多功能时钟源研究

吴蓉蓉 张海福

1. 中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081；

2 .西安电子科技大学 陕西 西安 710071

引言

在无线通信技术领域，参考源是系统内必不可少的一个元素。在军事导航、雷达、卫星通信、时间与频率计量等众多领域，对于参考源的相位噪声及频率稳定度的要求越来越严谨。当前阶段，石英晶体振荡器是使用最广泛的一种频标单元[1-3]。它是利用石英晶体的压电特性制成的谐振元件，与半导体器件，阻容元件一起，构成频率稳定度极高，相位噪声极低的振荡器。但是，在目前的应用中，对石英晶体振荡器的性能进行最大化利用方面出现了一些瑕疵[4-5]。本文针对一款低噪恒温晶振的多领域应用，采用小型化设计思路实现了一种小尺寸、多功能、多通道参考源模块。下面分别讨论小型化参考源的原理及相位噪声、频标输入、输出端口电路处理对参考源相位噪声的影响。

1 参考源设计

1.1 原理及指标分析

多功能便携式参考源结构如图1所示。整体的设计思路顺次包括三部分：频标输入、频标多功能处理及后端放大。目前输入频标使用最广泛的为10MHz、100MHz两种形式。基于这两种外频标形式，频标输入端设计了分路、滤波、检波、放大电路。

图1 参考源模块原理框图

其中，当外频标10MHz时，通过锁相环方式处理外频标，产生100MHz参考源。为了使得锁相环产生的100MHz参考源相位噪声，与晶振直接产生的100MHz参考源近端相位噪声达到无差别，锁相环中低通滤波器带宽选型必须小于3Hz。图2为此锁相环相位噪声的仿真结构。这样的设计，不会改变参考源环带外的低相位噪声。理论设计相位噪声指标为：-170dBc/Hz@10KHz，-175dBc/Hz@100KHz。

图2 锁相环低通滤波器电路

1.2 频标输入端口电路处理对参考源相位噪声的影响

频标输入端数字检波电路，对参考源相噪基本无影响。在外频标的设计上采用全自动化切换。

比较了用开关切换电路，和分路滤波电路这两种形式对参考源输出相位噪声的影响。应用开关切换电路对近端相位噪声影响较大，尤其在10kHz上表现出7dBc。开关切换对低噪参考源相位噪声的影响巨大，所以再接下来的方案中用到开关切换电路时，要评估相位噪声指标。为什么都是无源切换电路，怎么会产生如此大的差别呢？

一个实际存在的信号，表现为噪声边带连续的分布在载波频率的上下两边，频域表示的相位噪声可以看作是无限数模的相位调制边带[6-7]，每个相位调制边带又是由一个低频调制信号而产生的。电阻、电容、二极管和晶体管都会产生内部噪声。低于5KHz的各频率上，1/F噪声起主要作用；从5KHz开始直到有源器件的增益开始下降的高频频段内，热噪声起主要作用。HMC194MS8开关在通、断状态输出信号的功率相差近100dB,但是有一个开关时间为24ns，在应用时由于开关频率的影响导致相位噪声的恶化。

1.3 频标输出端口电路的处理对参考源相位噪声的影响

频标后端电路处理方式通常采用最传统的放大、分路、放大、分路形式，所以放大器的选择对相位噪声造成了一定程度的恶化。所以，采用低噪声放大器是比较好的选择。

2 采样时钟及自校源

采样时钟和自校源的设计应用了HITTITE公司的集成芯片HMC830LP6GE、HMC833LP6GE、LMX2594、LMX2595，这4种芯片集成了鉴相器和VCO，内部设计单片机控制时钟输出频率。频率范围为10MHz～19GHz。

3 结构设计

受小型化的约制，改善支路间耦合特性可以采用改变边界条件，使用吸收材料，增大路间隔离，多层设计等思路。该模块尺寸为50mm×50mm×15mm，比传统简单双面印制板尺寸缩小了3倍。印制板正面为模型前端电路，背面为后端处理电路，中间为电源控制层及接地层。对外接口采用SMP接插件。控制、射频、电源三个回路之间经过细致的滤波和屏蔽处理，消除了互相干扰。

4 结束语

多功能参考源小模块的应用领域极其广泛。由于小尺寸的约制，对频标相位噪声的优化水平已经达到极限。但是已具备可集成性能，可集成于分系统内部，或者嵌入式整部件中，为本振及分系统提供参考源。还有一个优点在于频标前端的检测、放大、幅度调制、内外切换及锁相功能都是独立的，都可以根据外界需求来自动控制打开或者关闭。