有着重要的影响。
它会显著降低系统的信号质量、容易引发震荡,同时还会增加系统的位错误率。
锁相环近端相位噪声还可能导致时钟抖动、时钟漂移等问题,特别是在高精度的通信和信号处理系统中,这种影响更为显著。
4. 个人观点和理解在我看来,锁相环近端相位噪声是一个令人头疼的问题。
虽然锁相环本身是一种非常强大的技术,可以用来抑制相位噪声和频率噪声,提高系统性能,但近端相位噪声的存在限制了其应用范围。
研究如何减小锁相环近端相位噪声,提高系统稳定性和性能是非常重要的。
为了应对锁相环近端相位噪声带来的挑战,我认为我们应该采取以下几个方面的策略:- 加强振荡器的设计和优化,提高其抗噪声能力和稳定性;- 优化参考源的设计,减小相位抖动;- 采用低噪声放大器,降低放大器引入的噪声水平;- 引入噪声补偿技术,抵消近端相位噪声的影响;- 进一步研究和开发新的锁相环结构和算法,以提高系统的稳定性和性能。
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The Research of Noise in The PLLLU Shiqiang , YANG Guoyu( School of the Microwave engineering ,UESTC ChengDu 610054 China ) Absract This articles introducs the basic concepts and the phase noise in phase-locked loops (PLLs). It focus on a detailed examination of two critical specifications associated with PLLs : phase noise and reference spurs. What causes them and how can they be minimized? Also it inculdes an example .Key words :PLL ; Phase Noise ; Oscillator1 . The Basic Theory of the PLLA phase-locked loop is a feedback system combining a voltage controlled oscillator and a phase comparator so connected that the oscillator maintains a constant phase angle relative to a reference signal. Phase-locked loops can be used, for example, to generate stable output frequency signals from a fixed low-frequency signal . The phase locked loop can be analyzed in general as a negative feedback system with a forward gain term and a feedback term. .A simple block diagram of a voltage-based negative-feedback system is shown in Figure 1.Figure 1. Standard negative-feedback control system model In a phase-locked loop, the error signal from the phase comparator is proportional to the relative phase of the input and feedback signals. The average output of the phase detector will be constant when the input and feedback signals are the same frequency. The usual equations for a negative-feedback system apply.Forward Gain = G(s), [s = jw = j2pif]Loop Gain = G(s) H(s)Closed Loop Gain = G(s)/[1+G(s)H(s)]Because of the integration in the loop, at low frequencies the steady state gain, G(s) is very high and VO/VI, Closed-Loop Gain =1/ H and Fo=NF REF. .The components of a PLL that contribute to the loop gain include :1. The phase detector (PD) and charge pump (CP).2. The loop filter, with a transfer function of Z(s)3. The voltage-controlled oscillator (VCO), with a sensitivity of KV /s4. The feedback divider, 1/NFigure 2 Basic phase-locked-loop modelThe following equations have be developed for the the error signal, Error Detector e(s)=ΦREF –Φ0/N , de(s)/dt=F REF –F0/NWhen e(s) =constant, F0/N = F REFThus F0 / N = F REF .In commercial PLLs , the phase detector and charge pump together form the error detector block. When F0/N≠F REF, the error detector will output source/sink current pulses to the low-pass loop filter. This smooths the current pulses into a voltage which in turn drives the VCO. The charge pump and VCO thus serves as an integrator , seeking to increase or decrease its output frequency to the value required so as to restore its input (from the phase detector) to zero.The loop filter is a low-pass type, typically with one pole and one zero. The transient response of the loop depends on:1. the magnitude of the pole/zero,2. the charge pump magnitude,3. the VCO sensitivity,4. the feedback factor, N.In addition, the filter must be designed to be stable (usually a phase margin of pi/4 is recommended).The 3-dB cutoff frequency of the response is usually called the loop bandwidth, BW. Large loop bandwidths result in very fast transient response . However, this is not always advantageous, and there is a tradeoff between fast transient response and reference spur attenuation.2. Noise in the OsillatorBefore we look at phase noise in a PLL system, it is worth considering the phase noise in a voltage-controlled oscillator (VCO).2.1 Noise in Oscillator SystemsIn any oscillator design, frequency stability is of critical importance. We are interested in both long-term