毫米波频率合成方式的若干基本方式浅析

谢潇

摘 要 本文首先针对毫米波频率源的性能指标展开必要的分析，而后进一步在此基础之上，面向频率合成的几个主要基本方式加以讨论。

关键词 毫米波;频率;合成;方式

当前无线通信领域相关技术不断发展，直接给频谱资源带来压力。多种新型技术工作频率不断提升，已经进入到毫米波的频段之中，在这样的技术背景推动之下，相应的频率源等都会随之做出调整。但是不容忽视的一个问题，是毫米波频率与射频频率和微波低段频率的特性差别较大，在合成技术方面无法实现自动适应，相应的性能和指标等细节也存在差异。这就在明确考察指标的基础之上，对毫米波频率合成方案进行考察，才能为其加强应用提供坚实基础。

1频率源的性能指标分析

频率源的性能指标，在一定程度上是依赖于其应用环境的，不同的应用环境，对于性能会提出不同的要求。但同时，一个频率源的指标是包括多个细节项的，这些细节项之间存在短板特征，即某一个指标的不达标，会造成系统整体运行水平不佳。在这样的背景之下，可以重点从如下几个方面加强对于毫米波频率源指标的落实。虽然不同应用环境对于指标的要求可能存在差异，但是仍然可以作为重要参考。

（1）频率范围：即系统需要明确输出频率的最小和最大值，这是衡量一个频率源稳定性的根基所在。

（2）频率步进：这是用于标记两个单点输出频率之间最小频率间隔的指标。对于目前商用的PLL芯片而言，其步进取决于小数分频的寄存器位数和鉴相频率。而对于DDS频率步进来说，则主要受到参考时钟频率和相位累加器位数的影响，与PLL相比，DDS的步进范围要小得多。

（3）调频时间：即所输出的两个单点频率之间的过渡时间间隔。将PLL和DDS二者进行对比，就可以发现DDS具有显著优势。目前PLL的调频时间要依赖环路锁定时间而确定，其迭代特征明显，所以对应的需要时间也比较长，多保持在us数量级范围内。而DDS则依赖时钟频率和相位累加器的位数来确定调频时间，因此其对应的时间保持在ns数量级水平。

（4）输出功率：该参数用以规定频率源输出功率的最小值，从而保证能够满足系统运行要求。除此以外，系统指标通常也会对输出功率的抖动作出规定，要求其保持相对的平稳状态。

（5）杂散以及谐波：其中前者是指信号输出频率近端的干扰信号，而后者则是指输出频率的数倍频率处的干扰信号。使用滤波器可以有效地将谐波信号进行滤除，但是对于杂散信号，由于其存在于输出频率附近，因此难以有效用滤波器剔除，通常会考虑采用调整频率规划，以及优化电路结构的方式才能实现控制。在PLL系统中，参考杂散比较常见，由电荷泵源的电流泄露和失配而产生，可以通过提升鉴相频率、减小输出频率与鉴相频率的余数等方式来实现控制。而在DDS系统中，源于参考时钟的杂散，以及相位截断杂散和相位幅度转换杂散比较常见，除此以外，包括数模转换器和系统内部数字信号也同样会带来杂散信号。对于此类问题，大多需要通过增大输入时钟频率，或者使用输出频率的低频段等手段进行优化。

（6）相位噪声：从根本上看，这个概念是信号在频域上的一种度量，多表现为时钟抖动。对于PLL系统而言，其相位噪声多源于参考信号、鉴相器、压控振荡器和电荷泵等几个方面，而DDS系统中，这一方面的问题则源于参考时钟和数模转换器两个方面。相比之下，DDS系统更能实现对于相位噪声问题的优化[1]。

2频率合成的基本方式浅议

在对相关指标实现了了解的基础之上，进一步可以对混合频率合成的基本方式加强剖析。传统的单纯对信号进行简单运算操作就进行输出的方式，在当前已经不再适用，PLL和DDS成为新的基本工作单元。就技术发展状况而言，常见的混合模式包括如下几种：

2.1 环内混频式合成

此种方式是将混频器放在PLL环内，使VCO与DDS二者的輸出频率进行混频，从而在合成器输出中引入DDS频率，使合成器能够以相对较小的频率步进运行，达到优化PLL步进的整体目标。其输出频率参见式（1）。

此种合成方式，环路变频时间由DDS控制，本身就是一种对于PLL调频时间的优化。但是此种合成结构对于环内带通滤波器的要求比较高，必须引起注意。

2.2 环外混频式合成

此种合成方式是将混频器放置于PLL环外，让VCO输出频率与DDS输出频率实现混频输出。此种方式与环内方式相似，其步进和变频时间均由DDS进行确定。其输出频率与环内混频方案保持一致。

并且此种结构对于环外BPF要求同样较高。而杂散和噪声，也会因为DDS而直接叠加在输出信号中，并无法通过环内滤波器的参与而实现有效剔除。因此此种方案的噪声，是DDS和PLL双方的叠加，相对而言比较严重。

2.3 环内分频式合成

这是将DDS直接作为环内分频器进行使用的工作方式，其输出频率参见式（2）。

在式（2）中，将DDS的相位累加器位数定义为N，其频率控制字用K表示，则DDS可以实现对于频率步进的控制，并且使得PLL的频率步进得到优化。对于此种方案而言，PLL的输出频率会受到DDS的制约，并且DDS的输出噪声和杂散也会浸入到PLL体系之中。总体来说，环路带宽外的噪声会有所改善，但是带宽内的噪声却会恶化。

2.4 直接激励式合成

此种合成方案，是将DDS作为PLL的参考源加以使用，对应的输出频率参见式（3）。

式（3）中，频率步进问题由DDS和PLL两个方面共同实现控制，这种状态是对于DDS优质步进的一个抑制，但是如果将此种方式的步进与PLL进行对比，则可以发现仍然存在优胜之处。此种方案的调频时间由PLL确定，环路带宽外的噪声和杂散等问题，可以通过滤波器进行改善，而对于环路带宽内的噪声和杂散等问题，则会经过PLL倍增到输出信号[2]。

3结束语

实际工作中，为了适应具体的需求，还需要依据情况来对不同的方案合理取舍，优化设计，才能充分利用DDS和PLL二者的优势，产出更为合理高效的频率合成方案。

参考文献

[1] 胥鑫.微波毫米波雷达频率源关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2015.

[2] 詹铭周.小型毫米波频率合成技术研究[D].成都：电子科技大学，2011.