0 引言

    頻率綜合器(簡稱頻綜)是無線通信,、雷達(dá)衛(wèi)星等電子系統(tǒng)的重要部件,，它能為變頻電路提供一系列可精確編程、等間隔離散,、高穩(wěn)定的本振頻率,。頻綜系統(tǒng)中主流的應(yīng)用焦點(diǎn)一直是鎖相環(huán)頻率綜合器(PLLFS)^[1]，相比于其他類型的頻綜如直接頻率合成器^[2],、直接數(shù)字頻率合成器^[3],、混合頻綜^[4]等，PLLFS具有頻帶寬,、頻譜質(zhì)量好,、結(jié)構(gòu)簡單、體積和功耗小等優(yōu)點(diǎn)^[5],，然而其主要的問題是頻率切換時(shí)間(又稱跳頻時(shí)間)相對(duì)較長^[6],。頻率切換時(shí)間是表征頻綜從某一頻率切換到另一頻率并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間^[7]，在這段時(shí)間內(nèi)頻綜系統(tǒng)無法正常工作,，直接影響了無線通訊系統(tǒng)的整體性能,。隨著跳頻通信的發(fā)展，各種通信協(xié)議對(duì)不同信道之間的頻率切換時(shí)間做了越來越嚴(yán)苛的規(guī)定,，比如GSM系統(tǒng)中的指標(biāo)為577 μs^[8]，GPRS通信標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的跳頻時(shí)間為200 μs^[9],，而目前4G移動(dòng)通信TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)中的要求縮短到了20 μs^[10],。因此鎖相環(huán)頻率綜合器（PLLFS）的頻率切換時(shí)間越來越受到關(guān)注,。

    根據(jù)PLLFS的工作原理，頻率切換時(shí)間主要取決于環(huán)路的鎖定時(shí)間^[11],。在PLLFS的研發(fā)中,，鎖定時(shí)間是一個(gè)核心關(guān)注的參數(shù)，除了前期需根據(jù)具體的應(yīng)用要求,，通過合理科學(xué)地選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的理論工作值之外,，更關(guān)鍵的是在頻綜模塊搭建好之后需要對(duì)其進(jìn)行多次測(cè)試分析和反饋調(diào)試，直到最終獲得嚴(yán)格滿足系統(tǒng)要求的鎖定時(shí)間值^[12],。

    使用信號(hào)源分析儀（E5052B）是目前能夠快速且準(zhǔn)確測(cè)試出鎖定時(shí)間的方法,，但是這款儀器較為昂貴，國內(nèi)的高校和研究單位還沒有廣泛普及,，長期以來一直使用諸如頻譜分析儀,、示波器這類常用儀器，始終沒有形成統(tǒng)一的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方法^[13],。由于測(cè)試原理以及測(cè)試設(shè)備的區(qū)別,，不同方法獲得的鎖定時(shí)間勢(shì)必存在著差異，導(dǎo)致測(cè)得的結(jié)果偏離真實(shí)值,，并且隨著對(duì)PLLFS鎖定時(shí)間的要求越來越短,，這些測(cè)試的偏差將加大對(duì)結(jié)果的影響。而相關(guān)研究報(bào)道中均未對(duì)鎖定時(shí)間的實(shí)際測(cè)試結(jié)果作過詳盡的討論以及誤差評(píng)定,。

    鑒于此,，本文選用了一款基于ADF4351的PLLFS模塊作為固定測(cè)試對(duì)象，分別采用“信號(hào)源分析儀法”,、“頻譜儀測(cè)量法”,、“示波器直接測(cè)量法”、“檢測(cè)VCO調(diào)諧電壓法”和“檢測(cè)LD引腳法”5種不同方法針對(duì)同一跳變頻點(diǎn)的鎖定時(shí)間進(jìn)行了實(shí)測(cè),，細(xì)致分析了這5種方法的測(cè)試原理,、測(cè)試準(zhǔn)確度和偏離誤差，并以“信號(hào)源分析儀法”的測(cè)試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),，橫向?qū)Ρ攘似渌?種方法的測(cè)量誤差,。通過本文的論述，能為相關(guān)行業(yè)研發(fā)人員提供一個(gè)系統(tǒng),、直接的技術(shù)參考,，幫助人們根據(jù)具體的應(yīng)用情況快速選擇出合理、有效的測(cè)試方案,，更加科學(xué),、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦u(píng)價(jià)相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

1 被測(cè)頻綜以及測(cè)試環(huán)境介紹

    本文選用ADF4351^[14]芯片搭建了一個(gè)頻綜系統(tǒng)，如圖1所示,。鎖相環(huán)的跳頻頻率,、鑒相電流和分頻比等參數(shù)由FPGA編程控制，環(huán)路參數(shù)的選定利用ADIsimPLL軟件仿真完成,，設(shè)置環(huán)路帶寬為49.6 kHz,，輸出頻率分辨率為200 kHz，參考頻率為25.6 MHz,。

