基于 DDS 的微波頻率源實現方案分析

摘要隨著現代電子技術的飛速發展人們對微波頻率源提出了更高的要求諸如頻譜純度、頻率范圍以及步進等要素都成為關注的重點其中相噪更是首當其沖地成為高性能頻率源的重要標志之一文章從具體的需求角度出發對微波頻率源的建設提出了對應的改進構想并針對相應的構想對相關相噪進行了估算

關鍵詞微波;頻率源;實現方案;相噪

中圖法分類號：TN74文獻標識碼：A

Implementation scheme analysis of microwave frequency source based on DDS

ZHAO Jian

（The 13th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract： With the rapid development of modern electronic technology，people have put forwardhigher requirements for microwave frequency sources，and factors such as spectral purity，frequencyrange and stepping have become the focus of attention.Among them，phase noise is the first tobecome one of the important symbols of high-performance frequency sources.From the perspective ofspecific needs，this paper puts forward corresponding improvement ideas for the construction ofmicrowave frequency sources，and estimates the relative phase noise for the corresponding ideas.Key words ： microwave，frequency source，implementation scheme，phase noise

微波頻率源能夠于多個參考頻率中產生特定頻率的信號源，廣泛應用于各類電子系統之中，在民用和軍用領域都十分常見，如廣播電視、高速（軌道）交通以及飛行器測控、精準打擊等領域。微波頻率源自身的穩定性和準確性而直接成為影響對應工作體系性能的直接因素，因此一直以來都受到國家的重視。

1? DDS 合成頻率源的特征

從技術層面看，微波頻率源使用非線性有源器件以及無源電路等共同參與工作，能夠將直流功率轉變成為穩定精確的射頻信號。通?？梢詫⑽⒉l率源分為自激振蕩型微波頻率源和合成型微波頻率源，并且后者相對而言應用更為廣泛，具有頻率穩定性高以及相噪低等優點，且易于控制。但是，相對來說技術難度比較大，成本也尚未得到有效控制。從技術指標角度看，微波頻率源的主要性能指標包括輸出頻率范圍、頻率分辨率、相噪、輸出功率及波動、跳頻能力、調制狀態等，不同的應用環境會對指標的選擇有不同的側重。但是從整體上看，基本各個應用領域都會在一定程度上對噪聲做出要求，因此本文同樣從該領域展開分析，考察微波頻率源的實現。

在此之前，首先對 DDS 頻率合成技術進行必要的了解。DDS 頻率合成技術，也就是常說的第三代技術[1] 。本質上，此技術以相位作為根本出發點而展開頻率合成，因此能夠產生出多樣化頻率和波形的信號，對于初始相位的控制也因此變得簡單。整體而言，DDS 頻率合成技術的特征首先表現在帶寬方面，依據奈奎斯特采樣定理可以確定，DDS 系統在理想狀態之下，其輸出頻率可以達到時鐘頻率的一半水平。換言之，DDS 合成頻率源的頻率上限可以由時鐘頻率進行確定。并且在捷變頻速度方面， DDS 系統同樣具有顯著優勢。DDS 合成頻率源本身屬于開環系統，因此其轉換時間依賴于低通濾波器的時延。隨著時鐘頻率的不斷提升，轉換時間會因此縮短，這就決定了 DDS 系統的轉換時間也會隨之不斷壓縮。

就目前而言，DDS 系統的轉換時間大多保持在 ns 級，捷變頻速度在頻率源領域可謂首屈一指。在步進方面，DDS 頻率源能夠實現超細分辨率，這主要是因為 DDS 系統的分辨率依賴于內部相位累加器的長度，并且滿足Δfmin=整體而言，DDS 頻率源基本可以滿足當前社會的要求，其完全可以實現mHz乃至于μHz 數量級步進。DDS 合成頻率源在相位連續方面同樣具有優勢，本質上看，其改變了相位增量，因此輸出信號上不會出現有其他信號疊加的情況。而在相噪方面，DDS 系統的本質相當于實現了分頻器功能，因此對應的相噪必然能夠得到控制。DDS 頻率源的相噪，甚至可以控制到與時鐘噪聲同一個量級的水平。

