【導讀】針對5G 毫米波通信系統對本振源頻率、相位噪聲、雜散抑制要求的提升，提出了一種結合ADF4002 和2 個(gè)ADF5355 頻率合成器芯片，可同時(shí)用于中頻和射頻電路的高性能本振源。該本振源為系統中頻模塊提供5.4 GHz 的單音本振信號并且利用數控衰減器和放大器實(shí)現了輸出功率可調，同時(shí)也利用ADF5355 的鎖相環(huán)（PLL）和倍頻器為射頻模塊提供8.4～11.2 GHz 寬頻帶寬、步進(jìn)為100 MHz 的可調頻本振信號，最終通過(guò)硬件電路的設計與調試，以及單片機（SCM）控制程序的編寫(xiě)，實(shí)現了低相噪、低雜散的穩定頻率源。
在5G 毫米波通信系統中，大規模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)被用來(lái)大幅度提高數據傳輸速率和信道容量。大規模MIMO 技術(shù)也是5G區別于現有系統的核心技術(shù)之一[1]。在大規模MIMO 場(chǎng)景下，通過(guò)基站配置數百根天線(xiàn)，可以使大量的終端用戶(hù)使用同一個(gè)時(shí)頻資源，因此系統中同時(shí)存在多路射頻收發(fā)信道，也就需要多路本振信號。本振的研究是毫米波通信系統研究的關(guān)鍵之一[2]。
本振模塊與收發(fā)系統相互獨立可以有效地抑制本振泄露和射頻串擾等問(wèn)題，減少收發(fā)系統印制電路板（PCB）版的面積，并且可以使每個(gè)模塊更靈活，便于調試和后期維護。綜合考慮系統性能和成本等方面的因素，采用外置本振是現代移動(dòng)通信系統中常見(jiàn)的選擇[2-3]。
1、本振系統設計
頻率合成技術(shù)主要分為直接合成技術(shù)與間接合成技術(shù)。直接合成技術(shù)又包括直接模擬合成技術(shù)與直接數字合成技術(shù)（DDS）。直接模擬合成技術(shù)是最早期的頻率合成技術(shù)，其通過(guò)一系列的模擬器件進(jìn)行倍頻、混頻、分頻等算術(shù)運算從而合成固定頻率，再利用窄帶濾波器濾出所需頻率。在這種方式下參考信號的相位噪聲直接決定了輸出信號的相噪，因此容易獲得相噪很低的輸出信號，但是這種電路的實(shí)現需要大量的模擬器件組合，集成度低，體積大，雜散抑制較差，成本高昂，目前該種技術(shù)主要用于射頻微波測試測量?jì)x器中。
直接數字合成技術(shù)的特點(diǎn)是通過(guò)數字方式累加相位，再利用相位和去查詢(xún)正弦函數表從而得到正弦波的離散數字系列，最終經(jīng)過(guò)數模（D/A）轉換得到模擬正弦波。DDS 具有頻點(diǎn)轉換速率快、頻率分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)由于輸出頻率雜散很多，輸出頻率較低，使其使用范圍受限[4]。
間接頻率合成技術(shù)即為鎖相環(huán)式頻率合成技術(shù)（PLL），它主要是通過(guò)相位負反饋的方式來(lái)實(shí)現對兩路信號相位的跟蹤，從而用鎖相環(huán)將壓控振蕩器（VCO）的頻率鎖定在所需要的頻點(diǎn)上。該種形式結構簡(jiǎn)單，相位噪聲低，雜散抑制較好，成本較低，但是頻率轉換的時(shí)間長(cháng)，頻率分辨率比較低[5-6]。
結合本設計中需要輸出兩路頻率較高的本振信號，并且其中一路帶寬較寬的特點(diǎn)，綜合相位噪聲、雜散抑制等因素，決定采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現該本振源。
