王吉平,阳金梅,覃远年,田克纯

（桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004）

WCDMA无线直放站的∑-Δ小数分频锁相环设计

王吉平,阳金梅,覃远年,田克纯

（桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004）

根据WCDMA无线直放站锁相环的特点,结合∑-Δ调制小数分频锁相环噪声低、分辨率高、步进小的优点,给出了一种适用于WCDMA无线直放站的基于∑-Δ调制小数分频锁相环,并采用ADS工具对系统进行了仿真。仿真证明了基于∑-Δ调制小数分频的WCDMA无线直放站锁相环模型的正确性,对WCDMA无线直放站锁相环设计有一定的指导意义。

WCDMA;无线直放站;∑-Δ调制;三阶无源环路滤波器;小数分频;锁相环设计

1 引 言

锁相部分在直放站中被称为系统的“心脏”,其作用是产生一个或多个稳定、精确的射频信号,通过对频率合成器的设置可以改变信号的频率以满足不同信道的要求。∑-Δ调制小数分频锁相频率合成技术与现用的整数频率合成技术相比可达到无限小的精度、较小的相位噪声性能和更快的锁定时间,正好解决了目前WCDMA无线直放站锁相环频率步进小和精度高的瓶颈。为此,本文给出一种使用∑-Δ调制小数分频锁相环技术来设计WCDMA无线直放站锁相环的新方法。

2 WCDMA无线直放站本振部分的技术要求

WCDMA无线直放站对本振的要求:两个不同的输出频段（上行:1 760～1 820 MHz;下行:2 300～2 360 MHz）,频率增量为200 kHz,频率误差应小于等于±0.01 ppm,对于频率稳定度（包括长期稳定度、短期稳定度）、杂散抑制、相位噪声以及跳频时间等都没有提出具体的要求,如表1所示。但是相位噪声指标实际上间接影响EVM、PCDE等重要指标,良好的杂散抑制可以减小混频后的其它非线性产物。最后是本振功率和本振隔离的考虑,由于所选混频器要求高本振驱动（+17 dBm）,混频器的泵源如果达不到要求,就会造成混频器实际性能下降,如变频损耗的增加、本振的隔离度降低等。

表1 WCDMA本振设计技术指标Table 1 Design technical specifications of WCDMA LO

3 ∑-Δ调制小数分频锁相环的工作原理

如图1所示,小数分频[1-2]对于整数分频而言增加了F寄存器、加法器、相位累加器和脉冲清除器。小数部分以二进制的形式存储在F寄存器中,小数部分与相位累加器的数值在加法器中相加,并返回相位累加器。只要这种相加超前了1个周期,累加器的值到了十进制数“1”就会溢出,并且会发出一个脉冲清除命令,于是就清除了一个周期,在特定的周期中N+1个VCO脉冲被分频。由于累加器求和相同的小数部分,其溢出对应于VCO相位误差超过2π,因此,必须在一个参考循环内改变分频比为N+1以消除VCO的相位差。周期性改变分频比使VCO相位误差呈锯齿波变化,从而形成严重的小数杂散,必须加以滤除,用∑-Δ调制技术对小数杂散进行处理能得到比较理想的效果。

∑-Δ调制小数分频频率合成器是对传统的小数分频频率合成器中的小数分频器加以改进,高阶∑-Δ调制器会对量化噪声进行多次微分计算,使得量化噪声更多转向了频率的高端,对小数杂散的抑制更好。相对于整数分频频率合成器的鉴相频率会低很多,这样会提高相位噪声的指标。缺点是:压控振荡器输出一般会产生比较大并且数目比较多的小数杂散。而∑-Δ调制小数分频锁相环将能减小小数分频所产生的杂散问题且电路易于集成。因此本文提出一种使用∑-Δ调制小数分频锁相环技术来设计WCDMA无线直放站锁相环的新方法,其模型由电荷泵锁相环、鉴相器（PFD）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）和分频器几部分组成。

图1 小数分频锁相环的环路基本组成Fig.1 Basic composition of decimal fractional frequency phase-locked loop

