摘要：提出了基于DDS的寬帶頻率合成器的設(shè)計方案，給出了主要的硬件選擇，對頻率合成器的原理進行了詳細的闡述，并且對該頻率合成器的雜波抑制和相位噪聲進行了分析，最后對樣機的性能進行了測試，結(jié)果表明該寬帶頻率合成器具有很好的性能，可應(yīng)用于寬帶雷達信號源中。
0 引言
隨著數(shù)字信號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)換時間短、輸出相位連續(xù)、可以實現(xiàn)多種數(shù)字與模擬調(diào)制的優(yōu)點。本文設(shè)計出一種基于DDS的寬帶雷達頻率合成器，具有分辨率高、頻率帶寬極寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短等特點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
根據(jù)某課題提出的寬帶雷達信號源的設(shè)計要求，綜合當(dāng)代雷達發(fā)展的需求，提出如下設(shè)計指標(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)計框圖
本設(shè)計用于實現(xiàn)寬帶雷達信號頻率的合成，根據(jù)所提出的設(shè)計指標(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對硬件電路進行了設(shè)計。
1.1 AD9910性能特點
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、國防和儀器儀表系統(tǒng)工程師提高輸出頻率高達400MHz的動態(tài)性能。AD9910采用高級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更新速率達250MHz的16bit并行端口，它允許設(shè)計工程師每隔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)計中采用AD9910作為任意信號發(fā)生器。
1.2 頻率合成器方案設(shè)計原理
本設(shè)計采用DDS+單邊調(diào)制+混頻的方案，由2個DDS組成任意信號發(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：
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)制信號覆蓋率相當(dāng)于800MHz的瞬時帶寬。
得到的單邊帶調(diào)制信號需要經(jīng)過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)過開關(guān)的切換與頻率為fRF的單邊帶調(diào)制信號進行二次混頻，得到的中頻信號頻率為fIF:
式中：fref2=11.4GHz,fref3=12.4GHz,fref4=13.4GHz,結(jié)合式（2）和式（3）可得：
得到的中頻信號經(jīng)開關(guān)切換去倍頻，得到頻率為fout2的信號，由于有開關(guān)控制，倍頻所得信號所覆蓋的頻率范圍為：
在2~8GHz整個頻段上，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上滿足500MHz瞬時帶寬的連續(xù)。
4.3~8GHz頻率信號由倍頻獲得，開關(guān)的切換時間小于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
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)計中著重考慮的問題：
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信號都遠離IF,即使漏過來也可以濾掉，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
已選DDS的相噪指標(biāo)為：輸出為400MHz時，-125dBc/Hz@1kHzOffset,已選鑒頻鑒相器的相噪指標(biāo)與DDS輸出信號的相噪指標(biāo)相當(dāng)，當(dāng)100MHz參考頻率時，能實現(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;因為所有本振都為分頻鎖相，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,雷達頻綜電路對實現(xiàn)最終輸出信號的相噪指標(biāo)還是可行的。
3 測試結(jié)果
根據(jù)以上的設(shè)計方案，現(xiàn)已研制出樣機。經(jīng)Agilent公司的頻譜儀E4407B測試，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，實際輸出頻率可以達到指標(biāo)要求；由圖8可知，當(dāng)在偏離載頻10kHz處，相位噪聲可達-79.29dBc/Hz,證明該頻率合成器設(shè)計是正確合理的。
4 結(jié)束語
本文采用ADI公司的AD9910設(shè)計了寬帶頻率合成器，利用DDS保證高的頻率分辨率，又保證了整個頻率合成器的雜波抑制和相位噪聲。經(jīng)測試表明，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，是一種實用的頻率合成器，具有較好的工程應(yīng)用價值。目前，該頻率合成器已經(jīng)成功地應(yīng)用在寬帶雷達信號源中，并且可以很好的滿足信號源的要求。
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