1.1 整體框架
圖1 是PLL 的基本結構，鎖相環(huán)電路的組成部分主要包括壓控振蕩器（VCO）、鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和分頻器[5]。
圖1、PLL 結構框圖
參考源給出的輸入信號FR 通過(guò)R 分頻器降低為鑒相器的檢測頻率FPD ，而VCO 的輸出頻率經(jīng)過(guò)N 分頻器后得到輸入鑒相器的另一路信號FN ，兩路信號通過(guò)鑒相器進(jìn)行相位比較，它們產(chǎn)生的相位差轉換為電壓或電流，經(jīng)過(guò)低通的環(huán)路濾波器（LPF）濾除噪聲和高頻分量后送入VCO 用來(lái)控制VCO 的輸出頻率。當鎖相環(huán)穩定后，即FPD 和FN 同頻同相的狀態(tài)下，鎖相環(huán)的輸出頻率為：
（1）相位噪聲是衡量本振源的重要指標，收發(fā)信機的調制與解調精度（EVM）受系統的相位噪聲影響，若相位噪聲過(guò)大，則系統解調出的星座圖會(huì )出現旋轉，因此首先要降低本振源的相位噪聲。影響相位噪聲的因素有很多，在近端，相位噪聲主要取決于參考信號、N 分頻器、鑒相器以及電源。通過(guò)式（2）可以估算出環(huán)路帶寬內的相位噪聲：
PN = PNfloor + 10log(N) + 10log( fvco )（2）
在輸出頻率不變的情況下，降低分頻比N 可以改善相位噪聲。一般來(lái)說(shuō)，本振系統的參考源是全球定位系統（GPS）下行的10 MHz[5]。由于在此設計中需要較高的輸出頻率，為了獲得良好的相位噪聲，故選擇提升參考頻率。在整個(gè)系統前端先設計一個(gè)鎖相環(huán)電路，將10 MHz 參考信號提高至100 MHz。由式（2）可知：系統的相位噪聲將會(huì )降低10 dB；而在環(huán)路帶寬外，相位噪聲主要受VCO 影響。為了得到更好的頻率穩定度和相位噪聲，本設計中用100 MHz 的恒溫晶體振蕩器（OCXO）代替VCO[6]。
由于兩路本振信號在系統中被同時(shí)使用，為了保證信號的一致性，需要采用同一個(gè)參考源，圖2 為本振源結構框圖。ADI 公司的頻率合成器ADF4002，結合外部恒溫晶振XO5051 以及GPS 參考源10 MHz，并且組成PLL 頻率合成器。該模塊輸出100 MHz 的信號經(jīng)過(guò)集總元件組成的功分器后分成2 路，分別作為2個(gè)ADF5355 的參考頻率，ADF5355 是集成VCO 的寬帶頻率合成器。第1路參考信號通過(guò)ADF5355 的鎖相環(huán)和倍頻器后輸出8.4～11.2 GHz 的信號，以100 MHz 步進(jìn)可調的本振信號，然后經(jīng)過(guò)濾波器和放大器HMC441 得到最終所需的射頻本振；第2 路100 MHz 參考信號通過(guò)另一個(gè)ADF5355 的鎖相環(huán)電路并且再輸出5.4 GHz 的信號，再經(jīng)數字衰減器HMC425A 和放大器GVA_83+，得到所需功率的中頻本振。
圖2、本振源結構框圖
1.2 環(huán)路濾波器設計
環(huán)路濾波器是鎖相環(huán)電路中的重要組成單元，它可以為VCO 提供干凈穩定的調諧信號，維持環(huán)路穩定性，控制環(huán)路帶內外噪聲，抑制參考邊帶雜散干擾。環(huán)路濾波器的重要參數為環(huán)路帶寬和相位裕度。環(huán)路帶寬的減小可以改善雜散的抑制以及VCO 近端的相位噪聲，但同時(shí)增加鎖定時(shí)間，并導致遠端相位噪聲的惡化；而環(huán)路帶寬增大則會(huì )減少鎖定時(shí)間，不過(guò)無(wú)法保證VCO 近端的雜散和相位噪聲抑制。此外，當環(huán)路帶寬為鑒相頻率的1/10 到1/5 時(shí)，鎖相環(huán)會(huì )失鎖[4-5]。