4 基于ADS的PLL设计与仿真

利用ADS中的元件库和参考自带相关的例子,建立PLL环路时域瞬态响应电路模型[4-5],如图2所示。

图2 ADS设计的无线直放站锁相环电路Fig.2 ADS design of a wireless repeater PLL circuit

该系统各个参数的设定为:10MHz的温控振荡器（VCO）,外部参考源12 MHz。VCO输出要达到2 300 MHz,射频信号输出频率见公式（1）:

式中,INT是整数分频,FRAC是小数分频,MOD是模数。

鉴相器频率为

式中,REFIN是输入的参考频率,D是RF参考倍频数,R前置分频数。因此可得该系统的各个参数为:MOD=60,FPDF=12MHz,INT=191,FRAC=40。

4.1 鉴相器

鉴相器采用电荷泵输出的鉴相器。该类型锁相环的鉴相器采用了既可以鉴相又可以鉴频的鉴频鉴相器（PFD）,锁相环路可以获得几乎无限的捕获带宽,同时由于其采用电流源输出,克服了电压输出型鉴频鉴相器增益变化的问题。在本系统模型建立中,鉴相器采用ADS提供的元件PhaseFreqDetCP来实现,设置其输出电流为5mA,频率步进值为200 kHz。

4.2 环路滤波器

本次设计采用的是无源三阶环路滤波器,环路带宽为10 kHz,相位裕度在45℃～-50℃,1 MHz处的杂散为-70 dB。由于频率步进值为200 kHz,根据工程经验环路带宽为步进频率的1/20,因此环路滤波器的环路带宽为10 kHz。相位裕度直接关系系统的稳定性,理想的相位裕度为45℃。

根据该电路环路滤波器的开环和闭环特性,可以得到该三阶无源滤波器的相位裕度为49.632°,1MHz处的杂散为-82.77 dB,符合设计要求。将优化得到的参数代入PLL环路时域瞬态响应电路模型。

4.3 压控振荡器

压控振荡器是振荡频率受到一个外加输入电压控制的振荡器。本设计采用的是10 MHz的温控振荡器,小数分频部分用DSM模块构建,通过改变DSM输入直流的参数实现小数部分的改变,从而使得最后的输出电压可锁定2.3～2.36 GHz频段。

WCDMA无线直放站锁相环部分模型构建完,将各个参数设定好,最后的仿真结果如图3所示。

为体现小数分频的精度,本次设计采用合成2.30 GHz的本振信号。

采用外部10 MHz压控温补晶振（VCTCXO）合成2.30 GHz本振,整数分频N=191,小数分频为mean（dN）=2/3,即DSM模块的输入电压设为2/3 V。

图3 PLL环路时域瞬态响应仿真结果Fig.3 PLL transient response in time-domain

仿真结果显示锁定频率与理想频率很接近,误差是几赫。该频率偏差与200 kHz的步进相比很小。VCO锁定时电压为0.8 mV。通过改变DSM输入电压可以得到2.3～2.36 GHz频段的输出频率。

5 估算相位噪声

在环路带宽之内,PLL输出信号的相位噪声[6]主要由参考源、鉴相器（电荷泵）和分频器决定;而在环路之外,相位噪声主要由VCO决定。换句话说,环路对参考源、鉴相器（电荷泵）和分频器的相位噪声呈低通特性,而对VCO本身的相位噪声呈高通特性。该相位噪声结果如图4所示,可知该系统的相位噪声为-94.065 dBc/Hz@10 kHz,基本符合设计要求。

图4 相位噪声仿真图Fig.4 Simulation of phase noise figure

6 结 论

上述分析和仿真结果证明,WCDMA无线直放站锁相环采用∑-Δ调制改进小数分频和电荷泵鉴相器,具有相位噪声低、步进小、可工作在较高的鉴相频率等优势,在未来的4G通信系统及中继设备如WCDMA无线直放站中具有很好的应用前景。但是,WCDMA无线直放站的∑-Δ调制小数分频锁相环因为需要额外的杂散补偿,从而需要更大的功耗,且与整数分频锁相环相比价格偏高。因此,怎样尽量降低其成本和功耗也是一项崭新的课题。

[1] 杨志国.小数分频技术及其在卫星通信系统中的应用[J].工程实践与应用技术,2009,35（6）:59-61.

