一種新穎的捷變頻頻率合成器設(shè)計(jì)

王立生

(成都天奧電子股份有限公司,成都611731)

1 引 言

目前,數(shù)字頻率合成器的基本設(shè)計(jì)方法主要分為兩大類,即基于鎖相環(huán)(PLL)的間接頻率合成和基于直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的直接頻率合成。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展,具有高集成度的新器件不斷推出,使得基于PLL的頻率合成設(shè)計(jì)愈加簡(jiǎn)便,有利于小型化通用化設(shè)計(jì),其主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良,已經(jīng)成為主流設(shè)計(jì)方法。但是,由于PLL自身的固有特性,作為一個(gè)相位負(fù)反饋系統(tǒng),本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié),其鎖定時(shí)間較長(zhǎng)(通常是幾十微秒至幾百微秒),無(wú)法應(yīng)用于對(duì)跳頻時(shí)間要求高的場(chǎng)合。而DDS在頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間上有明顯優(yōu)勢(shì)(納秒量級(jí)),且具有頻率分辨率極高的特點(diǎn),非常有利于實(shí)現(xiàn)細(xì)步進(jìn)捷變頻設(shè)計(jì)。但DDS也有明顯不足,輸出頻率較低、帶寬較窄、雜散較豐富是主要缺點(diǎn)[1]。

工程上需要一種工作在C頻段的頻率合成器,要求實(shí)現(xiàn)優(yōu)于3 μ s的捷變頻指標(biāo),PLL方案不能滿足跳頻時(shí)間要求,只能采用基于DDS的直接合成設(shè)計(jì)方法。考慮到DDS受限于器件自身特性無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻率輸出,且?guī)捿^窄,因此設(shè)計(jì)思路的重點(diǎn)在于降低DDS輸出信號(hào)頻率,壓縮DDS輸出信號(hào)帶寬,通過精心規(guī)劃頻率關(guān)系,在充分發(fā)揮DDS跳頻時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)低雜散指標(biāo)要求。

2 主要技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法

頻率合成器主要技術(shù)指標(biāo)如下:工作頻段為C頻段,信號(hào)帶寬600 MHz,頻率步進(jìn)1MHz,跳頻時(shí)間優(yōu)于3 μ s,相位噪聲優(yōu)于-90 dBc/Hz@10 kHz,雜散抑制優(yōu)于60 dBc,諧波抑制優(yōu)于40 dBc,輸出功率優(yōu)于10 dBm。本頻率合成器的主要技術(shù)難點(diǎn)是要求優(yōu)于3 μ s的跳頻時(shí)間,PLL無(wú)法實(shí)現(xiàn),必須采用DDS直接合成方案。基于DDS實(shí)現(xiàn)的捷變頻頻率合成器設(shè)計(jì)方法有采用DDS直接倍頻后再混頻進(jìn)行頻譜搬移的方案[2],或采用DDS輸出信號(hào)作為參考源直接驅(qū)動(dòng)PLL的鎖相倍頻方案[3]。前一方案的局限在于不能實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)輸出,且倍頻次數(shù)高會(huì)惡化雜散指標(biāo);后一方案的不足之處在于其跳頻時(shí)間主要取決于PLL的鎖定時(shí)間,為數(shù)十微秒量級(jí),不能滿足本項(xiàng)目指標(biāo)要求。本方案采用了新穎的頻率關(guān)系設(shè)計(jì),選擇DDS+開關(guān)變頻+分段濾波+直接倍頻實(shí)現(xiàn),發(fā)揮了DDS捷變頻的特點(diǎn),在盡量避免惡化雜散的同時(shí)有效拓展了輸出信號(hào)帶寬。方案框圖如圖1所示。

圖1 頻率合成器方案框圖Fig.1 Block diagram of the frequency synthesizer

DDS用來(lái)產(chǎn)生具有一定帶寬、細(xì)步進(jìn)的低頻信號(hào),通過微波混頻器與本振信號(hào)混頻,實(shí)現(xiàn)頻譜搬移,提高了輸出頻率;頻率合成器需要輸出信號(hào)帶寬600 MHz,通過采用直接二倍頻器、開關(guān)切換兩個(gè)混頻本振的方式,將DDS輸出信號(hào)Fdds帶寬壓縮為150 MHz,有效解決了DDS輸出信號(hào)帶寬較窄、難以在寬帶場(chǎng)合應(yīng)用的缺點(diǎn)。對(duì)由變頻器的非線性產(chǎn)生的無(wú)用邊帶信號(hào)、交調(diào)雜散成分以及本振信號(hào)泄漏,在混頻器輸出端采用分段開關(guān)濾波器組,將信號(hào)分為4段,每段信號(hào)帶寬75 MHz,分別進(jìn)行窄帶帶通濾波,大大降低了帶通濾波器的設(shè)計(jì)難度,使得對(duì)信號(hào)的濾波能夠?qū)崿F(xiàn),從而獲得良好的雜散抑制指標(biāo)。

