800 mhz射频频率合成器的设计及相位噪声性能分析 |
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800 MHz射频频率合成器的设计及相位噪声性能分析许林健，陈雅琴，冯正和 (清华大学 电子工程系，北京 100084)
摘 要：介绍了3.5 GHz宽带无线固定接入系统射频接收机中800 MHz频率合成器的设计，讨论了环路滤波器以及压控振荡器等环路部件对频率合成器输出信号相位噪声性能的影响，提出了低相位噪声频率合成器的设计方法。最后结合实际系统分析了本振信号相位噪声对基带接收机16QAM解调误码性能的影响，并给出计算机仿真的结果。
关键词：宽带无线接入系统；射频接收机；频率合成器；相位噪声；锁相环；压控振荡器；QAM Design and Phase Noise Performance Analysis of an 800MHz
RF Frequency Synthesizer XU Lin-jian, CHEN Ya-qin, FENG Zheng-he (Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：The design of an 800MHz RF(Radio Frequency) Synthesizer for 3.5GHz wireless fixed access system is presented. The effect of loop components such as loop filter and VCO(Voltage Controlled Oscillator) on the performance of synthesizer phase noise is discussed. The technique for low phase noise synthesizer design is also presented. The effect of local oscillator phase noise on the performance of digital transmission employing 16QAM in practical system is investigated, and the numerical result of simulation is presented.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Broad band wireless fixed access system; RF receiver; Frequency synthesizer; Phase noise; PLL；VCO；QAM
一、引言
3.5 GHz高速宽带无线接入系统采用TDMA多址技术和FDD双工技术，通过点到多点的无线通信方式为分布在不同地理位置的用户提供多种业务，尤其是视频及多媒体业务的接入。整个系统包括基站（中心站）设备和用户站（外围站）设备， 中心站工作在3.5 GHz频率上，用户站则工作在3.4 GHz频率上。其中中心站与用户站之间下行通信传输采用16QAM数字调制方式，数据传输效率高。3.5 GHz宽带无线接入系统射频接收机采用二次变频超外差式接收机结构，第二本振采用锁相频率合成器，工作频率为850~890 MHz，主要完成下变频和波道选择功能。本振的相位噪声通常会影响到接收机邻道选择性能，带外噪声会恶化接收机的灵敏度［1］，相位噪声通常会影响相位调制的数字通信系统的解调性能。因此为满足通信系统误码率要求，低相位噪声的设计是非常重要的。本文将讨论这个频率合成器的设计并分析其相位噪声性能。 二、射频频率合成器的设计
1.系统结构
图1给出了800 MHz频率合成器的系统框图，它由一个800 MHz的压控振荡器(VCO)、隔离放大器(BUFFER)、内含分频器和鉴相器的频率合成器芯片MC145193、运放构成的3阶有源低通环路滤波器、8 MHz晶体参考源以及MCU控制电路组成。MC145193是一款可以工作在1.1GHz频率上、具有双模分频器和鉴相器的频率合成器芯片，并且支持同步串行接口，可以使用外部微处理器来配置其内部的R、N、A计数器,它与外接的低通滤波器和VCO构成一个基本的锁相频率合成器。在本系统中单片机AT89C2051通过3个输出IO端口模拟串行接口(SPI)配置MC145193内部计数寄存器，从而获得需要的输出振荡频率。8 MHz的石英晶体振荡器作为MC145193的外部的参考频率源。 2. 压控振荡器的设计
在锁相频率合成器中，压控振荡器的相位噪声是影响信号频谱纯净度的重要因素。800 MHz频率合成器中压控振荡器的原理图如图2所示，采用的是变容二极管的克拉泼振荡电路，这类LC自由振荡电路的相位噪声表达式为［2，3］
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式中F为晶体管的噪声系数，K为波尔兹曼常量，T为工作温度，Ps为振荡信号功率，ω0为振荡信号频率，QL为谐振回路的有载品质因数，Δω1/f3为Δω-2区域和Δω-3区域的拐角频率。