YANG Zhi-guo.Fractional Frequentcy-division and its App lication in SATCOM[J].Engineering Practice and Applied Technology,2009,35（6）:59-61.（in Chinese）

[2] 杨洪文.一种∑-Δ小数N频率综合器的系统仿真方法[J].系统仿真学报,2009,21（9）:2499-2491.

YANG Hong-wen.System Simulation Approach for∑-Δ Fractional-N Frequency Synthesizers[J].Journal of System Simulation,2009,21（9）:2499-2491.（in Chinese）

[3] 陈承贵.太阳能直放站锁相环系统设计应用[J].通信技术,2009,42（7）:15-17.

CHEN Cheng-gui.Design and Application of PLLs Repeater in Solar Energy System[J].Communications Technology,2009,42（7）:15-17.（in Chinese）

[4] 项顺祥.基于ADS的锁相环瞬态响应仿真[J].舰船电子工程,2008,172（10）:144-147.

XIANG Shun-xiang.Transient Response of Lock Loop Based on ADS Software[J].Ship Electronic Engineering,2008,172（10）:144-147.（in Chinese）

[5] 宋延东.基于ADS仿真的锁相环设计与实现[J].空间电子技术,2009（2）:24-28.

SON G Yan-dong.A Design of Phase-Locked Loop Based on AD S[J].Space Electronic Technology,2009（2）:24-28.（in Chinese）

[6] Gerry C T Leung.A 1V 13mW 2.5GHz Double-Rate Phase-Locked Loop with Phase Alignment for ZeroDelay[C]//Proceedings of the 29th European European Solid-State Circuits Conference.[S.l.]:IEEE,2003:109-112.

[7] Heung Gyoon Ryu.A new triple-controlled type frequency synthesizer using.simplidied ddfe-driven digital hybrid PLL system[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2002,11（6）:63-74.

Design of Sigma-Delta Fractional-N PLL for WCDMA Wireless Repeater

WANG Ji-ping,YANG Jin-mei,QIN Yuan-nian,TIAN Ke-chun
（College of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China）

According to the characteristics of PLL for WCDMA wireless repeater and advantages of low noise,high resolution,small steps of∑-Δmodulated fractional-N PLL,a∑-Δmodulated fractional-based PLL for WCDMA wireless repeater isproposed,and the system is simulated by ADS.Simulation results show that WCDMA wireless repeater PLL model based on the∑-Δmodulated fractional-N is correct,and it has some significance to the WCDMA w ireless repeater PLL design.

WCDMA;wireless repeater;sigma-delta modulation;third-order passive loop filter;dicimal fractional frequency;PLL design

The National Natural Science Foundation of China（No.NF010103）;Research Project of Education Department of Guangxi（No.200708MS005）;The Natural Science Foundation of Guangxi（No.0832245）

TN911.8

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2010.11.023

1001-893X（2010）11-0110-04

2010-05-06;

2010-10-11

国家自然科学基金资助项目（NF010103）;广西教育厅科研项目（200708MS005）;广西自然科学基金资助项目（0832245）

王吉平（1977-）,男,四川内江人,讲师,主要研究领域为无线通信系统、移动通信系统;

WANG Ji-ping was born in Neijiang,Sichuan Province,in 1977.He is now a lecturer.His research interests include wireless communication systems,mobile communication systems.

Email:w jp21@guet.edu.cn

阳金梅（1987-）,女,广西桂林人,本科生,主要研究方向微波射频;

YANG Jin-mei was born in Guilin,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1987.She is now an undergraduate student.Her research direction is microwave radio.

覃远年（1971-）,男,广西昭平人,高级实验师,主要研究领域为无线通信系统、移动通信系统、UWB技术;

QIN Yuan-nian was born in Zhaoping,Guangxi Zhuang Autonomous Region,in 1971.He is now a senior Technician.His research interests include wireless communications systems,mobile communication systems,UWB technology.

田克纯（1950-）,男,河南嵩县人,教授、硕士生导师,主要研究领域为无线通信系统、软件无线电技术。

TIAN Ke-chun was born in Songxian,Henan Province,in 1950.He is now a professor and also the superrisor of graduate students.His research interests include wireless communications systems,software radio technology.