顧名思義，鎖相環(PLL)使用鑒相器比較反饋信號與參考信號，將兩個信號的相位鎖定在一起。雖然這種特性有許多用武之地
，但是PLL如今最常用於頻率合成，通常充當上變頻器/下變頻器中的本振(LO)，或者充當高速模數轉換器(ADC)或數模轉換器(DAC)的時鍾。

 

直到最近
，我們很少注意這些電路中的相位行為。但隨著對效率
、帶寬和性能的需求日益增長，RF工程師必須推出新技術來提高頻譜和功率效率。信號相位的重複性、可預測性和可調性在現代通信和儀器儀表應用中均起到日益重要的作用。

 

一切都是相對的

關於相位測量
，如果不是相對於另一個信號或相對於原始相位則毫無意義。例如，使用矢量網絡分析儀(VNA)對放大器之類的兩端口網絡進行相位測量，就是相對於輸入相位ANG(S21)測量輸出相位的。單輸入相位指相對於入射相位ANG(S11)的反射相位。在PLL合he成cheng器qi上shang
，相xiang位wei測ce量liang指zhi的de是shi相xiang對dui於yu輸shu入ru參can考kao相xiang位wei的de測ce量liang或huo信xin號hao間jian的de相xiang位wei測ce量liang。任ren何he相xiang位wei測ce量liang的de理li想xiang狀zhuang態tai就jiu是shi測ce得de與yu原yuan始shi相xiang位wei相xiang比bi的de精jing確que期qi望wang值zhi
，但dan是shi非fei線xian性xing、非理想性、溫差和電路板跡線以及其他製造差異都會使得相位在信號生成中更容易發生改變。對於本文而言，“同相”是指幅度和時序特性相同的信號；確定性相位是指信號之間的相移是已知和可預測的。

 

示波器測量相位

為(wei)了(le)比(bi)較(jiao)兩(liang)個(ge)不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)相(xiang)位(wei)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)高(gao)速(su)示(shi)波(bo)器(qi)比(bi)較(jiao)輸(shu)出(chu)相(xiang)位(wei)與(yu)參(can)考(kao)相(xiang)位(wei)
，這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)相(xiang)對(dui)直(zhi)觀(guan)的(de)方(fang)法(fa)。為(wei)了(le)直(zhi)觀(guan)可(ke)見(jian)

，輸(shu)入(ru)相(xiang)位(wei)和(he)輸(shu)出(chu)相(xiang)位(wei)通(tong)常(chang)必(bi)須(xu)是(shi)彼(bi)此(ci)的(de)整(zheng)數(shu)倍(bei)。這(zhe)在(zai)許(xu)多(duo)時(shi)鍾(zhong) 電路中相對比較常見。對於整數N分頻PLL，輸入頻率(REFIN)和輸出頻率(RFOUT)之間的關係通常是確定和可重複的。隻需將示波器探頭放在REFIN和RFOUT上，但注意僅捕獲確定已建立相位時的信號。像RTO1044這樣的高級示波器，隻有在滿足某些條件時才允許事件觸發激活：比如將特定的數字模式寫入PLLqijianyijiyizhixinhaodeshangshengyanchuxianshi。jianyushuzimoshidexieruyuzuizhongxinhaowendingzhijiankenenghuiyouyixieyanchi
，yincizaizhelianggeshijianzhijiancharuyixieyanchizhiguanzhongyao，zhezhongtedingxinghaodeyiqijiukeyishixianzheyigongneng。

 

圖1的測量是為了確認ADF4356 PLL相對於已知參考信號（在這種情況下
，另一個ADF4356設定相同的輸出頻率）的相位延遲在上電時是否恒定和可重複。為了正確設置儀器，將兩個低速探頭連接到ADF4356 SPI接口的CLK線路和DATA線路。若要將數字模式寫入特定頻率
，則必須等待1秒鍾，儀器才能捕獲顯示兩個PLL輸出的時域圖。

 

圖1. 整數N分頻設置

 

對於此測量，兩個ADF4356 PLL鎖定在4GHz的VCO頻率並在8MHz至500MHz的範圍內分頻，其中一個PLL使用軟件掉電功能反複開啟和關閉。示波器采用無限持續模式進行119次采集，兩個PLL之間的相位差恒定且可重複。為了確保相位差可重複，需遵循許多注意事項。相比較而言
，低的R分頻值比高的R分頻值帶來的不確定性較少
，而且將來自VCO輸出的分頻反饋饋送到N計數器輸入至關重要。鑒於ADF4356 PLL和VCO包含1024個不同的VCO頻段，務必使用手動校準覆蓋程序來消除此不確定性。

 

相位再同步定義

相位再同步是指小數N分頻PLL在每個給定頻率下返回相同相移的能力。也就是說，相位為P1的頻率A在改為頻率B後，當頻率重新設定為回到F1時，觀察到仍具有相同的原始相位P1。該定義忽略了由VCO漂移
、漏電流
、溫度變化等因素引起的變化。

 

再同步將複位脈衝發送到小數N分頻∑-∆調製器
，從而使其處於已知的可重複狀態。在完成VCO頻段選擇和環路濾波器建立時間等頻率建立機製之後，需要施加此複位脈衝。其值由寄存器12中的超時計數器控製。新近的PLL能夠調整此複位脈衝的時序，實現了一定程度的輸出信號可調性。此外，它還能以360°/225步進改變時序，比大多數儀器更輕鬆地完成測量。