and short-term stability. Long-term frequency stability is concerned with how the output signal varies over a long period of time (hours, days or months). It is usually specified as the ratio, Df/f for a given period of time, expressed as a percentage or in dB. Short-term stability, on the other hand, is concerned with variations that occur over a period of seconds or less.These variations can be random or periodic. A spectrum analyzer can be used to examine the short-term stability of a signal. Figure 1 shows a typical spectrum, with random and discrete frequency components causing a broad skirt and spurious peaks.Figure 1 Short-term stability in oscillatorsThe discrete spurious components could be caused by known clock frequencies in the signal source, power line interference, and mixer products. The broadening caused by random noise fluctuation is due to phase noise. It can be the result of thermal noise, shot noise and/or flicker noise in active and passive devices.2.2 Phase noise in VCO (Voltage Control Oscillator )Figure 2 Phase representation of phase noiseA signal of angular velocity w0 and peak amplitude VSPK is shown. Superimposed on this is an error signal of angular velocity wm. Dqrms represents the rms value of the phase fluctuations and is expressed in rms degrees. In many radio systems, an overall integrated phase error specification must be met. This overall phase error is made up of the PLL phase error, the modulator phase error and the phase error due to base band components. In GSM, for example, the total allowed is 5 degrees rms.Leeson’s EquationLeeson developed an equation to describe the different noise components in a VCO.where:LPM is single-sideband phase noise density (dBc/Hz)F is the device noise factor at operating power level A (linear)k is Boltzmann’s constant, 1.38E-23 J/KT is temperature (K)A is oscillator output power (W)Q l is loaded Q (dimensionless)f0 is the oscillator carrier frequencyf m is the frequency offset from the carrierFor Leeson’s equation to be valid, the following must be true:1.fm, the offset frequency from the carrier, is greater than the 1/f flicker corner frequency;2.the noise factor at the operating power level is known;3.the device operation is linear;4.Q includes the effects of component losses, device loading and buffer loading;Figure 3 Phase noise in a VCO vs frequency offsetLeeson’s equation only applies in the knee region between the break (f1) to the transition from the “1/f ” (more generally 1/fg ) flicker noise frequency to a frequency beyond which amplified white noise dominates (f2). This is shown in Figure 3 [g = 3]. f1 should be as low as possible; typically, it is less than 1 kHz, while f2 is in the region of a few MHz. High-performance oscillators require devices specially selected for low 1/f transition frequency. Some guidelines to minimizing the phase noise in VCOs are:1. Keep the tuning voltage of the varactor sufficiently high (typically between 3 and 3.8 V)2. Use filtering on the dc voltage supply.3. Keep the inductor Q as high as possible. Typical off-the-shelf coils provide a Q of between50 and 60.4. Choose an active device that has minimal noise figure as well as low flicker frequency.The flicker noise can be reduced by the use of feedback elements.5. Most active device exhibit a broad U-shaped noise-figure-vs.-bias-current curve. Use thisinformation to choose the optimal operating bias current for the device.6. Maximize the average power at the tank circuit output.7. When buffering the VCO, use devices with the lowest possible noise figure.3 . Phase noise of the VCO in the PLLHaving looked at phase noise in a free-running VCO and considered how it can be minimized, we will now consider the effect of closing the loop on phase noise.Figure4 PLL-phase-noise contributors in the PLLThe system transfer function may be described by the following equations.Closed Loop Gain = G/(1+GH) ;G= [ K d K v Z(s)] / s ;H= 1/N 。