混頻器本振信號(hào)采用兩個(gè)L頻段點(diǎn)頻源,通過開關(guān)切換輸出,DDS與本振LO1混頻選取上邊帶信號(hào),與本振LO2混頻選取下邊帶信號(hào),使得兩個(gè)本振信號(hào)位于所需信號(hào)帶外,混頻后經(jīng)過帶通濾波器組分為4段分別帶通濾波,其頻率關(guān)系如圖2所示。

圖2 頻率關(guān)系Fig.2 Relationship of frequency

對(duì)DDS器件的選擇,從提高頻率合成器的性能指標(biāo)考慮,應(yīng)選擇時(shí)鐘頻率高、DAC位數(shù)高、SFDR低的器件。經(jīng)過綜合考慮,選擇 ADI公司的AD9912,時(shí)鐘頻率1 000 MHz,內(nèi)部集成14位DAC,當(dāng)輸出201 MHz時(shí)窄帶SFDR高達(dá)-91 dBc(±250 kHz),寬帶 SFDR也有 -61 dBc(0～500MHz),采用高速SPI串口實(shí)現(xiàn)頻率控制。

作為DDS時(shí)鐘的1 000 MHz點(diǎn)頻源和2個(gè)L頻段點(diǎn)頻本振信號(hào)均由PLL實(shí)現(xiàn),外部輸入10MHz晶振信號(hào)作為PLL的參考,通過3個(gè)SPDT開關(guān)對(duì)2個(gè)混頻本振信號(hào)進(jìn)行切換。混頻后的開關(guān)濾波器組由4個(gè)介質(zhì)帶通濾波器、2個(gè)SP4T開關(guān)和4個(gè)SPDT開關(guān)構(gòu)成,其中4個(gè)介質(zhì)帶通濾波器是關(guān)鍵器件,每個(gè)濾波器的1 dB帶寬為75 MHz,帶外抑制優(yōu)于70 dB。在每一個(gè)濾波支路中串入一個(gè)SPDT開關(guān)是為了進(jìn)一步提高路間隔離度,優(yōu)化雜散指標(biāo)。

接口控制電路采用高速FPGA器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS頻率設(shè)置、本振選擇開關(guān)和開關(guān)濾波器組狀態(tài)的控制。

3 主要指標(biāo)分析計(jì)算

3.1 跳頻時(shí)間分析計(jì)算

由于頻率合成器是基于DDS的直接頻率合成設(shè)計(jì),無(wú)PLL惰性環(huán)節(jié),因此其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和開關(guān)通斷狀態(tài)切換時(shí)間。DDS的工作原理是在輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘的控制下,相位累加器對(duì)頻率控制字進(jìn)行累加,得到的相位碼對(duì)波形儲(chǔ)存器尋址,輸出對(duì)應(yīng)的幅度碼,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器得到所需模擬信號(hào)輸出。由上述DDS頻率產(chǎn)生過程可知,DDS的頻率轉(zhuǎn)換包括DDS頻率控制字的譯碼計(jì)算、DDS頻率控制字的SPI串口寫入和DDS自身頻率切換3個(gè)過程。FPGA控制開關(guān)切換過程可以與DDS的頻率控制并行進(jìn)行,根據(jù)所選開關(guān)資料,其最長(zhǎng)開關(guān)切換時(shí)間為150 ns,遠(yuǎn)小于DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間,因此頻率合成器的跳頻時(shí)間等于DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間,如圖3所示。

圖3 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間示意圖Fig.3 Diagram of frequency switching time

外部輸入并口控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率控制,通過高速FPGA實(shí)現(xiàn)頻率控制字的譯碼,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的DDS串口控制字和開關(guān)控制電平。FPGA時(shí)鐘信號(hào)75 MHz,一個(gè)指令周期時(shí)間為13.3 ns。為最大限度縮短譯碼計(jì)算時(shí)間,DDS頻率控制字的譯碼計(jì)算由FPGA采用硬件乘法器實(shí)現(xiàn),每次計(jì)算需要20個(gè)指令周期,則DDS頻率控制字譯碼計(jì)算時(shí)間為267 ns。

AD9912的SPI串口最高時(shí)鐘頻率為50 MHz,控制產(chǎn)生一個(gè)頻率需要寫入64 bit數(shù)據(jù),選用SPI控制時(shí)鐘頻率37.5 MHz,則SPI串口送數(shù)時(shí)間為64/37.5=1.7 μ s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),AD9912的頻率切換時(shí)間小于100 ns。

因此,可以計(jì)算出DDS頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間(即頻率合成器跳頻時(shí)間)為267 ns+1.7 μ s+100 ns=2.067 μ s。

