[摘要]较详细介绍了一种同步低相噪基准源的设计，该基准源采用了压控恒温晶振和数字锁相相结合的方案，可由外部仪表或系统时钟进行同步，使多个非相参系统相参而不影响原系统的相噪指标。给出了研制结果，输出频率80MHz，相位噪声-98dBc/Hz@20Hz ，-157dBc/Hz@1KHz，-171dBc/Hz@100KHz。
[关键词]同步锁相；窄带滤波；相位噪声
1 引言
随着技术的不断发展，很多电子设备在进行高精度频率或时间测量时必须与测试仪表进行相参同步。同步的方法一般有两种：一，设备产生基准时钟去同步仪表；二，用仪表信号源的输出作为设备的基准源，同时用信号源的基准去同步其它仪表。方法一是比较常用，但是设备产生专门的基准信号还是会增加一部分设备量，并不适用于对体积重量要求很高的系统设备。当仪表信号源输出的信号质量优于设备基准源时，方法二是适用的。然而，很多设备特别是雷达等设备的基准源通常采用高稳定度的恒温晶振，其信号质量远高于仪表信号源。此时，方法二会影响系统指标。本文针对某雷达系统的时钟同步要求，利用锁相环的滤波和频率跟踪特性实现了基准源的设计。该基准源体积小、易同步、低相噪，性价比高，可以作为雷达等电子设备通用的基准源模块。
数字锁相频率合成器
锁相环根据带宽不同可以分为两类，宽带锁相环和窄带锁相环。宽带锁相环是频率合成中常用的一种方式，其功能是使频率稳定度很差的振荡器锁定到一个很稳定的基准振荡器上，同时实现高稳定的大功率或高频输出。窄带锁相环可以看成是一种让信号通过、把噪声滤除的滤波器，其带宽可以很窄，同时还能跟踪参考信号的频率。其工作原理是参考信号与反馈信号在PD中进行相位比较，输出电压通过环路滤波器LPF抑制噪声和高频分量来控制VCO，系统通过控制参考输入和反馈之路分频比实现不同参考信号的同步，框图如图1所示。
作为滤波器，我们希望带宽比较小，带外抑制度比较高，因此环路滤波器采用三阶无源滤波器，则该系统为典型的三阶2类环。环路输出的相位噪声主要受参考源、VCO以及PD引入的相位扰动。在忽略其他队相噪影响不大的电路附加噪声情况下，图1等效相噪数学模型框图如图2所示。
系统开关传递函数为
(1)
闭环传递函数为
(2)
其中，，。
三阶环路闭环传递函数又可表示为
(3)
其中
， ,
环路方程式为
(4)
用单边带功率谱密度表示为
(5)
根据H(s)的幅频特性做近似估算
(5)式可等效为
（6）
（7）
由(6)式和(7)式可知，为了保证输出信号频谱的低相位噪声，环路滤波器带宽应尽量小。代价是环路带宽的降低使环路锁定时间会相应增加。
3 基准源设计
该基准源主要性能要求是：频率稳定度高、相位噪声低、频谱纯度高。基准源同步时钟20MHz，输出信号频率80MHz,相位噪声≤-150dBc/Hz@1kHz。
方案设计及指标估算
该基准源频率稳定度和相位噪声性能要求很高，同时对同步锁定时间没有限制，我们采用数字锁相的方案，其中压控振荡器采用具有电调谐功能的恒温晶振，该晶振具备很低的相位噪声，在偏频1kHz处相位噪声有-155dBc/Hz。20MHz同步信号和温补晶振噪声特性及锁相环路等效分频系数决定了基准源的相位噪声性能，方案框图如图3所示。
数字锁相环采用AD公司的ADF4002，采用一片单片机AT89C2051-24PI对其参数进行灵活设置，恒温晶振选用PFC公司的PFC04系列，环路滤波器采用3阶无源滤波器，滤波器参数可由ADIsimPLL软件算出。该方案主要技术特点：方案简洁，同步方式灵活，集成度高，体积功耗小，相噪性能好。基准源中主要相关参数：
（1）参考源频率及相位噪声
参考源频率20MHz，假设相位噪声为
（2）恒温晶振相位噪声
恒温晶振频率为80MHz，压控范围为±40Hz，相位噪声为
，
（3）鉴相器噪声
集成锁相环在鉴相频率为20MHz时的噪声基底为
（）
环路滤波器带宽按20Hz设计。根据式(6)和(7)，对输出信号相位噪声进行估算。
3.2 研制结果
该基准源兼顾了频率稳定度、相位噪声、成本、可生产性和同步接口的灵活性，其研制结果与设计值十分吻合，其实现主要指标为：
·参考输入20MHz，相位噪声-126dBc/Hz@1KHz
·基准源输出：80MHz，10dBm
·相位噪声：-98dBc/Hz@20Hz，-157dBc/Hz@1KHz，-171dBc/Hz@100KHz
·频率稳定度：10-12/ms
·杂谱抑制：80dB
·锁定时间：84s
·功耗、重量：4W 、100g
·工作温度： -450C～+700C
实测性能及外形如图4所示
4 结论
该基准源采用恒温晶振和数字锁相相结合的方案，实现信号同步，同时相噪得到合理优化，特别是电路简洁，同步方式灵活，集成度高，体积功耗小。目前该基准源已研制成功，其频率稳定度、相位噪声、杂谱性能，功耗、重量和环境适应性均达到预期设计目标，目前已应用于仪表测试以及某雷达系统同步。
参考文献
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