超高速頻率合成器方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該頻率合成器由晶體振蕩器、DDS、放大器、三倍頻器、帶通濾波器和控制電路等組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在方案中合理選擇DDS輸出頻率和倍頻濾波次數(shù)相當(dāng)重要。選擇正確的DDS輸出頻率，可以使DDS本身輸出信號(hào)雜散最小。合理的倍頻次數(shù)可以降低對(duì)濾波器的要求，將有利于減小輸出信號(hào)雜散。因此在設(shè)計(jì)中采用了DDS輸出頻率為30.3~36.0 μHz，在這個(gè)頻段上，其輸出信號(hào)雜散相對(duì)較小。然后分2次倍頻，每個(gè)倍頻器倍頻次數(shù)為3次。圖4中放大器的作用是增加DDS輸出信號(hào)幅度，提高倍頻器的效率?？刂齐娐穼?duì)DDS并口進(jìn)行編程控制，向DDS頻率調(diào)節(jié)字寄存器寫入頻率調(diào)節(jié)字K來(lái)更新輸出頻率。在實(shí)際電路中，使用三個(gè)五階帶通濾波器來(lái)抑制帶外雜散。頻率合成器輸出信號(hào)為

式中

圖4 超高速跳頻頻率合成器電路框圖

超高速跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)

2.1 DDS編程控制與頻率轉(zhuǎn)換
頻率合成器的跳頻速率是105 跳/s，平均每一跳的時(shí)長(zhǎng)T為10 μs，它由頻率穩(wěn)定時(shí)間T1和頻率駐留時(shí)間T2兩部分時(shí)間組成。在T1時(shí)間內(nèi)完成本次頻率的跳變，在T2時(shí)間內(nèi)完成下一跳的頻率調(diào)節(jié)字寄存器的數(shù)據(jù)的寫入。頻率跳變示意圖如圖5所示。

圖5 頻率跳變示意圖
控制電路用ADSP-2188N對(duì)DDS并行編程控制，完成頻率調(diào)節(jié)字的一個(gè)字節(jié)寫入時(shí)長(zhǎng)為12.5 ns。在上一個(gè)頻率駐留時(shí)間T2內(nèi)，對(duì)DDS進(jìn)行六個(gè)字節(jié)的頻率調(diào)節(jié)字的寫入(75 ns)。在T1時(shí)間內(nèi)，向DDS送頻率更新脈沖。在頻率更新脈沖上升沿觸發(fā)，DDS根據(jù)控制寄存器和頻率調(diào)節(jié)寄存器的設(shè)置更新輸出。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到頻率切換在大約600 ns內(nèi)完成。
2.2 DDS輸出雜波分析
為了保證頻率合成器輸出頻譜純度，該方案實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于DDS的輸出頻帶選擇和倍頻方式的選擇。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終選擇DDS的輸出頻率為30.3~36.0 MHz，其頻帶內(nèi)雜散抑制度接近80 dBc。如圖6所示，經(jīng)過(guò)九倍頻后，雖然輸出信號(hào)雜散電平有所惡化，但在頻率合成器的50 MHz頻帶內(nèi)，雜散抑制度仍然大于60 dBc。在頻帶外，由倍頻產(chǎn)生的諧波，其抑制度也大于50 dBc。
2.3 相噪分析
DDS輸出的相位噪聲主要取決于系統(tǒng)時(shí)鐘fc和DDS器件固有的相位噪聲。由于提供系統(tǒng)時(shí)鐘的信號(hào)源的相位噪聲低于DDS的相位噪聲，因此DDS輸出的相位噪聲主要取決于DDS器件固有的相位噪聲。DDS輸出經(jīng)過(guò)N次倍頻后，相位噪聲惡化了20logN dB。
DDS的固有相位噪聲在偏離載波1 kHz處為?140 dBc/Hz，經(jīng)過(guò)9次倍頻后相位噪聲惡化19 dB，因此理論上頻率合成器輸出信號(hào)的相位噪聲在1 kHz處可達(dá)?121 dBc/Hz。
2.4 實(shí)現(xiàn)指標(biāo)
超高速跳頻頻率合成器實(shí)物圖如圖7所示。該頻率合成器達(dá)到的指標(biāo)如下：
1) 輸出頻率： 272.7~324.0 MHz；
2) 輸出帶寬： 51.3 MHz；
3) 頻率切換時(shí)間：約600 ns；

4) 跳頻間隔： 200 kHz；
5) 帶內(nèi)雜波抑制：＞60 dBc；
6) 帶外雜波抑制：＞50 dBc；
7) 輸出功率： ?5 dBm；
8) 相位噪聲(偏離載波1 kHz)：?110 dBc/Hz。

圖6 頻率合成器輸出頻譜圖 圖7 超高速跳頻頻率合成器實(shí)物圖

目前頻率合成技術(shù)主要有直接頻率綜合、鎖相環(huán)頻率綜合、直接數(shù)字頻率綜合三種形式。由于PLL方式的頻率合成器的頻率跳變速率依賴于PLL的窄帶跟蹤時(shí)間(至少幾十微秒)，速度太慢。而DDS方式的輸出帶寬又有限，因此在設(shè)計(jì)高速跳頻頻率合成器時(shí)，這兩種方式均不能滿足技術(shù)要求。但是，采用DDS+DS方式，可以滿足超高速、多頻點(diǎn)和寬頻帶的需要，其實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是如何提高合成器輸出頻譜純度。在實(shí)際電路板制作中，DDS的良好接地和合理布線非常有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。