射频基础知识---一文带你认识什么是射频频综？

点击阅读原文获取更多优质内容请关注公众号--通信射频老兵https://mp.weixin.qq.com/s/0JEcXQd7Ks6uZTMGug4ZXA频率综合器简称“频综”广泛应用于各类射频设备中——几乎所有需要稳定射频信号源的场景都会用到。射频频率综合器在稳定性、可编程性、通用性及整体性能方面均表现出色。因此各类频率综合器在射频电路设计中的应用日益广泛。由于大多数需要射频综合器的设备其他部件也配有数字电路射频综合器格外适合此类设备使用——多种类型的射频综合器本身集成了数字电路可与处理器及其他数字电路轻松对接实现便捷控制与灵活适配。相应地射频频率综合器的应用场景十分广泛从简单的蓝牙收发器、Wi-Fi路由器、手机到高性能通信系统、卫星链路等均有涉及。事实上几乎所有采用射频通信技术的设备都可能配备射频频率综合器。一、频率综合器框图射频频率综合器通常由多个组件构成其中锁相环PLL和压控振荡器VCO是核心元件。如频率综合器框图所示PLL由参考频率源、鉴相器、环路滤波器、分频器和VCO组成。锁相环是一种闭环反馈系统其作用是将压控振荡器的输出频率与参考频率进行对比。它会调节施加在压控振荡器上的控制电压以最小化两个信号之间的相位差从而将输出频率锁定在参考频率上。频率综合器的输出频率可根据其类型通过以下公式进行数学计算整数型锁相环Fout N×(Fr/R)分数型锁相环Fout (NF)×(Fr/R)如上所述综合器的输出频率是输入频率的倍数因此频率综合器常被称为倍频器。获取频率综合器的输出频率有两种方式固定参考频率Fr并改变分频比N或改变参考频率Fr并固定分频比N。下文提及的射频综合器设计示例采用第二种方式。信道间隔 压控振荡器频率Fvco/ 分频比N 或参考频率Fr/ 分频比R。二、频率综合器各组件功能/工作原理下面为你详细说明频率综合器各组件的功能- 压控振荡器VCO负责产生射频振荡信号其频率可通过施加控制电压进行调节。压控振荡器的输出频率与输入控制电压直接相关。- 鉴相器PD如射频综合器框图所示鉴相器又称比较器会对比两个输入信号并根据二者的相位差生成直流电压即误差电压。鉴相器可视为一种简单的异或门EX-OR gate。- 环路滤波器属于简易低通滤波器作用是滤除高频噪声并输出直流电平。- 分频器压控振荡器的输出频率会与参考频率进行对比直至二者相等。R分频器和N分频器均为简易分频器。在综合器设计中分频器用于对压控振荡器的输出频率进行分频以生成分辨率更高的目标输出频率。- 控制接口为综合器参数如频率、调制设置等提供外部控制与编程的途径。- 输出缓冲器/放大器对输出信号进行放大和调理以便传输或后续处理。锁相环PLL的工作过程分为以下三个阶段- 自由运行阶段在输入信号接入锁相环之前锁相环处于自由运行状态。- 捕获阶段输入信号一旦接入压控振荡器的频率便开始变化此时锁相环进入捕获模式。- 相位锁定阶段压控振荡器的频率持续变化直至与输入参考频率相等此时锁相环进入相位锁定状态。三、射频频率综合器的类型/分类根据所采用的不同技术及射频电路设计方案频率综合器可分为多种类型。每种类型显然各有优劣。通常可根据所需的性能指标和功能特性选择合适的类型。频率综合器的大致分类包括直接式与间接式、数字式与模拟式。以下详细介绍各类综合器的特点、性能及射频设计方案1、直接式顾名思义直接式射频频率综合器无需任何频率变换元件直接生成目标波形。其采用的直接技术包括振荡器、混频器等相关形式。1直接模拟频率综合器这种射频频率综合器有时被称为“混频-滤波-分频架构”。该名称精准描述了这类合成技术中一种较为常用的架构。直接模拟频率综合器存在诸多缺陷需要大量关键电路如今难以实现集成多次混频过程会引入大量杂散信号这些杂散信号需要高等级滤波处理进一步增加了成本。因此在射频集成电路广泛应用及其他频率合成技术普及之前这种类型的射频综合器仅作为备选方案使用。2直接数字频率综合器DDS如今已被广泛应用。其经典架构如下所示它通过预先存储数字格式的目标波形以固定增量推进相位来生成信号。在每个增量步长中从存储器中调取波形瞬时电压值并将其转换为模拟格式。通过持续推进相位、采集连续样本逐步构建出完整波形。相位推进增量决定了生成信号的频率——增量推进波形的速度越快波形重复周期越短信号频率越高。关于DDS更多信息可以参考收发信机基础知识---DDS基础知识介绍。2、间接式间接频率合成技术以锁相环PLL技术为核心其输出信号通过间接方式生成。换句话说最终信号由受其他信号控制的振荡器产生。通过这种方式用于生成输出信号的原始信号会被输出振荡器间接复刻这也是该技术“间接式”名称的由来。