引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理和集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。DDS具有相位和頻率分辨率高、穩(wěn)定度好、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、輸出相位連續(xù)、可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字與模擬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)出一種基于DDS的寬帶雷達(dá)頻率合成器，具有分辨率高、頻率帶寬極寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短等特點(diǎn)并且符合要求的雜波與相位指標(biāo)。

1 寬帶頻率合成器的設(shè)計(jì)

根據(jù)某課題提出的寬帶雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)要求，綜合當(dāng)代雷達(dá)發(fā)展的需求，提出如下設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1） 頻率范圍： 2~ 8 GHz;

2） 頻率分辨率： 100 kHz;

3） 輸出雜波抑制： ??40 dB;

4） 相位噪聲： - 70 dBc/ Hz@1 kHz;- 75 dBc/ Hz@10 kHz;- 80 dBc/ Hz@100 kH z;

根據(jù)上述指標(biāo)設(shè)計(jì)出寬帶頻率合成器的方案如圖1所示。

圖1寬帶頻率合成器設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)信號(hào)頻率的合成，根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求，本方案采用DDS芯片AD9910,鏡像抑制混頻器HMC520IR和混頻器HMC553對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1.1 AD9910性能特點(diǎn)

該芯片是ADI公司生產(chǎn)的性能很好的直接數(shù)字頻率合成芯片，內(nèi)置14位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，支持高達(dá)1GSPS采樣速率，AD9910的1GSPS工作速度和14位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的組合允許通信、國(guó)防和儀器儀表系統(tǒng)工程師提高輸出頻率高達(dá)400MHz的動(dòng)態(tài)性能。AD9910采用高級(jí)DDS專利技術(shù)，在不犧牲性能的前提下可極大地降低功耗，該芯片的功耗比現(xiàn)有解決方案相減小70%,在全工作速度條件下功耗僅700mW。AD9910數(shù)字頻率合成器具有一個(gè)更新速率達(dá)250MHz的16bit并行端口，它允許設(shè)計(jì)工程師每隔8ns更新一次32bit的頻率控制字。

AD9910將14位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的分辨率和1GSPS時(shí)鐘速度轉(zhuǎn)化為提高所有這些應(yīng)用中的SFDR和相位噪聲性能。

由于AD9910有高達(dá)400MHz的模擬輸出、低功耗、好的雜波抑制性能和低的相位噪聲，設(shè)計(jì)中采用AD9910作為任意信號(hào)發(fā)生器。

1.2 頻率合成器方案設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用DDS+單邊調(diào)制+混頻的方案，由2個(gè)DDS組成任意信號(hào)發(fā)生器，給單邊帶調(diào)制器提供帶寬為BWdds的各種正交信號(hào)頻率為fdds、去調(diào)制頻率為fref1的鎖相本振，得到頻率為fRF的單邊帶調(diào)制信號(hào)：

式中：BWdds=400MHz,fref1=9GHz,因此得到的fRF的范圍為：

由式（2）可看出得出的調(diào)制信號(hào)覆蓋率相當(dāng)于800MHz的瞬時(shí)帶寬。

得到的單邊帶調(diào)制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)下變頻才能形成指標(biāo)中所要求的2~8GHz的工作頻段。頻率為fref2、fref3和fref4的鎖相本振源經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)的切換與頻率為fRF的單邊帶調(diào)制信號(hào)進(jìn)行二次混頻，得到的中頻信號(hào)頻率為fIF:

式中：fref2=11.4GHz,fref3=12.4GHz,fref4=13.4GHz,結(jié)合式（2）和式（3）可得：

得到的中頻信號(hào)經(jīng)開(kāi)關(guān)切換去倍頻，得到頻率為fout2的信號(hào)，由于有開(kāi)關(guān)控制，倍頻所得信號(hào)所覆蓋的頻率范圍為：

在2~8GHz整個(gè)頻段上，2~4.8GHz是直接混頻濾波輸出，4.3~8GHz是倍頻輸出，中間交疊了500MHz,這樣就可以在任何頻點(diǎn)上滿足500MHz瞬時(shí)帶寬的連續(xù)。

4.3~8GHz頻率信號(hào)由倍頻獲得，開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間小于20ns,因而可以滿足2~8GHz全頻段頻率捷變的要求。

1.3 電路板總體設(shè)計(jì)

