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如何在保证相位噪声性能的基础上改善整数边界杂散达10dB？

小数分频器整数边界杂散问题的提出
小数分频器整数边界杂散的优化设计

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h1654155275.6347

2021-4-19 14:33:38
LMX2531 系列产品被广泛应用于无线通讯基站系统，相比较整数分频，采用小数分频可以获得更好的相位噪声性能，但是小数分频会导致杂散问题，特别是整数边界杂散尤为突出。本文介绍一种在尽可能保证相位噪声性能的基础上，改善整数边界杂散达10dB。

1.    小数分频器整数边界杂散问题的提出

相对于整数分频频率合成技术而言，小数分频频率合成技术通过较小的N 分频比进而产生一个较高的鉴相频率。在这其中，delta-sigma 小数分频技术得到最广泛的应用。根据下面的相位噪声公式1.1 得知，较小的分频N可以改善输出信号的相位噪声性能，这也是最近几年小数分频频率合成技术大行其道的魅力所在。

image002.gif





在获得良好的相位噪声性能的基础上，小数分频技术的杂散相对于整数分频技术而言表现的更复杂。TI 公司Dean Banerjee 执笔的应用文档1879《Fractional N Frequency Synthesis》中对杂散的产生原理以及相应的处理对策有着非常详尽的阐述，这里就不再做过多的阐述。对于小数杂散中最为严重的整数边界杂散，文中对此的处理方式是频点规避，这种处理方式增加了射频本振在移动通讯基站中的应用复杂度。本文以业内广泛使用的LMX2531 系列为例，通过LMX25312080EVAL 评估板 ,结合设计仿真软件clock design tool 和寄存器配置软件codeloader4 ，针对整数边界杂散在原有的设计中进行优化设计，最终获得10dB 的改善。

2.    小数分频器整数边界杂散的优化设计

图1 是利用clock design tool 软件设计出来的原始设计，环路带宽为11kHz，相位裕量为42.4 度。图2 是环路滤波器的拓扑结构，表1 是该威廉希尔官方网站 的相位噪声和杂散实测结果

image004.gif




图1 LMX2531LQ2080 原始设计

image006.gif




图2 原始设计

表 1 原始设计性能测试结果

相位噪声性能（RMS  的积分带宽为1kHz  到1MHz）
杂散




@1kHz
@10kHz
@100kHz
@1MHz
RMS
dBc@40kHz
-83.3
-85.8
-112.7
-135.9
0.627 度
-49

当分子为1 或者FDEN-1 的杂散，即整数边界杂散，是所有杂散中最为恶劣的情况，特别是作为GSM 基站的发射本振，LMX2531 的这个杂散或者高次谐波杂散将会通过混频器或者IQ 调制器发射出去，不能满足发射谱模版要求。通过减小环路带宽从而加强对@40kHz 杂散的抑制，但过小的环路带宽会严重影响锁相环的锁定时间。

尝试改变与杂散相关的环路参量，发现减小鉴相频率会明显改善@40kHz 的杂散，在原始设计中不改变其他参量，减小鉴相频率以及相应的小数分母以保证分子为1 时仍输出1966.12MHz 信号。表2 是测试结果。

表2 杂散测试结果


鉴相频率（MHz）
小数分频部分
环路带宽（kHz）
杂散（dBc）
30.72
1/768
11
-49
15.35
1/384
6.5
-55
7.68
1/192
4.1
-59
3.84
1/96
2.8
-61
1.92
1/48
1.9
-63


通过上述测试结果发现，整数边界杂散有了非常明显的改善。图3 是基于3.84MHz鉴相频率的重新设计优化设计，环路带宽为11.5kHz，相位裕量为39 度。

image008.gif




图3 整数边界杂散优化设计1

输出信号1966.12MHz信号的性能测试结果如表3 所示。

表3 优化设计1 的性能结果

相位噪声性能（RMS 的积分带宽为1kHz 到1MHz）
杂散




@1kHz
@10kHz
@100kHz
@1MHz
RMS
dBc@40kHz
-79.4
-82.3
-111.9
-136.4
0.835 度
-58

为了满足10dB的杂散优化目标，再次重新设计图4 所示的参量，环路带宽为8kHz，相位裕量为43 度。

image010.gif




图4 整数边界杂散优化设计2

表4 优化设计2 的性能结果

相位噪声性能（RMS 的积分带宽为1kHz 到1MHz）
杂散




@1kHz
@10kHz
@100kHz
@1MHz
RMS
dBc@40kHz
-81
-81.3
-113.8
-137.5
0.887 度
-59

3.    小结

本文以LMX2531LQ2080E为例，提供了一种优化小数分数中最为恶劣的整数边界杂散， 而不是采用频率规避的方法。在付出了0.26 度相位噪声恶化的代价下，获得了高达10dB的整数边界杂散性能改善。当然降低电荷泵电流、减小环路带宽等方法也会适当改善整数边界杂散，但是通过实验验证发现，减小电荷泵电流改善的程度非常有限，而且小的电荷泵电流也会对相噪性能有着较大的影响；过窄的环路带宽会带来较长的环路锁定时间，对锁相环技术的应用有着限制作用。所以如果相位噪声性能要求不是异常苛刻的情况下，可以尝试较小的鉴相频率从而获得不错的杂散性能
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