超高速频率合成器方案的设计与实现
超高速频率合成器方案的设计与实现
综合考虑各个方案的优缺点，采用了一种dds加倍频链的合成方法，研制了105 跳/s的宽带超高速频率合成器。输出频率272.7~324.0 mhz，输出带宽51.3 mhz，可用频点256个。它选用dds作为频率合成器核心器件，系统时钟高达300 mhz，频率分辨率1 μhz，100 m并口编程速率以及较高杂散抑制度。dds的优良性能使超高速频率合成器研制成为可能。具体电路框图如图4所示。
该频率合成器由晶体振荡器、dds、放大器、三倍频器、带通滤波器和控制电路等组成。根据设计要求，在方案中合理选择dds输出频率和倍频滤波次数相当重要。选择正确的dds输出频率，可以使dds本身输出信号杂散最小。合理的倍频次数可以降低对滤波器的要求，将有利于减小输出信号杂散。因此在设计中采用了dds输出频率为30.3~36.0 μhz，在这个频段上，其输出信号杂散相对较小。然后分2次倍频，每个倍频器倍频次数为3次。图4中放大器的作用是增加dds输出信号幅度，提高倍频器的效率。控制电路对dds并口进行编程控制，向dds频率调节字寄存器写入频率调节字k来更新输出频率。在实际电路中，使用三个五阶带通滤波器来抑制带外杂散。频率合成器输出信号为
式中
图4 超高速跳频频率合成器电路框图
超高速跳频频率合成器的设计
2.1 dds编程控制与频率转换
频率合成器的跳频速率是105 跳/s，平均每一跳的时长t为10 μs，它由频率稳定时间t1和频率驻留时间t2两部分时间组成。在t1时间内完成本次频率的跳变，在t2时间内完成下一跳的频率调节字寄存器的数据的写入。频率跳变示意图如图5所示。
图5 频率跳变示意图
控制电路用adsp-2188n对dds并行编程控制，完成频率调节字的一个字节写入时长为12.5 ns。在上一个频率驻留时间t2内，对dds进行六个字节的频率调节字的写入(75 ns)。在t1时间内，向dds送频率更新脉冲。在频率更新脉冲上升沿触发，dds根据控制寄存器和频率调节寄存器的设置更新输出。经实验测试得到频率切换在大约600 ns内完成。
2.2 dds输出杂波分析
为了保证频率合成器输出频谱纯度，该方案实现的难点在于dds的输出频带选择和倍频方式的选择。经过反复实验，最终选择dds的输出频率为30.3~36.0 mhz，其频带内杂散抑制度接近80 dbc。如图6所示，经过九倍频后，虽然输出信号杂散电平有所恶化，但在频率合成器的50 mhz频带内，杂散抑制度仍然大于60 dbc。在频带外，由倍频产生的谐波，其抑制度也大于50 dbc。
2.3 相噪分析
dds输出的相位噪声主要取决于系统时钟fc和dds器件固有的相位噪声。由于提供系统时钟的信号源的相位噪声低于dds的相位噪声，因此dds输出的相位噪声主要取决于dds器件固有的相位噪声。dds输出经过n次倍频后，相位噪声恶化了20logn db。
dds的固有相位噪声在偏离载波1 khz处为−140 dbc/hz，经过9次倍频后相位噪声恶化19 db，因此理论上频率合成器输出信号的相位噪声在1 khz处可达−121 dbc/hz。
2.4 实现指标
超高速跳频频率合成器实物图如图7所示。该频率合成器达到的指标如下：
1) 输出频率： 272.7~324.0 mhz；
2) 输出带宽： 51.3 mhz；
3) 频率切换时间：约600 ns；
4) 跳频间隔： 200 khz；
5) 带内杂波抑制：＞60 dbc；
6) 带外杂波抑制：＞50 dbc；
7) 输出功率： −5 dbm；
8) 相位噪声(偏离载波1 khz)：−110 dbc/hz。
图6 频率合成器输出频谱图 图7 超高速跳频频率合成器实物图
目前频率合成技术主要有直接频率综合、锁相环频率综合、直接数字频率综合三种形式。由于pll方式的频率合成器的频率跳变速率依赖于pll的窄带跟踪时间(至少几十微秒)，速度太慢。而dds方式的输出带宽又有限，因此在设计高速跳频频率合成器时，这两种方式均不能满足技术要求。但是，采用dds+ds方式，可以满足超高速、多频点和宽频带的需要，其实现的难点是如何提高合成器输出频谱纯度。在实际电路板制作中，dds的良好接地和合理布线非常有助于系统设计的实现。
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该频率合成器由晶体振荡器、dds、放大器、三倍频器、带通滤波器和控制电路等组成。根据设计要求，在方案中合理选择dds输出频率和倍频滤波次数相当重要。选择正确的dds输出频率，可以使dds本身输出信号杂散最小。合理的倍频次数可以降低对滤波器的要求，将有利于减小输出信号杂散。因此在设计中采用了dds输出频率为30.3~36.0 μhz，在这个频段上，其输出信号杂散相对较小。然后分2次倍频，每个倍频器倍频次数为3次。图4中放大器的作用是增加dds输出信号幅度，提高倍频器的效率。控制电路对dds并口进行编程控制，向dds频率调节字寄存器写入频率调节字k来更新输出频率。在实际电路中，使用三个五阶带通滤波器来抑制带外杂散。频率合成器输出信号为
式中
图4 超高速跳频频率合成器电路框图
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图5 频率跳变示意图
控制电路用adsp-2188n对dds并行编程控制，完成频率调节字的一个字节写入时长为12.5 ns。在上一个频率驻留时间t2内，对dds进行六个字节的频率调节字的写入(75 ns)。在t1时间内，向dds送频率更新脉冲。在频率更新脉冲上升沿触发，dds根据控制寄存器和频率调节寄存器的设置更新输出。经实验测试得到频率切换在大约600 ns内完成。
2.2 dds输出杂波分析
为了保证频率合成器输出频谱纯度，该方案实现的难点在于dds的输出频带选择和倍频方式的选择。经过反复实验，最终选择dds的输出频率为30.3~36.0 mhz，其频带内杂散抑制度接近80 dbc。如图6所示，经过九倍频后，虽然输出信号杂散电平有所恶化，但在频率合成器的50 mhz频带内，杂散抑制度仍然大于60 dbc。在频带外，由倍频产生的谐波，其抑制度也大于50 dbc。
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dds的固有相位噪声在偏离载波1 khz处为−140 dbc/hz，经过9次倍频后相位噪声恶化19 db，因此理论上频率合成器输出信号的相位噪声在1 khz处可达−121 dbc/hz。
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1) 输出频率： 272.7~324.0 mhz；
2) 输出带宽： 51.3 mhz；
3) 频率切换时间：约600 ns；
4) 跳频间隔： 200 khz；
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6) 带外杂波抑制：＞50 dbc；
7) 输出功率： −5 dbm；
8) 相位噪声(偏离载波1 khz)：−110 dbc/hz。
图6 频率合成器输出频谱图 图7 超高速跳频频率合成器实物图
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