 

圖2. 進行小數N分頻再同步，頻率範圍4694 MHz至4002.5 MHz

 

對於本實驗，兩個ADF4356 VCO的頻率均設定為4002.5 MHz且采用8分頻。第二個PLL的VCO頻率設定為4694MHz
，然後設定為回到4002.5 MHz。通過使用示波器檢查PLL行為可以看出，在1700次頻率變化後
，PLL每次都穩定在同一相位。

 

為了表征不同的相移特性，相位字設定為4194304/225（相當於90°）。設定90°、180°、270°和0°的相應類似值，再次查看示波圖（圖3）。

 

圖3. 具有可變相移的相位再同步

 

相對於通道1上的原始信號，觀察到四個間隔相等的信號，從而確認了具有可編程偏移的相位再同步的準確性。

 

該功能非常有用，意味著可以為每個用戶頻率創建相位值查找表
，在每次使用時記錄相位值。在需要組合四個同相LO頻率的應用中，相位再同步和偏移功能用於調整輸出相位，從而共同 提供低6dB的相位噪聲。如果用作可調LO（可能在信號分析儀的第一級上）
，再同步和相移功能允許用戶在上電時執行一次性校準以確定每個LO的精確相位值。在用作LO時
，可以根據需要按照每個LO設定相位值，從而無需在每個頻率下執行校準。

 

圖4. 需要精確控製PLL輸出相位的相位關鍵型應用

 

對於像網絡分析儀這樣的相位關鍵型應用，該電路可以在上電時測量每個頻率下的相位值，然後根據需要設定
，因為LO會作用於整個目標範圍。

 

測量相位
、矢量信號和網絡分析儀

矢量信號和網絡分析儀也可用於表征相位行為，盡管其僅限用於比較器件的相位與其初始值。可以將FSWP等高級分析儀置於FM解調模式並選擇相位輸出。

 

這對於評估ADF4356 PLL上的相位再同步功能非常有用。下麵的跡線（圖5）表示ADF4356相位在5025MHz的輸出頻率下變化了180°。

 

圖5. 180°相移時的FSUP FM解調器輸出

 

相位調整

相位調整功能可避免∑-∆調製器複位，隻需為現有相位添加一個0°至360°之間的相位字即可。在不希望相位複位的應用中
，這一操作非常有用。它可以用於動態調整相位字以補償由於溫 度等影響而產生的相位差。

 

相位調整在R0每次更新（采用寄存器3的編程值）時為現有信號添加相位。它不包含相位再同步等複位脈衝。以下來自FSWP的測量結果表示的是原始信號增加90°（圖6）和270°（圖7）的情況。在這兩種情況下，ADF4356的輸出頻率在相位更改之前都設置為5025 MHz。

 

圖6. 90°變化

 

圖7. 270°變化

 

整個溫度範圍內的行為

dianganqidewulicanshusuiwenduerbianhua，qidiantexingyeyiyang，biaoxianweixiangweibianhua。weilejianshaozhezhongxiangweibianhua，yonghukeyishedingsuoxudexiangyiyibaochixiangtongdexiangwei。shuchupinlvshedingwei4GHz的兩個ADF4356 PLL，以相同相位放置在同一爐室中，密切跟蹤彼此的相位（圖2），從而證明用戶可以根據溫度調整相位。

 

圖8. ADF4356在整個溫度範圍內的相位漂移
，測量時的VCO頻率為4GHz。

 

5G

波束成形是實現5G網(wang)絡(luo)架(jia)構(gou)的(de)一(yi)種(zhong)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)。這(zhe)些(xie)網(wang)絡(luo)中(zhong)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)元(yuan)件(jian)
，每(mei)個(ge)元(yuan)件(jian)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)的(de)相(xiang)位(wei)和(he)幅(fu)度(du)，將(jiang)天(tian)線(xian)能(neng)量(liang)直(zhi)接(jie)傳(chuan)導(dao)到(dao)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)。對(dui)於(yu)該(gai)應(ying)用(yong)
，相(xiang)位(wei)重(zhong)複(fu)性(xing)是(shi)關(guan)鍵(jian)。波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)需(xu)要(yao)LO相位具有可重複性，並且如果該相位具有不確定性，則需要波束成形電路進行額外校準。

 

圖9所示為相隔四分之一波長並由同相驅動的兩個半波單元的方向圖。天線輻射圖幾乎是全向的，觀察不到波束成形。圖10顯示了由90°異相信號驅動的兩個元件
，得到的輻射圖顯示輻 射圖更加集中。隨著元件陣列數量的增加

，朝向最終用戶的輻射圖的準確度也有所提升
，進一步提高了光譜效率。

 

圖9. 無波束成形

 

圖10. 波束成形

 

相位再同步功能確保消除了LOxiangweitexingdebuquedingxing。ciwai
，hainenggoutiaozhengcixiangwei
，weiyonghutigonglelingyizhongfangfalaikefucunzaiyudianluzhongerboshuchengxingqihuojidaidianlunanyitiaozhengderenheqitaxiangweiyanchi。

 

結論

相位再同步將ADF4356以及類似的PLL器件置於已知相位，這樣可以實現許多應用並大大簡化校準程序。