1间接数字频率合成间接数字频率合成技术在射频锁相环的压控振荡器VCO与鉴相器之间引入了数字分频器。压控振荡器的工作频率等于相位比较频率乘以分频比。通过改变分频比可调整输出信号的频率。通常相位比较频率等于所需的信道间隔。例如调频调谐器的信道间隔可能为100kHz或50kHz专业移动通信系统的信道间隔可能为25kHz或12.5kHz等而在通用无线电应用中信道间隔可能更小。四、射频设计考量因素在开展需要频率综合器的新型射频设计时需全面评估各类射频电路设计方案所能提供的性能特性。在设计初期需明确实际应用需求并据此匹配最适合的综合器设计方案。射频设计既可能采用单一技术架构的综合器也可能涉及更复杂的设计方案融合多种技术。当将振荡器设计作为整体设计的一部分进行研究时需考量以下多个设计方面- 频率范围射频设计的核心考量之一是频率范围包括实际工作频率以及振荡器所需覆盖的频率区间。若仅需覆盖小范围频率单独使用数字锁相环PLL综合器可能更为合适但随着频率范围扩大可能需要更全面的设计方案甚至融合多种技术。- 步进大小另一关键考量是所需的频率步进大小。若需要近乎连续的调谐功能某种设计方案可能更具优势若仅需支持数量有限的信道其他方案则可能更为适配。数字锁相环综合器在诸多场景下表现理想但高频段与小步进的组合会导致极高的分频比进而引发其他问题。直接数字频率综合器DDS虽可能更适合小步进场景但也需在设计中进行权衡。此外在整体射频设计中可将一种数字综合器与模拟锁相环综合器结合构成频率转换环路。- 频率捷变能力部分应用场景要求振荡器快速切换频率这是一项重要考量因素可能需要创新性设计——部分类型的综合器频率切换耗时较长。- 相位噪声如今相位噪声是尤为关键的设计考量点。相位噪声会对数据通信系统和模拟无线电通信系统产生显著影响若相位噪声水平较高系统性能将大幅下降。可采用融合一种或多种综合器类型的射频设计方案最大限度降低信号的相位噪声。上述及其他相关因素需在射频电路设计的最初阶段便纳入考量以便从一开始就采用最优的电路架构。借助现代仿真软件及其他计算工具可在设计阶段确定方案前提前评估各类方案的性能表现。五、射频综合器设计示例我们结合PLL芯片、DDS芯片、VCO及其他组件来理解满足以下指标要求的频率综合器设计输出频率950–1450MHz频率步进1MHz相位噪声1kHz 频偏处 ≤ -88dBc杂散≤ -70dBc谐波典型值 ≤ -20dBc外部参考10MHz射频综合器设计经验法则在设计过程中需参考以下经验公式切换时间 ≈ 50/FcompFcomp为鉴相器输入的比较频率切换时间 ≈ 2.5/FlbwFlbw为环路滤波器的环路带宽环路滤波器带宽 Fcomp/10设计过程需遵循以下步骤1、器件选型本设计采用外购芯片方案选定的核心器件包括——ADI公司的PLL芯片ADF-4252、ZCOMM公司的VCOV585ME40以及ADI公司的DDS芯片AD9851。2、环路滤波器设计需基于前文提及的经验法则进行设计通过输入所需参数如比较频率Fcomp、环路带宽Flbw等完成方案制定。3、参数优化根据实际需求对各项性能参数进行优化。例如若切换时间并非关键指标环路参数的选择将主要围绕相位噪声和杂散指标展开。辅助设计工具多款环路滤波器设计工具可通过以下网站获取- TI官网https://www.ti.com/- ADI官网https://www.analog.com/- Circuitsage网站www.circuitsage.com最后总结一下简单说频率综合器频综就是给射频设备造稳定射频信号的核心部件蓝牙、手机、路由器、卫星通信这些需要无线通信的设备都得用它。它主要靠锁相环、压控振荡器这些零件配合工作能精准调出需要的频率还能跟设备里的数字电路轻松适配。频综分直接式和间接式两大类各有各的用处选的时候得看设备需要的频率范围、调频率的精细度、切换频率的速度这些需求。设计的时候先选好芯片再按经验公式设计相关部件、优化参数就行网上还有专门的工具能帮忙操作起来有明确思路。往期高分文章回顾总有一篇能帮助到你射频相关知识射频基础知识---射频接头全接触射频基础知识---史密斯Smith圆图回顾介绍几种好用且免费的查看S参数的小工具射频基础知识---带你认识环形器射频基础知识---你真的清楚巴伦Balun是什么吗射频基础知识---巴伦、变压器、魔T和电桥傻傻分不清射频基础知识---调制信号的功率测量RF射频PCB设计基础知识(一)射频基础知识---VSWR、Return Loss和Mismatch Loss概念回顾射频基础知识---带你认识Bias 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