整数边界杂散的仿真测试与消除方法分析

作者：Robert Brennan，ADI公司

锁相环 （PLL） 和压控振荡器 （VCO） 输出特定频率的RF信号，理想情况下此信号应当是输出中的唯一信号。但事实上，输出中存在干扰杂散信号和相位噪声。本文讨论最麻烦的杂散信号之一——整数边界杂散——的仿真与消除。

仅可工作在鉴频鉴相器参考频率整数倍的PLL和VCO组合 （PLL/VCO） 称为整数N分频PLL。具有更精细频率步进的PLL/VCO称为小数N分频PLL。小数N分频PLL/VCO灵活性更高，使用更广。小数N分频PLL能以参考速率调制PLL中的反馈路径，从而实现该目标。小数N分频PLL/VCO相比鉴相器参考频率虽然具有更为精细的频率步进，但它会产生称为整数边界杂散 （IBS） 的杂散输出。整数边界杂散发生在PLL鉴频鉴相器参考（或比较）频率 （fPFD） 的整数倍（1、2、3 … 20、21 …）之处。例如，假设fPFD = 100 MHz，则整数边界杂散将位于100 MHz、200 MHz、300 MHz … 2000 MHz、2100 MHz。在所需VCO输出信号为2001 MHz的系统中，IBS将位于2000 MHz——相比所需信号偏移1 MHz。由于PLL系统的有效采样，这种偏移1 MHz的IBS混叠至所需信号的两侧。因此，当所需输出为2001 MHz时，杂散信号将位于2000 MHz和2002 MHz。

整数边界杂散不受欢迎的两个主要原因：

如果它们距离载波（期望信号）频偏小，则IBS功率会对相位噪声积分产生贡献。

如果它们距离载波（期望信号）频偏大，则IBS将调制/解调相邻通道至目标通道，导致系统失真。

在某些系统中，高整数边界杂散会导致部分输出通道无法使用。如果某个系统在特定频谱带宽内有1000个通道，并且10% 通道内的杂散信号高于某个功率水平，那么这100个通道可能无法使用。在频谱带宽成本高昂的协议中，如果有10%的通道不可用，那么这将是一种浪费。

当整数边界离开目标输出频率而落在PLL带宽内的时候，整数边界杂散最强。也就是说，如果输出频率为2000.01 MHz，并且环路带宽为50 kHz，则IBS最大。随着输出频率远离整数边界，IBS功率也随之以可计算和可重复的形式下降。ADI公司的全新免费仿真器——ADIsimFrequencyPlanner——采用这种可预测的特性来精确仿真整数边界杂散功率（及其它）。

图1显示了最差情况下的整数边界杂散功率，此时各输出频率范围为1900 MHz至2150 MHz（1 MHz步进频率）。可以看到，在2001 MHz时，最差情况IBS功率为 –70 dBc（载波功率以下70 dB）。在2000 MHz处没有IBS，因为输出频率落在整数边界上。IBS功率随着载波远离整数边界而下降，直到载波开始接近下一个整数边界。

落在两个整数边界（图1中的2049 MHz和2051 MHz）之间的一半处的杂散信号，属于二阶整数边界杂散。二阶整数边界杂散出现在整数边界之间的一半位置。通常情况下，二阶IBS比一阶IBS低10 dB至20 dB。ADIsimFrequencyPlanner可以仿真一阶、二阶、三阶、四阶和五阶整数边界杂散。

图1. 1900 MHz至2150 MHz范围内各输出频率的最差情况整数边界杂散功率（1 MHz频率步进；100 kHz环路带宽；HMC830）。

假设某个调制方案声明整数边界杂散功率高于 –80 dBc的通道不可用；那么，图1中大约有10% 的通道将不再可用。为了解决这个问题，ADIsimFrequencyPlanner可以优化PLL/VCO配置以便降低（并且在大多数情况下消除）整数边界杂散。前文提到整数边界杂散发生在PFD频率的整数倍之处，并且在靠近载波频率时最大。如果可以改变PFD频率，使PFD频率的整数倍落在足够大的载波频率偏移频率处，那么IBS功率将下降至不会产生问题的水平。这就是ADIsimFrequencyPlanner算法所做的事情——ADIsimFrequencyPlanner计算一阶到五阶整数边界杂散的相对功率，并找到最优解决方案，使VCO输出的整数边界杂散最低。

如何改变PFD频率？一般而言，在PLL/VCO系统中，PFD频率是固定的。然而，对于大部分可编程时钟分配源、PLL参考输入分频器和PLL小数N分频调制器架构来说，现在可以轻松改变每个输出通道的PFD频率了。

在推荐的解决方案中，我们采用新型时钟生成和分配芯片HMC7044。HMC7044具有14个超低噪声输出，每个输出均集成可编程分频器。通过将这些输出之一连接到PLL参考输入，然后对输出分频器按需进行编程，则参考频率阵列便可用于PLL。

HMC7044是时钟分配系统，可用于针对ADC、DAC和其它系统元件采用多种同步时钟的应用。无需那么多输出的较简单应用可以使用更为简单的替代方案，比如HMC832或ADF4351——这两款器件均为集成式PLL和VCO芯片。

然后，在PLL参考输入端，参考输入分频器（R分频器）可按需编程，将可用参考频率阵列分为更大的PFD频率阵列（PFD频率是R分频器输出端的频率）。多亏了PLL内置的高阶小数N分频调制器，改变PFD频率不会妨碍得到所需的输出频率。此外，PLL的可编程电荷泵电流可用来补偿PFD频率的变化，因此可以保持恒定环路带宽。

