0 引言

    頻率綜合器(簡(jiǎn)稱(chēng)頻綜)是無(wú)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(lèi)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(jiǎn)單、體積和功耗小等優(yōu)點(diǎn)^[5]，然而其主要的問(wèn)題是頻率切換時(shí)間(又稱(chēng)跳頻時(shí)間)相對(duì)較長(zhǎng)^[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(wú)法正常工作，直接影響了無(wú)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(lái)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(lái)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(guò)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(mǎn)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(guó)內(nèi)的高校和研究單位還沒(méi)有廣泛普及，長(zhǎng)期以來(lái)一直使用諸如頻譜分析儀、示波器這類(lèi)常用儀器，始終沒(méi)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(lái)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(guò)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(guò)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(xiě)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(yǔ)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(lái)回跳變。并且兩個(gè)頻率鎖定后的保持時(shí)間長(zhǎng)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(xiě)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(guò)混頻變成中頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(lái)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(guò)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(lái)。

    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(chēng)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(guò)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(wú)法測(cè)試，也就是說(shuō)，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(guò)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(zhǎng)，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(wú)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(lái)。隨著PLLFS輸出信號(hào)性能的提升，示波器直接測(cè)量法越來(lái)越難以滿(mǎn)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(wú)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(wú)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(xiě)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(lái)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(mǎn)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(lái)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(guò)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(lái)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(mǎn)足這樣苛刻的測(cè)試要求。而目前類(lèi)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(méi)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)^(guò)程的測(cè)試方法。

    通過(guò)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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