    測(cè)試平臺(tái)(如圖2)主要包括：(1)Agilent E8267C矢量信號(hào)源,；(2)Agilent E4440A PSA系列頻譜分析儀；(3)Agilent MSO-X 2024A示波器,；(4)KEYSIGHT E5052B信號(hào)源分析儀（SSA）,；(5)Agilent E3631A直流電源。

    測(cè)量鎖定時(shí)間的前提是要盡可能地去除外界干擾因素,，因此本文在寫入ADF4351的控制程序中屏蔽了計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給芯片的時(shí)間,，使用了while循環(huán)語句并加入了適量的鎖定頻率保持時(shí)間，使PLLFS可以在兩頻率間(121 MHz和185 MHz)來回跳變,。并且兩個(gè)頻率鎖定后的保持時(shí)間長短設(shè)定不同,，以便在連續(xù)測(cè)試中區(qū)分出PLLFS的輸出頻率從121 MHz跳變到185 MHz(±200 kHz)的鎖定時(shí)間。

    實(shí)驗(yàn)中兩次寫入ADF4351中寄存器數(shù)據(jù)分別為：

    (1)輸出頻率為121 MHz時(shí)

    R0=0x4B8008,，R1=0x8008021,，R2=0x005E42，

    R3=0x8084B3,，R4=0xDCD06C,，R5=0x580005。

    (2)輸出頻率為185 MHz時(shí)

    R0=0x398028,，R1=0x8008041,，R2=0x005E42，

    R3=0x8084B3,，R4=0xCCD06C,，R5=0x580005。

2 信號(hào)源分析儀測(cè)試鎖定時(shí)間

    信號(hào)源分析儀（KEYSIGHT E5052B SSA）提供了直接觀測(cè)輸出信號(hào)瞬時(shí)特性的功能,，如圖3所示,，信號(hào)源分析儀內(nèi)部采用超外差式下變頻，待測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過混頻變成中頻信號(hào),，然后經(jīng)過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）并進(jìn)行了數(shù)字信號(hào)處理^[15],，可以同時(shí)顯示待測(cè)信號(hào)的輸出頻率、功率以及相位的時(shí)域跳變曲線,，在曲線上標(biāo)定變化位置,，取得的間隔時(shí)間即為鎖定時(shí)間,。這種方法不需要為測(cè)試額外搭建電路，能夠準(zhǔn)確,、完整且快捷地測(cè)量鎖定時(shí)間,。標(biāo)準(zhǔn)配置下E5052B可以為輸出頻率在10 MHz～7 GHz范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)測(cè)試,，并且對(duì)信號(hào)的輸出頻率有寬帶和窄帶兩種測(cè)試模式,，寬帶模式最高可設(shè)置為4.8 GHz的調(diào)頻分析范圍，而窄帶模式最小頻率分辨率可達(dá)0.01 Hz,，足夠滿足PLLFS的測(cè)試條件,。

    本實(shí)驗(yàn)選擇以160 MHz為中心頻率的200 MHz寬帶模式，將PLLFS的輸出信號(hào)接入SSA,，在瞬時(shí)狀態(tài)下使用觸發(fā)功能來捕捉信號(hào),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，測(cè)得輸出信號(hào)從121 MHz跳變到185 MHz的鎖定時(shí)間約為57.32 μs,，頻率跳變曲線的首末時(shí)間點(diǎn)(如圖4中1,、2號(hào)位置)可參照輸出信號(hào)相位的時(shí)域同步變化曲線精確定位。信號(hào)源分析儀法這種能同時(shí)測(cè)量頻率和相位的特性使得測(cè)量鎖定時(shí)間的準(zhǔn)確度大大提高,，直接觀測(cè)到真實(shí)的鎖定時(shí)間,，是對(duì)比其他測(cè)試方法最明顯的優(yōu)勢(shì)，在后面的試驗(yàn)中,，皆以57.32 μs為測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)鎖定時(shí)間,。

3 幾種經(jīng)典測(cè)試鎖定時(shí)間的方法

3.1 頻譜儀測(cè)量法

    采用頻譜儀測(cè)試鎖定時(shí)間是基于PLLFS的輸出信號(hào)在鎖定頻點(diǎn)功率穩(wěn)定不變的特性，通過測(cè)試輸出信號(hào)的功率隨時(shí)間的變化曲線獲得,。頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)如圖5所示,，測(cè)試鎖定時(shí)間是利用了頻譜儀可以對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析的特性，在頻譜儀的零掃描（zero span）狀態(tài)下,，掃描控制器的掃描電壓為一固定值,，它控制本振頻率將待測(cè)信號(hào)下變頻，然后檢波器將檢測(cè)到的信號(hào)功率顯示出來,。

