基于低噪音单芯片高频分频器的PLL设计

小卫星通信系统(VSAT)可为边远地区的家庭和商业用户提供可靠的、具有成本效应的宽带数据和其它业务,因而拥有巨大的潜在需求,它的设计中需要一个稳定的低噪音高频信号源，本文对此问题进行讨论，并给出一个基于单芯片高频分频器的PLL设计方案。

VSAT是一种小卫星通信系统，可为边远地区的家庭和商业用户提供可靠的、具有成本效应的宽带数据和其它业务。VSAT采用一种小型天线来发送和接收卫星信号，可为所有处于卫星覆盖区域内的用户提供高带宽连接，无论用户地点附近是否有通信基础设施。

目前全球使用的VSAT超过100万只，同时预计还有大量的潜在用户。美国约有3,000万人居住在相对边远的地区，他们都是VSAT的潜在用户。在英国，由于电缆敷设率相对较低，而电话交换设备距离较远限制了ADSL(非对称数字用户线)的普及，30%以上的人口都有望发展为VSAT用户。

为了加强乡村地区的宽带接入服务，英国政府目前正在加快处理VSAT上行链路频道的授权。与此类似，欧洲也精简了授权机构的规章程序，以便顺利布署VSAT。与此同时，VSAT市场的不断发展使设备供应商所面临的压力越来越大，他们必须减少VSAT系统的成本并简化其使用。

图1是从欧洲频谱分配信息网(www.efis.dk)摘取的一个例子，从中我们可看出在3 GHz-15GHz频谱范围内的无线应用。欧洲电信标准协会已将高频的Ku频段分配给VSAT上行链路。上行链路工作于14-14.5GHz之间，下行链路则工作于12.5-12.75GHz或10.7-11.7GHz之间。其它国家的频段分配情况大致相同。

为了在这些频段内正常工作，VSAT设计者需要一个稳定的低噪音高频信号源。VSAT中的中频(IF)频段通常为950-1,450MHz，需要一个工作频率为13.05GHz的本地振荡器。迄今为止，设计者仍然只能通过频率倍乘来产生工作于这一频段的IF源。

图2所示为一个标准的频率乘法器。它的原理是：将一个稳定的频率源送入非线性的电路中，然后选择性地产生想要的谐波输出。这一输出经过严格的滤波，然后通过线性放大器重新放大，进行损失补偿。

由于谐波级数越高其输出越低，为了将频率从一个低阶的参考源(如晶振)升高到微波频率，我们需要多级电路。这就是频率乘法器的缺点，它常常使设计变得非常复杂而且昂贵，且效率却很低。另一方面，乘法器也有其优点，那便是它几乎可以达到任何想要的高频。

低成本的高频PLL

新一代的低噪音高频单芯片分频器为RF设计者提供了一种低成本的高性能解决方案，可用来取代频率乘法器。采用Zarlink提供的13.5GHz分频器，设计者可通过成本较低的锁相环(PLL)电路为VSAT和其它RF器件构建高频源。分频器可扩展单芯片频率合成器的输出范围，从而保证工作于高频的PLL的相关正向设计得以顺利进行。

图3是一个基频合成器电路，它由一个压控振荡器(VCO)、一个可变分频器和一个相位比较器构成。

加在VCO上的控制电压决定了VCO的输出频率。相位比较器产生的电压与两个输入信号的相位差成比例。这一电压控制着VCO的频率，从而保证通过分频器后(f_N)从VCO反馈回来的相位比较器输入频率与参考输入f_r的相位一致，以此保证频率相同。因此，VCO的频率保持为N×f_r。这样的合成器将生成一系列间隔为f_r的频率。

单芯片频率合成器的最大范围通常限制在2-3GHz，一方面是受市场决定，另一方面则因为频率太高时合成器的功耗会过大。为了产生高频源，合成器通常在PLL中与一个独立的外部分频器进行耦合。这个分频器将频率源“预分”到一个可被合成器处理的频率。

PLL价廉物美，但目前为止，它们的最大频率受低噪音商用分频器的频率响应限制。

13.5GHz分频器上市后，设计者可使用低成本的标准元件来构建PLL，从而提供VSAT和其它RF器件所需的高频率。

图4说明了如何使用PLL电路来创建VSAT上行链路本地振荡器。该设计需要一个噪音性能较好的单芯片频率合成器，如SP5769。这种芯片的最大工作频率为3GHz，但通过ZL40813 13.5GHz器件将VCO的输出除以8后(为1.6GHz)，可将频率扩展到13.5GHz。1.6GHz输入在SP5769中被进一步分频，然后与晶振参考频率相比较。SP5769的输出通过一个充电泵，控制VCO的输入，构成一个闭合回路。

该电路也可以使用其它单芯片频率合成器，不过应注意选择那些能与高频预分频器接口的合成器。

在基于BiCMOS技术的合成器中，有些电路的工作速度可能相对较低，因此不能很好地配合高频分频器。

诚然，低相位噪音对VSAT和其它RF器件都十分重要。本例电路中的13.5GHz分频器是采用互补硅双极技术构建的，F_t为28GHz。这样在回路带宽中产生的噪音与载波的噪音十分接近，不会被PLL消除。

噪音级数与材料的物理特性有关，如GaAs等其它技术本身的噪音级数就比载波噪音要高。图5列举了其它13.5GHz分频器的相位噪音级数。

φn=20log10n

在合成过程中增加的相位噪音可通过如下公式计算：

φ_n=20log₁₀n

其中，φ_n是超过相位比较器噪音基底(noise floor)的相位噪音增量，单位为dB；n是合成器的输出频率与相位检测器比较频率之比。

SP5769中的相位比较器噪音基底为-148dBc/Hz。如果比较频率为4MHz，而输出频率为13GHz，则n为3,250。因此，在回路带宽中的噪音比相位噪音基底高70dB。假设没有其它明显的噪音源，那么13GHz的输出信号的相位噪音为-78dBc/Hz。

通过类似的方法将频率从1.6GHz频分成4MHz，也可以降低分频器产生的相位噪音，将其产生的噪音降低了52dB，从-140dBc/Hz到-192dBc/Hz。这一数值与比较器的噪音基底相比可忽略不计。采用同样的办法将晶振噪音在内部分频，也可将其忽略不计。

小结

本文描述了如何用新一代的13.5GHz分频器来扩展低成本商用频率合成器的频率范围，从而降低VSAT等新型高频应用的成本并推广其应用。

作者：Peter Minett

产品营销经理

Zarlink半导体公司