在寬帶頻率合成器系統(tǒng)中既有數(shù)字電路又有射頻模擬電路，所以電磁兼容性是電路板設(shè)計(jì)中著重考慮的問(wèn)題：

1）按照電路類型劃分為電源、數(shù)字、模擬等區(qū)域，減少相互干擾；

2）元件采用表貼件，盡可能緊湊，減小分布參數(shù)的影響；

3）采用多層板，中間設(shè)屏蔽層，盡量減少過(guò)孔帶來(lái)的寄生電抗；

4）盡量走直線和圓弧線，減少線間相互耦合；

5）添加網(wǎng)格敷銅并保證接地良好；

6）晶體要做好屏蔽，減少對(duì)周圍器件的干擾。

2 性能分析

2.1雜波指標(biāo)估計(jì)

寬帶雷達(dá)頻率合成器由DDS、鏡相抑制混頻器、混頻器、鎖相本振、倍頻器、濾波器等構(gòu)成，雜波信號(hào)指標(biāo)均取決于這些器件的信號(hào)輸出。

DDS輸出信號(hào)的雜波電平小于-50dBc,鎖相本振的雜波都遠(yuǎn)離本振頻率，可以濾掉，影響這一指標(biāo)最主要的因素是混頻器的輸出。在混頻器輸出信號(hào)中，凡是不希望要的諧波、載波、鏡相、邊帶等都屬于雜波相關(guān)的指標(biāo)。

單邊帶調(diào)制器選用美國(guó)Hittite公司的鏡相抑制混頻器HMC520IR,圖2、圖3和圖4為所選器件的邊帶抑制、鏡相抑制、載波隔離曲線圖。從這幾條曲線可以看到，在9GHz附近，邊帶抑制、鏡相抑制和載波隔離都要大于40dB,調(diào)制信號(hào)因遠(yuǎn)在帶外，可以不考慮。

圖2 HMC520 IR混頻器邊帶抑制曲線

圖3 HMC520 IR混頻器鏡相抑制曲線

圖4 HMC520 IR混頻器載波抑制曲線

在取中頻的混頻器輸出中，Lo和RF信號(hào)都遠(yuǎn)離IF,即使漏過(guò)來(lái)也可以濾掉，只有多次諧波的混頻輸出有可能落入帶內(nèi)。所選混頻器型號(hào)為HMC553,其多次諧波輸出情況如圖5所示。有可能落入帶內(nèi)的只有2×2次諧波混頻輸出，從圖5可知，其相對(duì)于中頻輸出的功率電平值是-62dBc,因此不影響雜波指標(biāo)。由此判斷，該方案對(duì)滿足雜波抑制≥40dB的指標(biāo)是可行的。

圖5HMC553混頻器M×N次諧波輸出

2.2 相位噪聲指標(biāo)估計(jì)

已選DDS的相噪指標(biāo)為：輸出為400MHz時(shí)，-125dBc/Hz@1kHzOffset,已選鑒頻鑒相器的相噪指標(biāo)與DDS輸出信號(hào)的相噪指標(biāo)相當(dāng)，當(dāng)100MHz參考頻率時(shí)，能實(shí)現(xiàn)的最好相噪指標(biāo)是-153dBc/Hz@10kHzOffset;已選晶振的相噪指標(biāo)優(yōu)于-152dBc/Hz@1kHzOffset;因?yàn)樗斜菊穸紴榉诸l鎖相，最大分頻比是130,相噪指標(biāo)要惡化：

20log（130）≈42dB

減去42dB,本振輸出信號(hào)的相噪還有110dB左右；這樣，即使后面還有一次2倍頻，惡化6dB,雷達(dá)頻綜電路對(duì)實(shí)現(xiàn)最終輸出信號(hào)的相噪指標(biāo)還是可行的。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)已研制出樣機(jī)。經(jīng)Agilent公司的頻譜儀E4407B測(cè)試，得知該頻率合成器的性能參數(shù)主要有：

輸出頻率范圍：2~8GHz.

相位噪聲：≦-75dBc/Hz@10kHz.

分辨率：100kHz.

由圖6與圖7可知，實(shí)際輸出頻率可以達(dá)到指標(biāo)要求；由圖8可知，當(dāng)在偏離載頻10kHz處，相位噪聲可達(dá)-79.29dBc/Hz,證明該頻率合成器設(shè)計(jì)是正確合理的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用ADI公司的AD9910設(shè)計(jì)了寬帶頻率合成器，利用DDS保證高的頻率分辨率，又保證了整個(gè)頻率合成器的雜波抑制和相位噪聲。經(jīng)測(cè)試表明，該頻率合成器能產(chǎn)生低相噪、高分辨率、高穩(wěn)定度的寬帶信號(hào)，是一種實(shí)用的頻率合成器，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。目前，該頻率合成器已經(jīng)成功地應(yīng)用在寬帶雷達(dá)信號(hào)源中，并且可以很好的滿足信號(hào)源的要求。