    然而受檢波器的靈敏度限制,，只有當(dāng)待測(cè)信號(hào)變換到中頻位置的輸出功率大于某值（稱為觸發(fā)功率）時(shí)，檢波器才能檢測(cè)出信號(hào),，因此在頻率源輸出信號(hào)頻率從f1跳變到f2的過程中,，頻譜儀只能檢測(cè)出（t3-t2）這段時(shí)間的信號(hào)跳變曲線，如圖6所示,，而從頻率f1(121 MHz)失鎖到達(dá)到頻率f2(185 MHz)觸發(fā)功率的這段時(shí)間（t2-t1）則無法測(cè)試,，也就是說，頻譜儀檢測(cè)不到完整的鎖定時(shí)間,。實(shí)驗(yàn)測(cè)得(t3-t2)這段時(shí)間為42.33 μs,。

    具體測(cè)試的流程如圖7所示,。

    另外，在測(cè)試過程中還需特別注意頻譜分析儀的分辨率帶寬和觸發(fā)功率的設(shè)置,。分辨率帶寬表征了其分辨鄰近頻率信號(hào)的能力^[16],，設(shè)置的值不應(yīng)小于PLLFS的輸出頻率分辨率，否則測(cè)得的時(shí)間將會(huì)延長,，甚至不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù),。觸發(fā)功率的選擇也尤為重要，設(shè)置不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果,，如圖8所示,，其他條件相同，只改變觸發(fā)功率分別為-35 dBm,，-38 dBm和-40 dBm,，測(cè)得的時(shí)間持續(xù)增加，表明測(cè)試結(jié)果錯(cuò)誤,，直到觸發(fā)功率小于-40 dBm后,，測(cè)得的時(shí)間才趨于平穩(wěn)，測(cè)試結(jié)果才有效,。

    本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果比57.32 μs少了約15 μs,，偏離誤差達(dá)到-26.2%，缺少的時(shí)間為圖6中（t2-t1）的時(shí)間,，這段時(shí)間無法使用頻譜儀測(cè)試,，需要額外判斷或測(cè)量，這樣才能較準(zhǔn)確地測(cè)得鎖定時(shí)間,。

3.2 示波器直接測(cè)量法

    這種方法是將PLL輸出信號(hào)接入示波器的模擬通道,，直接在顯示屏上觀察頻率的跳變情況。示波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9所示,，被測(cè)信號(hào)由輸入端送至垂直系統(tǒng),，經(jīng)內(nèi)部放大電路后加至示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板，使光點(diǎn)垂直運(yùn)動(dòng),；水平系統(tǒng)中掃描信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波電壓,，經(jīng)放大后加至示波管的水平偏轉(zhuǎn)板，使光點(diǎn)沿水平方向勻速運(yùn)動(dòng),，二者合成,，光點(diǎn)便在熒光屏上描繪出被測(cè)電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律，即信號(hào)的時(shí)域電壓波形,。

    Agilent MSO-X 2024A示波器只能測(cè)試從直流到200 MHz頻率的輸出信號(hào),，而且由于測(cè)試儀器采樣率（2 GSa/s）和掃描時(shí)間精度(1 μs)的限制，示波器直接測(cè)量法的誤差較大,，如圖10中1,、2號(hào)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)很難精確定位,，這使得測(cè)試結(jié)果的偏差達(dá)到（57±5）μs，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值57.32 μs的偏離誤差為-9.3%～8.2%,，而且即使選用更高采樣率的示波器也難以判斷信號(hào)到底在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)穩(wěn)定下來,。隨著PLLFS輸出信號(hào)性能的提升，示波器直接測(cè)量法越來越難以滿足測(cè)試的指標(biāo)要求,。

3.3 檢測(cè)VCO調(diào)諧電壓法

    PLLFS在鎖定狀態(tài)下,，其VCO的調(diào)諧電壓為一固定值。當(dāng)環(huán)路失鎖時(shí),，調(diào)諧電壓會(huì)急劇變化,，直到再次達(dá)到相位鎖定，調(diào)諧電壓會(huì)穩(wěn)定在另一個(gè)固定值^[17],。根據(jù)這一原理，用示波器的探針探測(cè)VCO的調(diào)諧電壓端,，然后啟動(dòng)PLLFS控制程序,，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形如圖11所示，頻率從121 MHz跳變到185 MHz的鎖定時(shí)間約為54 μs,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，環(huán)路失鎖時(shí)示波器上能夠清晰地顯示出VCO調(diào)諧電壓端的急劇變化，但是我們難以精確定位穩(wěn)定頻率的時(shí)間點(diǎn),，如圖11中1,、2號(hào)位置，這導(dǎo)致了測(cè)試誤差急劇加大,，不同的取點(diǎn)位置使測(cè)試結(jié)果在52 μs～64 μs的范圍內(nèi)變化,，相比于57.32 μs的偏離誤差為-9.3%～11.7%。這些誤差的第一個(gè)原因是鎖相環(huán)路無論在鎖定狀態(tài)還是在失鎖狀態(tài),，VCO調(diào)諧端總有電壓信號(hào)輸出,，無法判定輸出信號(hào)在哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定^[17]。第二個(gè)原因,，VCO的調(diào)諧電壓是鎖相環(huán)內(nèi)相位誤差的函數(shù),，而不是輸出頻率的函數(shù)，輸出頻率穩(wěn)定時(shí)相位誤差可能還未達(dá)到穩(wěn)定,，進(jìn)而造成調(diào)諧電壓的不穩(wěn)^[11],。