从式(1)看出，选择噪声系数小的放大管以及增加谐振回路有载Q值都可以降低相位噪声，本频率合成器中采用高Q值（>400）的介质谐振腔代替电感以获得良好的相位噪声性能。 3. 频率合成器相位噪声
锁相频率合成器的噪声模型由图3描述，在此模型中考虑了分频器、参考源、VCO、环路滤波器以及鉴相器引入的相位噪声，其噪声功率谱分别在图中相应的位置标出。根据模型可以推导出参考源和分频器的噪声对输出相位噪声贡献为
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其中，GH(jf)为环路的开环响应，N为VCO的分频比，R为参考源的分频比，Kpd为鉴相增益(V/rad)，Kvco为VCO的灵敏度(rad/s/V)，而VCO、鉴相器以及低通滤波器的噪声对输出相位噪声贡献为
使这两部分噪声之和最小，得到最优的相位噪声，即
为了获得优化的低相位噪声，环路滤波器的设计成为关键。本系统采用图4所示的三阶有源滤波器，用来改善环路的瞬态特性并抑制输出频谱中的参考源杂散。开环传输函数表达式为
为了保证频率合成器系统的稳定，开环的相位裕度需要在60°左右才能获得较好的性能，因为过小的相位裕度使闭环传输函数呈现过冲因而恶化频率合成器的带内噪声［3］。环路对参考源、低通滤波器、分频器和鉴相器的相位噪声呈现低通特性，而对VCO噪声为高通特性。通常参考源的相位噪声很小，VCO噪声在带外占主要地位，因此环路带宽的选择应该考虑到环路锁定时间、相位噪声、稳定性以及参考源杂散的抑制。适当加宽环路滤波器带宽能够改善相位噪声性能,另外还可以加快环路锁定时间。实际应用中环路的带宽可以选择为鉴相频率的10%，此时根据环路的带宽和相位裕度便可计算三阶环路的各个参数：
式中φm为环路的相位裕度，ωu为单位增益带宽，Atten为Rp,Cp构成的低通滤波对鉴相频率fref杂散的衰减(dB)，ωc为修正后的环路单位增益带宽值。
根据(6)式的各个时间常数可以计算滤波器中电阻和电容的值。 三、相位噪声对16QAM解调的影响
本文所设计的频率合成器用作3.5 GHz宽带无线接入系统射频接收机的本振，本振的相位噪声经过混频器混频后进入信号通道，因而会影响到采用相位调制的数字基带信号的解调。相位噪声在时域上表现为相位抖动［4］，其概率密度分布可以假设为高斯分布，根据(1)式给出的VCO相位噪声模型，考虑宽带VCO经环路滤波后的f-2滚降部分，近端噪声由于环路的衰减以及环路中器件1/f噪声的影响，可以在一段带宽内近似为平坦曲线。为了简化推导，设其功率谱密度为低通特性：
其中S0(dBc/Hz)为平坦处噪声相对载波功率电平，Bφ为低通频谱的3dB带宽。
根据上式可以得到低通频谱的相位噪声在时域上表现为相位抖动的均方根值：
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相位误差的概率密度分布函数为高斯分布：
而QAM系统的误码率可以表示为［5］
其中Pb(r|θ)为解调信号在本振相位误差θ下的条件误码率，由下式得到:
(11)式使用联合界的方法得到误码率上限值，其中假设了星座上所有的点是等概率而且使用了格雷码，每个符号错误仅仅导致1 个比特的误码。其中m为每个符号的比特数，对于16QAM来说，m=4。n为I或者Q路信号矢量数，k为判决的边界数目，Eb/N0为单位比特的平均信号能量与噪声的双边功率谱密度比。
为信号矢量到判决边界的距离，如图5所示。
基于(10)式，仿真得到在不同的φrms情况下16QAM误码率与Eb/N0之间的关系图(图6)。图6中给出φrms为1°~3°时16-QAM的误码曲线与理想误码曲线的对比，1°相位抖动对16QAM的解调影响不是很大，φrms=3°时误码性能恶化非常严重。
在3.5 GHz宽带无线接入系统中，为在接收机动态范围内实现良好的误码性能，带内相位噪声指标要求φrms≤1°，根据(8)式算得在10 kHz处相位噪声指标为-82dBc/Hz。根据第2节设计的本振相位噪声在10kHz处为-95 dBc/Hz，在50 kHz处为-125 dBc/Hz，满足系统指标要求。测试结果表明，整个3.5 GHz宽带无线接入系统能够实现低误码率传输的数据与视频点播业务。 四、结论
本文介绍了宽带无线接入系统中800 MHz射频频率合成器的设计，包括低相位噪声VCO和环路滤波器的设计。讨论了环路对频率合成器的相位噪声性能影响，分析并仿真了本振相位噪声对16QAM通信系统解调性能的影响。系统联机测试结果表明，基于以上分析设计的频率合成器，应用于3.5 GHz宽带接入系统中能够实现16QAM低误码率的数据和多媒体通信。本文的分析方法对设计无线通信应用中的低相位噪声射频VCO和频率合成器有重要的指导意义。 参考文献 ［1］ P Vizmuller. RF design guide : systems, circuits, and equations［M］. Artech House, 1995.5~26.
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