低噪聲、集成的VCO/PLL RF合成器滿足了無線基礎(chǔ)設(shè)施的需求(圖)

無線通信應(yīng)用中的合成器
在無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為混頻器與調(diào)制解調(diào)器生成本地振蕩器(LO)時(shí)鐘的合成器是決定系統(tǒng)性能高低的關(guān)鍵組件。其會直接降低系統(tǒng)性能裕量，進(jìn)而影響接收機(jī)的靈敏度、發(fā)送器的誤差矢量幅度(EVM)以及信號頻譜屬性。采用外差（雙轉(zhuǎn)換）分集成接收機(jī)與直接轉(zhuǎn)換發(fā)送器的無線收發(fā)器是一種常見的應(yīng)用配置（見圖1）。

圖1 無線基站收發(fā)器

影響系統(tǒng)性能的合成器參數(shù)
為了闡明合成器對系統(tǒng)性能的影響，可先來看看接收機(jī)的實(shí)施方案。底層標(biāo)準(zhǔn)（如適用于GSM的3GPP標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定了接收機(jī)的靈敏度以及有關(guān)干擾信號所需的容差。干擾信號通常是移動(dòng)手持終端或基站采用其他頻率轉(zhuǎn)發(fā)的，其功率可能要比接收機(jī)需要接收的信號高很多。在降頻轉(zhuǎn)換混頻器中，其所需信號將與LO信號混合，以生成有用的中頻(IF)信號。這時(shí)，干擾信號也可能會與LO的相位噪聲和寄生信號混合在一起，從而造成對信號頻率的干擾，進(jìn)而有效降低信噪比。通過查看標(biāo)準(zhǔn)的合成器實(shí)施方案，就可以了解上述失真的因果關(guān)系。

在如圖2所示的整數(shù)N鎖相環(huán)(PLL)合成器實(shí)施方案中，對低參考輸入頻率fref與高頻VCO的輸出頻率fVCO作了比較，該工作可在相頻檢測器(PFD)中進(jìn)行。為匹配相關(guān)頻率，可將輸入頻率及VCO頻率分別除以R和N，這樣就能在PFD中獲得比較頻率fPFD。PFD將對輸入頻率除以R和VCO頻率除以N所得出的值進(jìn)行比較，并生成控制信號，以增加或減少VCO頻率，直至PFD電路的兩個(gè)輸入頻率相等為止。這時(shí)，PLL就被鎖定了。

圖2 具有整數(shù)N PLL和外部VCO的合合器

合成器相位噪聲
在理想情況下，LO合成器只生成一個(gè)離散頻率。但實(shí)際情況并非如此，合成器輸出頻譜還會受到寬帶噪聲（即相位噪聲）的影響。

對合成器輸出頻譜產(chǎn)生影響的噪聲源有如下幾種：VCO本身產(chǎn)生的相位噪聲、PLL分頻器產(chǎn)生的噪聲以及環(huán)路濾波器組件產(chǎn)生的噪聲等。由于PLL電路系統(tǒng)具有過濾特性，尤其是受濾波器環(huán)路中的（低通）環(huán)路濾波器的影響，帶寬噪聲將來自PLL，而環(huán)路帶寬外部噪聲則主要來自VCO相位噪聲。

接收機(jī)的降頻轉(zhuǎn)換混合器LO處的相位噪聲會使?jié)撛诘母蓴_信號與寬帶相位噪聲混合，從而在混頻器輸出端對信號頻率產(chǎn)生干擾。由于干擾信號的功率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有用信號功率，因此，IF降頻轉(zhuǎn)換以后可能會屏蔽有用信號。

