一种改善小步进尾数调制杂散的技术分析

车升余 陈焕东

摘   要：文章介紹了小数分频技术中的尾数调制杂散，并对其产生的机理进行了分析研究。通过参考支路和回馈支路增加定向耦合器、放大器及衰减器的基础上，给出了改进尾数调制的方法。从测试结果看，改进后的小数分频电路，尾数调制几乎不可见，效果明显。

关键词：尾数调制;杂散分析;频率综合器;DDS;反向隔离

频综作为变频器的核心组成模块之一，已有60多年的发展历史，各种频率综合技术层出不穷。其中，小数分频由于输出的分辨率可以降至鉴频鉴相器（Phase Frequency Detector，PFD）频率的一小部分，解析度较高而被广泛应用。在小步进的频率综合器中，由于存在尾数调制的天然缺陷，使得杂散较高。

分析小步进尾数调制杂散产生的机理和解决方法，并总结出普遍规律，对设计低相位噪声和低杂散信号的频率合成器有重要意义。

1    原理分析

所谓小步进尾数调制杂散是出现在输出频率两边，频偏与输出频率和鉴相频率整数倍之差，成整数倍关系的杂散。假定频综输出为8 599.998 MHz，鉴相频率为50 MHz，此时，小步进尾数调制杂散出现在2 kHz整数倍的频偏处，例如Δ=±2 kHz，Δ=±28 kHz等。小步进尾数调制杂散一旦落入环路带宽内，将被锁相环倍频放大[1]。

频综采用方案如图1所示。方案采用三环频率合成，其中，直接数字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）输出频率范围为50～100 MHz。由于A通道隔离度有限，DDS的信号将窜入偏置（Offset，OS）环的参考输入。当DDS输出信号频率的整数倍在参考源信号频率附近时，尤其频偏小于OS环环路带宽的时候，DDS信号将成为一个杂散从参考通道进入到OS环，参与锁相，如果OS环的分频比为N，该杂散将恶化20logN，且调制到主谱的两边。这种杂散符合小步进尾数调制杂散的出现规律，是一种最主要的产生机理。

此外，在通道B中，频综输出信号fvco和OS环信号fos间差频和参考源之间的交调产物也会落在参考源信号附近，也会造成杂散[2]。

同样，DDS输出信号也会在时钟锁相环（Phase Locking Loop，PLL）内形成杂散，但由于合成环分频比极低，造成的杂散非常小，可以不考虑。

2    解决方案

分别在A和B通道增加反向隔离，如图2所示。A通道增加一个定向耦合器和一个放大器，放大器反向隔离度大于15 dB，定向耦合器反向隔离度大于20 dB，因此，A通道对于DDS信号的反向隔离度大于35 dB。B通道增加一个放大器和两个衰减器，采用先衰减再放大再衰减的方案，B通道对于压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）信号的反向隔离度也大于35 dB，这样就可以有效地阻止DDS信号和VCO信号进入OS环[3]。

此外，采用EMI滤波器对供电和输入输出（Input/ Output，I/O）控制线都进行隔离，避免DDS信号从供电和I/O控制线窜扰。每个环路从空间布局上都要做合理的设计，以达到屏蔽的目的[4-5]。

3    测试结果

当输出8 599.998 MHz信号，这时DDS输出信号为99.999 MHz，小步进尾数调制杂散改善前后效果如图3所示。

相噪测试结果如图4所示，远好于卫星通信对相位噪声的要求[6]。

4    结语

小步进尾数调制杂散的成功解决标志着高性能频综研制又迈出及其重要的一步，对完善变频器产品种类有非常重要的意义。从测试结果来看，目前的技术水平可实现频率最高30 GHz，带宽超过2 GHz的频率覆盖，指标都可以满足卫星通信要求。

[参考文献]

[1]胡丽格，杨志国，闵洁.一种L波段的小步进频率合成器[J].无线电工程，2007（6）：60-61.

[2]陈焕东，牛旭，刘立青.一种基于偏移源的频率合成技术分析[J].无线电工程，2012（5）：16-17.

[3]杨志国.脉冲锁相技术及其应用[J].无线电通信技术，2002（4）：47-48.

[4]陈焕东.宽带频率合成技术研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[5]ULRICH L，ROHDE A，KUMAR P.VCSO technology silences synthesizers[J].Microwaves&RF Magazine，2011（9）：3-5.

[6]赖益.3～16 GHz宽覆盖频率合成器的研制[D].成都：电子科技大学，2010.

A technical analysis of improving small step fractional mantissa modulation spurious

Che Shengyu1， Chen Huandong2

（1.The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China;

2.Sansha Guohai Xintong Technology Development Co.， Ltd， Haikou 573199， China）

Abstract：This paper introduces the mantissa modulation in fractional frequency division technology. Its mechanism was analyzed and studied. By adding directional couplers， amplifiers and attenuators to the reference and branches， a method to improve mantissa modulation is presented. From the test results， the improved fractional frequency division circuit， mantissa modulation is almost invisible， the effect is obvious.

Key words：mantissa modulation;spurious analysis;frequency synthesizer;reverse isolation; DDS