论文总字数：17438字

目 录

摘要 4

Abstract 5

1 频率合成器 6

1.1频率合成器的基本概念及其发展过程 6

1.2频率合成器的现状 6

1.3频率合成器的主要性能指标 7

2 锁相环路电路 9

2.1锁相环路的基本特性 9

2.2 锁相环路的基本结构与数字模型 9

2.2.1鉴相器 10

2.2.2环路滤波器 10

2.2.4锁相环路的相位模型 13

2.3锁相环的工作原理 14

2.3.1锁相环的基本工作过程 14

2.3.2锁相环的工作状态 14

3 分数杂散抑制方法的研究与比较 15

3.1分数杂散产生的机理 15

3.2分数杂散的抑制方法及其优劣点 15

3.2.1 D/A转换估计法 15

3.2.2随机抖动法 16

3.2.3相位补偿法 17

3.2.4相位插入法 17

3.3分数杂散抑制方法的比较与分析 18

4 Delta-Sigma调制技术 19

4.1 Delta-Sigma调制技术的基本结构 19

4.2多阶Delta-Sigma调制器 19

5 方案设计与论证 22

5.1数字锁相式频率合成器的基本结构与工作原理 22

5.2系统框图设计 22

5.3 PLL分数频率合成器电路设计 23

5.4 三阶单环Delta-Sigma调制器设计 24

5.5硬件调试 24

6 结论 27

参考文献 28

致谢 29

一种基于Delta-Sigma调制技术的PLL分数频率合成器

凌齐渊

, China

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Abstract: The development of modern science and technology makes communication, radar, signal etc make progress constantly. With the development of these areas, the requirements of the signal sources are also getting higher and higher. The occur of the frequency synthetic technology greatly meet the requirements of these areas. This paper discusses the working principle and basic structure of frequency synthesizer, and analyzes its performance index. In this design, the phase-locked loop technology is used to construct fractional frequency synthesizer, and it is improved by using Delta-Sigma modulation technology, which has the advantages of low fractional spurious, low phase noise and high frequency resolution. Therefore, based on the analysis of the fractional frequency synthesizer composed of the phase-locked loop, the corresponding Delta-Sigma modulator is designed. The experiments are proved by using the corresponding experimental device. The work of this paper provides practical experience and theoretical material for subsequent research.

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Key words: Phase-locked loop；frequency synthesizer；frequency resolution；spurious suppression

1 频率合成器

1.1频率合成器的基本介绍及其历史进程

频率合成，是由一个或多个低相位噪声，高稳定度和高精确度的参考频率源，通过电路上的分频，混频或倍频等处理信号的途径，进而生成一系列等间隔的、离散的、高稳定度的、高精度的频率的技术，又可以称为频率综合。大约在20世纪的30年代，频率合成技术开始出现，其发展历程大概可概括为三个阶段。^[1]

第一代的频率合成技术是直接式频率合成，作为第一代的频率合成技术的直接式频率合成，其原理是使用一个或多个不同的晶体振荡器作为参考信号源，通过频率的混频，乘法等方式直接产生一系列的离散频率输出信号。通过该方法获得的信号的优点是频率信号的稳定性高、变频速度快，但调试难度较大，难以实现杂散抑制。目前而言，一些雷达信号仍然使用这种方法产生信号。使用这种方法的优点是：稳定可靠性较高，理论上可以将频率分辨率达到任意小，频率转换的速度快（小于0.5us）。其缺点是：功能的实现要采用大量的混频器和滤波器，导致设备体积大，成本高，不利于集成，而且由于混频器存在谐波成分，易产生寄生调制，影响频率稳定度。

第二代的频率合成技术是锁相式频率合成，锁相式频率合成技术作为第二代频率合成技术，于20世纪50年代左右问世，也被称为间接式频率合成器。其原理是通过谐波发生器的频率和频率混频等方法将一个或多个参考信号源的输出信号转换成大量的谐波或组合频率，然后使用PLL将压控振荡器的频率锁定在一个特定的谐波或组合频率，所需的频率输出由压控振荡器间接得到。这种方法的优点在于稳频和杂散抑制比较好，调试也比较方便；缺点则是比起直接式频率合成，其频率转换速度较慢。目前，得到最广泛应用的还是这种方法。