3.2 雜散分析

本頻率合成器的雜散成分主要有以下來(lái)源:DDS產(chǎn)生的雜散、混頻器非線性引入的頻率交調(diào)產(chǎn)物、點(diǎn)頻PLL的鑒相頻率泄漏、倍頻器產(chǎn)生的雜散。

DDS的雜散主要來(lái)源于3個(gè)方面:相位截?cái)嗾`差、幅度量化誤差和DAC的非線性[4]。本方案中DDS選擇的是AD9912,具有優(yōu)良的雜散性能,當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為1 000MHz時(shí)在所需頻段內(nèi)近端雜散優(yōu)于-90 dBc,完全滿足要求,而DDS的寬帶雜散可以依靠開關(guān)濾波器組中的介質(zhì)帶通濾波器抑制。

DDS輸出信號(hào)與兩個(gè)本振混頻,除了得到所需頻率信號(hào)外,由于混頻器的強(qiáng)烈非線性作用,還產(chǎn)生了大量組合雜散信號(hào)。在方案設(shè)計(jì)上,對(duì)兩個(gè)混頻本振分別采用高、低本振方式,使得本振信號(hào)落在所需信號(hào)帶外,以便于濾波器濾除;對(duì)兩個(gè)混頻本振分別采用單刀單擲開關(guān)以提高本振之間的隔離度;對(duì)混頻后的寬帶射頻信號(hào),采用開關(guān)切換分段濾波器組,各段均采用單刀單擲開關(guān)提高隔離度。

用諧波平衡法對(duì)混頻+開關(guān)濾波器組的輸出頻譜進(jìn)行仿真,如圖4所示。由仿真結(jié)果可以看出,采用分段濾波器組有效濾除了帶外組合交調(diào)成分,輸出信號(hào)雜散主要為混頻本振泄漏和無(wú)用邊帶頻率成分,其抑制指標(biāo)取決于各段窄帶帶通濾波器的指標(biāo)。從仿真結(jié)果看,開關(guān)濾波器后輸出信號(hào)雜波抑制優(yōu)于70 dB,由于后級(jí)二倍頻惡化6 dB,最終輸出信號(hào)雜波抑制約為64 dB。

圖4 混頻雜散仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of spur at mixer

頻率合成器中 3個(gè)點(diǎn)頻源鑒相頻率均為10 MHz,由于鑒相頻率較高,通過合理選擇環(huán)路帶寬,加強(qiáng)電源濾波隔離,能夠?qū)?0 MHz鑒相參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)很好的抑制,可以達(dá)到約75 dB的抑制度,經(jīng)過后級(jí)二倍頻惡化6 dB,輸出信號(hào)對(duì)10MHz的鑒相雜散抑制約為69 dB。

二倍頻器采用無(wú)源器件,輸入基波激勵(lì)電平15 dBm,倍頻損耗約15 dB,對(duì)基波、三次諧波、四次諧波的隔離度為45 dB(相對(duì)于輸入電平),因此二倍頻輸出信號(hào)對(duì)基波、三次諧波、四次諧波抑制度為30 dB。在倍頻后采用帶通濾波器,可以實(shí)現(xiàn)65 dB的雜散抑制度。

4 測(cè)試結(jié)果

基于以上方案設(shè)計(jì)出的捷變頻頻率合成器,其外形尺寸為205 mm×80 mm×22 mm(內(nèi)部還包括了一個(gè)S頻段雙路輸出點(diǎn)頻源)。測(cè)試頻率合成器跳頻時(shí)間的方法如下:設(shè)置頻率合成器在兩個(gè)頻點(diǎn)間跳頻,與信號(hào)源輸出固定點(diǎn)頻信號(hào)下混頻,得到的L頻段的中頻跳頻信號(hào)送入高速示波器DPO7254。采用示波器抖動(dòng)分析模塊,分析區(qū)域選擇垂直光標(biāo)范圍包含兩次跳頻周期,通過軟件進(jìn)行一次測(cè)量生成圖表,即可讀出跳頻時(shí)間約為2.2 μ s,測(cè)試結(jié)果見圖5。

圖5 跳頻時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.5Measured result of frequency switching time

用Aglient公司頻譜儀E4440A,測(cè)試輸出信號(hào)雜散指標(biāo)為-63 dBc,相位噪聲-93 dBc/Hz@10 kHz,其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種采用直接頻率合成方案設(shè)計(jì)的頻率合成器,針對(duì)捷變頻這一關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)提出了設(shè)計(jì)思路和實(shí)施方案,實(shí)測(cè)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求且與分析論證結(jié)果吻合,產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于某艦載電子設(shè)備中。本項(xiàng)目的成功研制,提供了一種同類型捷變頻頻綜器的設(shè)計(jì)方案,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。今后的研究方向應(yīng)針對(duì)超寬帶應(yīng)用領(lǐng)域,進(jìn)一步提高頻率捷變時(shí)間和實(shí)現(xiàn)更低的雜散抑制指標(biāo)。

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