除此以外，DDS 頻率源的缺點也不容忽視。首先，其工作速度會受到內部變換器和 ROM 的制約，這也成為直接關系到其工作頻率的重要因素，直接將 DDS 系統的工作頻率約束在幾十 MHz 到幾百 MHz 范圍內。并且這種完全由數字結構來實現的系統，其輸出信號雜散的問題必然比較突出。而且這一問題并無法通過相關的技術調整來進行控制和解決，其來源于數字結構自身的原理，屬于此類頻率源的固有不足。

2? DDS 頻率源相噪的計算

就目前的技術而言，單一的鎖相環無法解決解決細頻率分辨率與低相噪的矛盾，而單一的 DDS 又具有輸出頻率較低、雜散分量豐富的局限性，因此多考慮基于 DDS 小步進低相噪，并且結合 PLL 和混頻、倍頻等相關合成技術，來實現對于傳統多環方案缺點的克服。對于分辨率要求比較高，如要求不高于0.1Hz 的情況，必須使用 DDS 產生對應的頻率源，但是受到 DDS 的限制，如果直接將其轉變到 S 或者更高頻段，則必然會造成輸出相噪和近載頻雜散成倍增加。針對這一問題，可以考慮在 DDS 和混頻跟蹤鎖相環技術之上展開混合式頻率合成。具體而言，其微波頻率源應當包括五個功能模塊，即參考倍頻、本振環 PLL1， DDS、混頻跟蹤環 PLL2以及控制模塊。具體結構參見圖1 。

參考倍頻模塊主要用于實現對于10MHz 信號實現倍頻、濾波以及放大處理，從而獲取所需要的 200MHz 參考信號。放大之后的信號會有三個去向，其一去往本振環 PLL1作為輸入功率使用，其二作為 DDS 的時鐘信號，其三則是作為參與 DDS 混頻的本振信號而進入到頻跟蹤環 PLL2中。本振環 PLL1的作用在于將從參考倍頻模塊中獲取到的200MHz 參考信號鎖相倍頻到3200MHz 的功能，來將頻譜轉移到 S 頻段，并且將產生的結果送到混頻跟蹤環 PLL2中，作為混頻環的本振信號使用。DDS 模塊可以說是微波頻率源的核心，該模塊接受來源于本振環 PLL1的放大信號，并且能夠支持來源于單片機的控制。其能夠實現0.1Hz 的頻率步進，并且 DDS 輸出信號與 200MHz 信號進行一次混頻，而后將產出的上混頻信號輸入到最末一級的混頻環中?；祛l跟蹤環 PLL2的功能主要是對本振環 PLL1輸出的3200MHz 信號展開進一步的混頻，并且與 DDS 模塊輸出的上混頻信號進行鑒相，最終產生對應的輸出信號并且進行放大，實現數控衰減[2]。

對于該方案而言，其核心問題在于三個方面，即低相噪、低雜散以及小步進的實現。本文只針對相噪方面的問題進行考察，其他兩個方面暫不多做考慮。

該頻率源的噪聲主要源于四個方面，即參考倍頻模塊、鎖相環、環路濾波中的放大器以及分頻器。如果設定對于頻率源的相位噪聲需要控制在-65dBc@1Hz 之內，則在理論上可以進行如下估算。

首先，10MHz 頻標相位噪聲，通常可以控制在不超過-120dBc@1Hz 范圍之內，對于這一噪聲的控制，主要可以通過選用穩定度和低相噪的 BVA 恒溫晶振來實現。而對于參考源模塊輸出的相噪而言，因為去輸出頻率為200MHz，因此相噪惡化20lg20≈26dB，則對于200MHz 信號，其相噪大約為-94dBc@1Hz 。這兩個方面的噪聲，都是比較容易確定和估計的。而對于本振環（ PLL1）輸出相噪、DDS 方面的輸出相噪以及混頻跟蹤環（ PLL2）的輸出相噪，則需要另外進行詳細估算。