合成器寄生信號
如果PLL鎖定，PFD在理論上不會輸出任何控制信號以改變VCO頻率。但實(shí)際上，它會生成許多頻率與fPFD相同且波長較短的交流脈沖信號，平均起來應(yīng)該能使VCO保持恒定的輸出頻率。如果交流脈沖不是完全匹配的，則會在合成器輸出端產(chǎn)生離散寄生信號，并與中心頻率發(fā)生偏移，其偏移量為fPFD的數(shù)倍。帶整數(shù)N PLL的fPFD通常需要對應(yīng)系統(tǒng)的通道頻率間隔（如就GSM而言為200kHz），這會使寄生信號與有用信號發(fā)生混頻。同時(shí)，還有可能產(chǎn)生干擾信號。寄生信號與干擾信號在接收機(jī)中混合，這又會在IF降頻轉(zhuǎn)換后對信號產(chǎn)生干擾。就發(fā)送器而言，所需信號與寄生信號相混合，就會對其他頻率產(chǎn)生干擾，也就不能滿足輸出頻譜調(diào)制掩膜(modulation mask)的要求。

系統(tǒng)要求
如前所述，相位噪聲及寄生信號與有用信號或干擾信號混頻后，都會對信號通道造成干擾，從而顯著降低信噪比，并最終影響到接收機(jī)的靈敏度。為了確保GSM系統(tǒng)正確運(yùn)行，必須滿足3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定的如下相關(guān)要求：
● 接收機(jī)參考靈敏度

● 阻塞特性

● 干擾信號比（載波與干擾信號之比）與互調(diào)

基于上述標(biāo)準(zhǔn)要求，就能給接收合成器制定相關(guān)規(guī)范了。對相位噪聲而言，假定所需信號電平為-101dBm，載波干擾信號比為9dB，從而得出下面的要求。
集成寬帶噪聲要求結(jié)合了200kHz通道頻率間隔（通道帶寬）情況下相位噪聲與寄生信號的影響，因?yàn)槎邔邮諜C(jī)靈敏度的影響很類似。而對發(fā)送器來說，情況則有所不同，要明確寬帶噪聲及調(diào)制掩膜造成的影響，以避免發(fā)送通道干擾其他基站相鄰?fù)ǖ赖墓ぷ鳌?/p>

傳統(tǒng)實(shí)施方法與集成解決方案
滿足GSM系統(tǒng)的相位噪聲與寄生信號要求一直都是一個(gè)難題，必須認(rèn)真優(yōu)化構(gòu)成合成器的VCO、PLL及環(huán)路濾波器。獨(dú)立VCO的實(shí)施方案通常是通過激光微調(diào)來提高頻率精確度，并配合高性能整數(shù)N PLL（如TI的TRF3750），這樣就能設(shè)計(jì)出符合嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求的合成器。

為了縮減板級空間，節(jié)約成本并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，集成VCO/PLL合成器在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)被人們廣泛采用。目前，它已幾乎成了手持終端實(shí)施方案的標(biāo)準(zhǔn)要求。不過，無線基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的要求非常嚴(yán)格，而GSM的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求更具挑戰(zhàn)性。因此，長期以來還難以在基站中實(shí)施上述技術(shù)理念。最近，集成器件性能不斷提高，這使得在基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中采用集成器件成為可能。N VCO/PLL TRF3761是該新型高性能集成VCO/PLL產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品，是一款與片上VCO全面集成的整數(shù)N PLL（見圖3）。此外，其內(nèi)置的輸出分頻器還能在1/2及1/4的VCO頻率下工作，從而擴(kuò)大了工作范圍。環(huán)路濾波器是少數(shù)幾個(gè)需要組合成一個(gè)完整合成器的外部組件之一，其在優(yōu)化整體合成器性能方面實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。

圖3 集成VCO/PLL合成器的功能結(jié)構(gòu)圖

如前所述，相位噪聲及寄生信號是關(guān)鍵的性能參數(shù)。為了檢驗(yàn)器件性能，我們應(yīng)認(rèn)真分析相位噪聲圖，其中包括當(dāng)fVCO設(shè)為1800MHz時(shí)合成器的寄生信號圖。此時(shí)，環(huán)路濾波器的頻率為15kHz，器件參考輸入頻率為10MHz時(shí)，該器件的PFD工作頻率將為200kHz。