基于FPGA的低噪声小数N分频频率合成器设计

“低噪声小数N分频频率合成器的设计和实现，曹艳平，北京邮电大学通信与信息系统，通过FPGA和模拟电路混合实现的锁相（PLL）结构，包括VCO、LF、鉴相器和分频器，重点研究如何降低小数分频噪声，适用于多制式基带或中频信号处理。” 本文主要探讨的是低噪声小数N分频频率合成器的设计与实现，这种合成器在通信系统中扮演着重要角色，尤其是在多制式基带或中频信号处理中。传统的频率合成器通常由基本的锁相环（PLL）结构和一个整数N分频器组成，但这样的设计在某些情况下无法满足高频率分辨率和快速锁定时间的要求。为了解决这一问题，引入了小数N分频技术，它能够提供更精细的频率步进，同时保持较短的锁定时间。 小数N分频器的引入虽然提高了频率分辨率，但也带来了新的挑战，即会引入噪声，特别是在低于参考频率的频段中产生寄生边带，影响频率合成器的性能。文章的重点在于研究如何降低这种由小数分频引起的噪声，以优化整个系统的性能。 作者曹艳平提出了一种混合实现方式，结合模拟电路和数字可编程逻辑器件（如FPGA），设计出大范围低相噪的压控振荡器（VCO）。VCO是锁相环的核心组件，其输出频率受环路滤波器的控制，通过改变VCO的增益（K）和中心角频率（ω0）来调整输出频率。鉴相器（PD）则负责比较VCO的输出与参考信号的相位差，产生误差信号供环路滤波器处理。 环路滤波器（LF）在锁相环中起到关键作用，它平滑误差信号，滤除高频噪声，并将处理后的信号反馈给VCO，以调整VCO的频率使其与参考信号同步。设计中，环路滤波器的选择和参数设置对整个系统的噪声性能至关重要。 此外，文章还涉及了利用闭环分析法来评估和优化PLL环路的整体性能。这种方法通过对环路传递函数的分析，可以预测和控制环路的稳定性和噪声特性。 这篇论文深入研究了低噪声小数N分频频率合成器的关键技术和实现细节，为通信系统中高效、高精度的时钟产生提供了理论基础和实用方案。通过优化VCO设计、降低小数分频噪声和精确的环路滤波器配置，实现了宽频率范围、高分辨率且频谱纯度高的时钟信号。这项工作对于提升现代通信设备的性能具有重要意义。