低噪声、集成的VCO/PLL RF合成器满足了无线基础设施的需求(图)

无线通信应用中的合成器
在无线通信系统设计中，为混频器与调制解调器生成本地振荡器(LO)时钟的合成器是决定系统性能高低的关键组件。其会直接降低系统性能裕量，进而影响接收机的灵敏度、发送器的误差矢量幅度(EVM)以及信号频谱属性。采用外差（双转换）分集成接收机与直接转换发送器的无线收发器是一种常见的应用配置（见图1）。

图1 无线基站收发器

影响系统性能的合成器参数
为了阐明合成器对系统性能的影响，可先来看看接收机的实施方案。底层标准（如适用于GSM的3GPP标准）规定了接收机的灵敏度以及有关干扰信号所需的容差。干扰信号通常是移动手持终端或基站采用其他频率转发的，其功率可能要比接收机需要接收的信号高很多。在降频转换混频器中，其所需信号将与LO信号混合，以生成有用的中频(IF)信号。这时，干扰信号也可能会与LO的相位噪声和寄生信号混合在一起，从而造成对信号频率的干扰，进而有效降低信噪比。通过查看标准的合成器实施方案，就可以了解上述失真的因果关系。

在如图2所示的整数N锁相环(PLL)合成器实施方案中，对低参考输入频率fref与高频VCO的输出频率fVCO作了比较，该工作可在相频检测器(PFD)中进行。为匹配相关频率，可将输入频率及VCO频率分别除以R和N，这样就能在PFD中获得比较频率fPFD。PFD将对输入频率除以R和VCO频率除以N所得出的值进行比较，并生成控制信号，以增加或减少VCO频率，直至PFD电路的两个输入频率相等为止。这时，PLL就被锁定了。

图2 具有整数N PLL和外部VCO的合合器

合成器相位噪声
在理想情况下，LO合成器只生成一个离散频率。但实际情况并非如此，合成器输出频谱还会受到宽带噪声（即相位噪声）的影响。

对合成器输出频谱产生影响的噪声源有如下几种：VCO本身产生的相位噪声、PLL分频器产生的噪声以及环路滤波器组件产生的噪声等。由于PLL电路系统具有过滤特性，尤其是受滤波器环路中的（低通）环路滤波器的影响，带宽噪声将来自PLL，而环路带宽外部噪声则主要来自VCO相位噪声。

接收机的降频转换混合器LO处的相位噪声会使潜在的干扰信号与宽带相位噪声混合，从而在混频器输出端对信号频率产生干扰。由于干扰信号的功率可能远远高于有用信号功率，因此，IF降频转换以后可能会屏蔽有用信号。

合成器寄生信号
如果PLL锁定，PFD在理论上不会输出任何控制信号以改变VCO频率。但实际上，它会生成许多频率与fPFD相同且波长较短的交流脉冲信号，平均起来应该能使VCO保持恒定的输出频率。如果交流脉冲不是完全匹配的，则会在合成器输出端产生离散寄生信号，并与中心频率发生偏移，其偏移量为fPFD的数倍。带整数N PLL的fPFD通常需要对应系统的通道频率间隔（如就GSM而言为200kHz），这会使寄生信号与有用信号发生混频。同时，还有可能产生干扰信号。寄生信号与干扰信号在接收机中混合，这又会在IF降频转换后对信号产生干扰。就发送器而言，所需信号与寄生信号相混合，就会对其他频率产生干扰，也就不能满足输出频谱调制掩膜(modulation mask)的要求。

系统要求
如前所述，相位噪声及寄生信号与有用信号或干扰信号混频后，都会对信号通道造成干扰，从而显著降低信噪比，并最终影响到接收机的灵敏度。为了确保GSM系统正确运行，必须满足3GPP标准制定的如下相关要求：
● 接收机参考灵敏度

● 阻塞特性

● 干扰信号比（载波与干扰信号之比）与互调

基于上述标准要求，就能给接收合成器制定相关规范了。对相位噪声而言，假定所需信号电平为-101dBm，载波干扰信号比为9dB，从而得出下面的要求。
集成宽带噪声要求结合了200kHz通道频率间隔（通道带宽）情况下相位噪声与寄生信号的影响，因为二者对接收机灵敏度的影响很类似。而对发送器来说，情况则有所不同，要明确宽带噪声及调制掩膜造成的影响，以避免发送通道干扰其他基站相邻通道的工作。

传统实施方法与集成解决方案
满足GSM系统的相位噪声与寄生信号要求一直都是一个难题，必须认真优化构成合成器的VCO、PLL及环路滤波器。独立VCO的实施方案通常是通过激光微调来提高频率精确度，并配合高性能整数N PLL（如TI的TRF3750），这样就能设计出符合严格标准要求的合成器。

为了缩减板级空间，节约成本并降低设计复杂性，集成VCO/PLL合成器在相当长的一段时间内被人们广泛采用。目前，它已几乎成了手持终端实施方案的标准要求。不过，无线基础设施设备的要求非常严格，而GSM的技术标准要求更具挑战性。因此，长期以来还难以在基站中实施上述技术理念。最近，集成器件性能不断提高，这使得在基础设施应用中采用集成器件成为可能。N VCO/PLL TRF3761是该新型高性能集成VCO/PLL产品系列的首款产品，是一款与片上VCO全面集成的整数N PLL（见图3）。此外，其内置的输出分频器还能在1/2及1/4的VCO频率下工作，从而扩大了工作范围。环路滤波器是少数几个需要组合成一个完整合成器的外部组件之一，其在优化整体合成器性能方面实现了更大的灵活性。

图3 集成VCO/PLL合成器的功能结构图

如前所述，相位噪声及寄生信号是关键的性能参数。为了检验器件性能，我们应认真分析相位噪声图，其中包括当fVCO设为1800MHz时合成器的寄生信号图。此时，环路滤波器的频率为15kHz，器件参考输入频率为10MHz时，该器件的PFD工作频率将为200kHz。