图2. PFD频率选择框图。

示例：

fPFD （MHz）NICPfPFD × N = RFOUT （MHz）注释

10020.012.082001IBS （ ± 1 MHz 时）

7526.681.882001IBS （ ± 24 MHz 时）

其中：

ICP= 可编程电荷泵电流；

fPFD = PLL PFD频率；

N = PLL小数N分频值；

RFOUT = VCO输出频率/载波频率/目标信号

可编程电荷泵电流的变化方向与PFD频率相反——PFD频率增加则电荷泵电流下降。这是为了保持环路滤波器的动态恒定。

使用ADIsimFrequencyPlanner时，用户输入所需的输出频率范围、步进大小、PFD频率和参考频率限制条件，以及环路滤波器参数。用户还可选择可用的时钟发生器输出分频器和PLL参考输入分频器。随后，ADIsimFrequencyPlanner逐一对目标频率进行分析，并根据可用PFD频率阵列计算最优PFD频率。然后，ADIsimFrequencyPlanner将所需的分频器设置和电荷泵电流返回至用户。数据可轻松导出至查找表中，供最终应用的固件读取，然后相应编程HMC7044和PLL/VCO。ADIsimFrequencyPlanner还可生成一系列照片，向用户显示发生了什么。

在图3中，用户使用了与图1相同的配置，不同的是这次PFD频率通过改变HMC7044输出分频器和PLL参考输入分频器而优化。未优化的仿真如图中灰色部分所示，供对比。

图3. 与图1相同的输出配置，不过这次优化了PFD频率。

由图3可见，在输出范围内（1900 MHz至2150 MHz，1 MHz步进），所有整数边界杂散现在都低于 –95 dBc。这表示性能有了大幅提升，并且目标输出有极高的百分比具有相同的高质量。

将ADIsimFrequencyPlanner应用到宽带VCO

在测量ADIsimFrequencyPlanner精度和有效性的实验中，将部分ADI高性能器件放在一起，并在实验室中进行评估。该实验需要用到下列器件：

HMC7044时钟生成和分配：

高达3.2 GHz输出。

J符合JESD204B标准。

超低噪声（抖动低于50 fs，12 kHz至20 MHz）。

–142 dBc/Hz（偏移983.04 MHz输出800 kHz）。

6个可编程输出。

集成式PLL和VCO ADF5355：

RF输入高达8 GHz。

100 MHz最大PFD频率。

–233 dBc/Hz归一化相位噪底。

超低噪声PLL HMC704：

RF输入高达8 GHz。

100 MHz最大PFD频率。

–233 dBc/Hz归一化相位噪底。

虽然ADF5355内部集成PLL，但是使用HMC704从外部锁定ADF5355 VCO。这样做有两个主要好处：

总相位噪声得益于ADF5355业界领先的VCO相位噪声性能，以及得益于HMC704业界领先的PLL相位噪声性能。

隔离VCO和PLL可减少干扰信号耦合，从而降低杂散信号的功率。

ADIsimFrequencyPlanner用来优化4800 MHz至6300 MHz范围的输出，步进为250 kHz（6000次步进）。在每个步进处，最优分频器设置（因而PFD频率也最优）和电荷泵电流编程至HMC7044、ADF5355和HMC704。一旦器件编程并产生步进，频谱分析仪便测量载波功率、一阶和二阶整数边界杂散的功率。频谱分析仪采用极为狭窄的频率范围和分辨率带宽——即便如此，在大部分通道中仅测量噪声，因为整数边界杂散功率低于仪器的噪底。

以下测量为PFD频率限制在60 MHz至100 MHz范围内的时候测得。环路带宽和相位裕量分别为17 kHz和49.6°。

图4显示了HMC7044、ADF5355和HMC704解决方案的测量和仿真结果。

仿真和测量6000个输出通道。

大部分整数边界杂散都在 –120 dBc附近仿真。这低于频谱分析仪的噪底，因而仅测量噪声。

大部分频率的杂散低于 –100 dBc！典型要求是 –70 dBc至 –80 dBc。

优化不改进IBS的唯一区域是低于2 MHz宽的部分，并且发生在2 × HMC7044主机时钟处——在该频率下，没有任何分频器组合可以改善IBS性能。下文提供替代解决方案。

图4. HMC7044、ADF5355和HMC704的测量与仿真结果。注意ADIsimFrequencyPlanner正确仿真了不可优化的较窄频率范围。在其它大部分频率处，测量受限于频谱分析仪的噪底。

只有在一个非常窄的频率范围内，优化PFD频率才无法改善IBS性能。该频率范围是系统主时钟的两倍（本例中为2949.12 MHz × 2 = 5898.24 MHz）。在此频率下，如果应用可行的话，建议将载波频率转换至附近更为干净的频率，然后将基带频率转换至数字 （NCO） 以补偿。例如，载波频率偏移2 MHz，然后将数字基带频率偏移2 MHz以补偿。此外，如果系统可行的话，可改变主机时钟频率，创造干净的输出频率。

如果采用上述较为简单的解决方案（使用HMC832或ADF4351而非HMC7044），那么就不会产生任何有问题的频率！

由图4可以看出，ADIsimFrequencyPlanner可以：

精确仿真整数边界杂散。

成功优化参考源和PLL/VCO系统，以便实现出色的整数边界杂散性能。

这样可以在某个范围内使更多通道可用，从而提升昂贵频谱的成本价值。

快速仿真宽频率范围。如进行手动处理的话，可能需要数天或数周。上文中的6000个步进在ADIsimFrequencyPlanner中处理只需花不到1分钟的时间。

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