高速低相噪锁相环研究与设计

锁相环论文 相位噪声论文 锁定时间论文
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锁相环从1932年由De Bellescize提出至今,已得到广泛的应用和发展,几乎遍布电子产品的每个角落,在现代电子技术中成为了电子系统的核心部件。随着现代通信、雷达和电子对抗技术的发展,对它的性能也提出了更高的要求,而且对各项指标要求的侧重点在不同的应用中也有所不同,其中锁定时间和相位噪声始终受到人们的广泛关注,因为锁定时间直接影响到通信系统的数据传输速率,相位噪声会增加误码率并降低系统的信噪比。另外,通信信道间隔越来越小,对信号的频率分辨率的要求也越来越高。然而这些指标存在相互制约的关系,使用简单的锁相环技术难以实现。本文首先简要介绍了锁相环技术的发展历史及应用。然后分析了锁相环系统中重要部件的工作原理以及使用过程中可能会遇到的问题。分析了环路各个部件对系统输出相位噪声的影响,使用行为模型进行仿真,证明了优化环路滤波器带宽能够使系统相位噪声达到最佳。使用时变分频器和时变参考频率两种不同线性模型仿真,深入研究了锁相环锁入过程的动态性能。建立了带有鉴频鉴相器的锁相环的物理模型,使用非线性方法分析了拉入过程的动态性能。通过仿真验证电压预置技术能大大提高锁相环锁定速度。仿真软件SIMETRIX能够进行模拟和数字电路混合仿真,行为模型仿真大大缩短了仿真时间,对所设计电路的仿真证明设计方案是合理的。最后,在前面的的理论分析基础上,使用电压预置技术设计了一个输出频率范围为1200MHz~2400MHz的高速、低相噪锁相环。经过实验测试,跳频时间约为33us,频率分辨率为10Hz,相位噪声优于-90dBc/Hz@10kHz,使用Sigma-Delta调制技术也能较好地抑制小数杂散,这些指标都满足设计要求,只是系统参考杂散还有待进一步改善。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 引言第9-14页
    1.1 锁相环的概念第9-10页
    1.2 锁相环的主要应用第10-11页
    1.3 锁相环分类与发展方向第11-13页
        1.3.1 全数字锁相环第11-12页
        1.3.2 软件锁相环第12-13页
    1.4 本文主要研究内容及意义第13-14页
第二章 锁相环系统重要部件分析第14-27页
    2.1 鉴相器第14-19页
        2.1.1 乘法器鉴相器第14-16页
        2.1.2 鉴频鉴相器第16-18页
        2.1.3 电荷泵第18-19页
    2.2 锁相环传递函数分析第19-23页
        2.2.1 传递函数第19-22页
        2.2.2 环路稳定性第22-23页
    2.3 环路滤波器第23-27页
        2.3.1 参考杂散的滤除第23-25页
        2.3.2 鉴相器输出信号滤波器第25页
        2.3.3 电荷泵输出滤波器第25-27页
第三章 锁相环电路性能分析与仿真第27-56页
    3.1 高速低相噪锁相环系统的设计方案第27-30页
        3.1.1 系统的设计指标与设计方案介绍第27-28页
        3.1.2 系统主要器件第28-30页
    3.2 仿真方法介绍第30-31页
    3.3 相位噪声分析与仿真第31-42页
        3.3.1 相位噪声定义第31-32页
        3.3.2 锁相环相位噪声分析第32-36页
        3.3.3 电路相位噪声仿真第36-42页
    3.4 设计电路建立时间分析与仿真第42-56页
        3.4.1 锁入过程分析与仿真(Lock-in)第44-49页
        3.4.2 拉入过程分析与仿真(Pull-in)第49-56页
第四章 高速低相噪锁相环设计第56-65页
    4.1 系统控制部件设计第56-57页
    4.2 电压预置模块设计第57-60页
    4.3 环路滤波器设计第60-65页
        4.3.1 相位噪声分析第60-62页
        4.3.2 杂散分析第62-65页
第五章 实验测试结果与数据分析第65-75页
    5.1 测试平台与实物第65-66页
    5.2 测试步骤及方法第66页
    5.3 系统测试结果第66-74页
        5.3.1 相位噪声第67-69页
        5.3.2 跳频时间第69-70页
        5.3.3 频率分辨率第70-71页
        5.3.4 系统杂散第71-74页
    5.4 小结第74-75页
第六章 总结第75-76页
致谢第76-77页
参考文献第77-81页
攻硕期间取得的研究成果第81页
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