對于本振環（PLL1）而言，如果用hittite公司推出的數字鑒相器予以實現，選擇 HMC440QS16G 的時候，則其在偏離載波1kHz 處的相噪基底大約為?230dBc @1Hz ，估計1Hz 與1kHz 處的相噪基底基本一致，因此這個環節的相噪主要來源于鑒相器基底相噪以及參考信號相噪。

于鑒相器而言，其頻率如果為200MHz ，則其所產生的相噪見式（1）：

式（1）中，Fc 為鑒相頻率，N 為倍頻次數。則進一步可以計算出結果見式（2）：

對應的，參考信號所產生的相噪影響計算參見式（3）：

式（3）右側第一項為參考信號的相位噪聲，R 為分頻次數，則可以得到如式（4）：

綜上，輸出信號的相位噪聲，就應當是上述兩個方面的疊加，參見式（5）：

進一步將前述計算所得代入，可以確定 LPLL1（f1Hz ）≈-69.9dBc/Hz 。由此可以看出，在這個領域之中，參考信號的影響力占據了決定性地位，而鑒相器基地相噪惡化影響則基本可以忽略。

對于 DDS 輸出的相噪估算，首先需要從 DDS 的芯片開始。在相關領域中，ADI 公司的 AD9954在應用中比較常見，相關資料顯示，當輸出為17MHz 的時候，其相噪基底大約保持在 L′1（f）=-115dBc/Hz 水平，對應的參考信號相位噪聲貢獻見式（6）：

進一步依據線性疊加公式可以確定，DDS 輸出相噪約為 LDDS （f1Hz ）=-112dBc/Hz 。因此，當 DDS 和200MHz 信號進行混頻之后，一混輸出的相噪主要受到參考信號相噪的影響[3]。

對于混頻跟蹤環（ PLL2）而言，其本質上的工作原理與本振環（PLL1）類似，鑒相器采用hittite公司產品，型號為 HMC44OQS16G，鑒相頻率為217MHz ，則鑒相器基底相噪對于輸出信號相噪的影響計算參見式（7）：

而與之對應的參考信號對于輸出相噪的影響見式（8）：

同樣依據線性疊加公式可以確定，混頻跟蹤環的輸出信號相噪大約為 LPLL2（f1Hz ）=-70.1dBc/Hz。

綜上所述，該系統獲取到的最終輸出信號的相噪可以用式（9）進行表示：

也就是說，該頻率源構建方案在1Hz 處的相噪惡化主要集聚在對頻標10MHz 相噪惡化方面，其他相關環節的影響相對而言有限，因此該結構相噪能夠達標。

3? 結論

在構建一個微波頻率源時，相噪是首要考慮因素。雖然相噪并不是唯一決定因素（除此以外諸如低雜散以及小步進等同樣需要有所滿足），但是相噪仍然是經常被列為首位要素，是關系到頻率源能否投入應用的關鍵。當然，雜散抑制以及頻率分辨率也是需要加強分析的重點。在當前時代背景之下，微波頻率源的構建以及其性能的優化，關系到多個方面應用，必須謹慎對待、不斷改進，從而滿足社會發展的需要。

參考文獻：

[1] 李志云，李英，李建波.移動社交網絡中基于用戶動態需求的 D2D 數據分流方法[ J].青島大學學報（自然科學版）， 2021，34（1）：1?6+12.

[2] 丁海春，吳海濤，蘇衛國.基于 DDS 的多種調制方式頻率源的設計[J].電子技術，2020，49（3）：192?194.

[3] 藍友.寬帶小步進頻率源研制[ D].成都：電子科技大學：2020.

作者簡介：

趙?。?994—） ，本科，研究方向：微波射頻頻率源。