綜合環(huán)路穩定性、雜散抑制、相位噪聲、鎖定時(shí)間等因素，最終確定輸出頻率為100 MHz 的鎖相環(huán)環(huán)路帶寬為30 Hz，同時(shí)輸出5.4 GHz 以及8.4～11.2 GHz 的PLL 環(huán)路帶寬則為100 kHz。圖3 給出了兩路鎖相環(huán)電路中四階濾波器的結構和取值。
圖3、環(huán)路濾波器結構
1.3 單片機部分設計
本設計中采用單片機C8051F320對ADF4002、2 個(gè)ADF5355 芯片以及數控衰減器HMC425A 進(jìn)行輸出頻率和功率的控制，其中兩路ADF5355 共用數據傳輸和串行時(shí)鐘線(xiàn)。圖4 為單片機控制電路結構圖。
圖4、單片機控制電路
2、測試結果與實(shí)物圖
本設計實(shí)現了兩路不同頻率的本振信號輸出，具有較好的相位噪聲。利用RS 的相位噪聲分析儀分別對兩路輸出信號的相位噪聲進(jìn)行了測量，結果如圖5、6 所示。在8.4～11.2 GHz 頻帶內選擇10 GHz 信號的相位噪聲測試結果，參考頻率源為相噪儀自帶的10 MHz。
圖5、ADF5355 輸出5.4 GHz 相位噪聲
圖6、ADF5355 輸出10 GHz 相位噪聲
從圖5、6 中可以知道：5.4 GHz 信號輸出功率為12.07 dBm，10 GHz的信號輸出功率約為13.8 dBm， 并且兩路ADF5355 鎖相環(huán)電路的輸出信號皆具有良好的相位噪聲，具體結果如表1所示。通過(guò)上位機進(jìn)行頻率控制，利用相噪儀對頻率范圍為8.4~11.2 GHz,步進(jìn)100 MHz 的本振信號輸出功率進(jìn)行了測試，結果如圖7 所示。在該頻帶內輸出最大功率為14.57 dBm，最小功率為6.7 dBm。值得注意的是：在該頻帶內信號輸出功率浮動(dòng)較大，這主要是由于A(yíng)DF5355 的輸出功率有8 dBm 的變化范圍。在后續鏈路設計中可以結合數控衰減器來(lái)平衡各個(gè)頻點(diǎn)的輸出功率。此外，圖中譜線(xiàn)的不清晰主要是由于上位機變換頻率的速度大于本振信號鎖定的速度，在實(shí)際應用中可以等單個(gè)頻點(diǎn)鎖定后，再進(jìn)行頻率切換，以保證本振信號良好的性能。圖8 為本振源實(shí)物圖。
表1、本振源相位噪聲測試結果
圖7、8.4～11.2 GHz 本振信號輸出功率
圖8、本振系統實(shí)物圖
3、結束語(yǔ)
文中通過(guò)結合3 個(gè)鎖相環(huán)結構成功實(shí)現了參考頻率的提升和2 個(gè)不同頻段本振源的輸出，可同時(shí)用于中頻以及射頻模塊，并且降低了相位噪聲。輸出的兩路本振信號中，一路5.4 GHz 信號功率可調，另一路8.4～11.2 GHz 信號可實(shí)現較寬頻帶內本振源的輸出。在后續研究中，我們可以通過(guò)功分模塊，配合放大器實(shí)現多路同頻同相的本振信號的輸出以滿(mǎn)足大規模MIMO 系統對于本振的相關(guān)需求。
參考文獻
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作者：胡蒙筠、周健義，東南大學(xué)
來(lái)源：中興通訊技術(shù)
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