3.4 檢測(cè)“LD引腳”法

    LD(Lock Detect)是PLL“數(shù)字鎖定檢測(cè)”的輸出引腳，此引腳輸出邏輯高電平時(shí)表示PLL鎖定,，邏輯低電平輸出表示PLL失鎖^[14],。實(shí)驗(yàn)用示波器的探針檢測(cè)ADF4351的LD引腳，之后啟動(dòng)PLLFS的控制程序,，測(cè)得輸出信號(hào)頻率從121 MHz跳變到185 MHz的鎖定時(shí)間約為52 μs,，如圖12所示,。

    寫給頻率源的固有寄存器值決定了該方法的測(cè)量誤差，ADF4351芯片在連續(xù)40個(gè)相位檢測(cè)周期內(nèi)的絕對(duì)相位誤差均小于10 ns,，LD引腳才會(huì)是高電平^[14]（在時(shí)鐘的上升沿實(shí)現(xiàn)電平跳變,，故可以忽略延時(shí)效應(yīng)），這是鎖相環(huán)芯片內(nèi)部的電路邏輯結(jié)構(gòu)所限制的,，當(dāng)LD引腳為高電平時(shí),，鎖相環(huán)可能還未達(dá)到真正的鎖定狀態(tài)，或者是已經(jīng)失鎖而尚未來得及變換電平,。因此“LD引腳”法測(cè)量鎖定時(shí)間的準(zhǔn)確度較差,，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)值少了5.32 μs，偏離誤差為-9.3%,，已不能滿足測(cè)試要求,。

4 橫向?qū)Ρ确治黾敖Y(jié)論

    根據(jù)第3節(jié)的分析，由于測(cè)試原理以及測(cè)試設(shè)備的區(qū)別,，測(cè)得的鎖定時(shí)間均存在不同程度的偏離誤差,。從頻譜分析儀法的實(shí)驗(yàn)分析來看，其測(cè)試鎖定時(shí)間的流程復(fù)雜,，測(cè)試難度較大,，而且并不能反應(yīng)PLLFS輸出頻率跳變的全過程，測(cè)試結(jié)果的偏離誤差為-26.2%,，在實(shí)際使用中必須額外判斷或測(cè)量缺失的部分,。示波器直接測(cè)量法、檢測(cè)VCO調(diào)諧電壓法和檢測(cè)LD引腳法的誤差也都相當(dāng)大,，偏離誤差分別為-9.3%～8.2%,、-9.3%～11.7%和-9.3%，不能準(zhǔn)確測(cè)試出ADF4351頻綜的鎖定時(shí)間,。

    當(dāng)PLLFS頻率跳變的鎖定時(shí)間為幾毫秒或幾百微秒時(shí),，測(cè)試指標(biāo)可以忍受幾微秒的偏差，但是如今頻率源的鎖定時(shí)間設(shè)計(jì)得越來越短,，甚至達(dá)到了十幾微秒的程度,，已不能容忍1微秒以上的測(cè)試誤差，在本文所使用的方法中只有信號(hào)源分析法可以滿足這樣苛刻的測(cè)試要求,。而目前類似頻譜儀測(cè)量法,、示波器直接測(cè)量法、檢測(cè)VCO調(diào)諧電壓法和檢測(cè)LD引腳法這些仍然是很多研究機(jī)構(gòu)測(cè)試鎖定時(shí)間的常用手段,，在測(cè)試結(jié)果后并沒有深究測(cè)試原理以及所使用的儀器引入的測(cè)量誤差,。所以當(dāng)PLLFS鎖定時(shí)間為百微秒以下的測(cè)試指標(biāo)時(shí)，一定要使用偏離誤差小,、能真實(shí)反映跳變?nèi)^程的測(cè)試方法,。

    通過本文的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)比分析,，推薦測(cè)試指標(biāo)在100 μs內(nèi)的鎖定時(shí)間選用信號(hào)源分析儀，100 μs以上的鎖定時(shí)間則可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試指標(biāo)選擇合適的方法進(jìn)行測(cè)試,，但一定要給出測(cè)量誤差以作參考,。

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