第三代的频率合成技术是直接数字式频率合成，作为第三代频率综合技术的直接数字式频率合成，于20世纪70年代问世。由于数字集成电路和电子科学技术等关键技术的全面发展以及各方面的条件逐渐成熟，在20世纪70年代，直接数字式频率综合技术最终出现。它的原理与相位相关，所用的存储技术是数字采样存储技术，作为频率综合技术发展的新一代技术，它有着相位精密准确、频率的分辨率高、频率的转换速度快等明显的优点。相比较于其他的频率合成方式，直接数字式频率综合技术的主要优点是：频率合成器本身很小、所消耗功率也低、方便于集成、频率切换时间很短，差不多可以即时地以连续相位转换频率、频率的间隔很小、费用也比较低。直接数字式频率综合技术作为新一代数字频率合成技术，与之前的频率综合技术相比，具有很大的先进性，在军事和民用领域得到广泛的应用，发展迅速。^[2]

1.2频率合成器的现状

近年来，随着科学技术的不断发展，各种新型通信设备不断出现， 全球移动通信系统、通用分组无线服务技术、3G、蓝牙、4G以及区域多点传输服务、WLL等无线通讯技术的不断涌现，再加上雷达卫星等领域的飞跃，对频率合成器的需求也在不断更新。各国政府与组织的看重、各行各业的强烈需求、电子器件技术的进步、计算机处理能力的迅猛进步、信号处理技术的稳定进步等，都在不断促使着频率合成技术的迅速发展。

近年来，就锁相环路频率合成器的发展而言，主要呈现以下趋势：

1、集成频率综合器所用芯片的各项质量指标皆得到巨大的提升。就以锁相式频率合成为例子，National Semiconductor公司所生产的 LMX2470 ，其超低功耗，低噪声，低杂散，还有如美国 Qualcomm 公司的 Q3236 ，PEREGEINE 公司的 PE3236等等性能优良的频率合成器芯片；同时，PLL 芯片的体积和功耗也越来越小；芯片能工作的频率范围越来越宽。

2、相位检测器不使用传统的电压型，而采用电流式电荷泵技术，使得相位检测器的输出误差不是误差电压。与传统的电压型相位检测器相比，电荷泵锁相频率源具有功率消耗低，工作速度快，工作稳定，花费低等优点。理论上的电荷泵可以达到无穷循环增益的程度，无论压控振荡器的电压输入范围如何，它都可以达到无穷的频率牵引范围。由于采用了电荷泵技术，锁相环滤波的设计中可以加入无源环路滤波器。其结果是既能够得到理想二阶环路滤波器的性能，同时又能削减环路滤波器中的有源器件所造成的噪声恶化等问题。当然，在循环中使用有源滤波来抑制杂散就是另一回事了。

3、分数（小数）分频频率合成器的出现与发展。而且针对传统模拟相位内插（API）的电路复杂、调试困难等缺点，采用了全数字Delta-Sigma内插调制器，大大抑制了量化噪声。分数锁相环相对于传统的整数分频锁相频率合成器而言，具有很大的频率范围、较低的相位噪声、较高的频率分辨率等优质的质量指标。如美国国家半导体公司的 LMX2471Delta-Sigma Fractional-N RF/IF Dual，最高工作频率达3.6GHz,噪声基底－210 d Bc/Hz，功耗 5.6m A。

而就其他类型的频率合成器，也有了很大的发展。纵观整个频率合成器的发展可以看出，现今频率合成器的发展是PLL, DDS等多种类型合理组合使用。这就导致了频率综合器的相位噪声，杂散抑制、频率的切换速度和输出的频率范围等质量性能取得巨大的进步。^[6]

1.3频率合成器的主要性能指标

1、频率范围

频率范围的基本概念是指频率综合器的输出频率所能达到的最小的频率f_omin和最大的频率f_omax之间的差值，可以把其表示为频率覆盖系数，即

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