一種S波段低相噪捷變頻率合成方法

【摘要】闡述相位噪聲在各種通信中的重要性，通過對(duì)頻率合成方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析，選擇能夠?qū)崿F(xiàn)一種S波段低相噪捷變頻率合成的方法，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，提出自己的實(shí)現(xiàn)方式以及在實(shí)際設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。

【關(guān)鍵詞】直接頻率合成；開關(guān)濾波器組

1.引言

在各種高性能、寬動(dòng)態(tài)范圍的頻率變化中，相位噪聲是一個(gè)主要的限制因素。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，相位噪聲影響IQ圖，相位噪聲高會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的比特位，因而增加了誤碼率，系統(tǒng)中的狀態(tài)越多，系統(tǒng)對(duì)相位噪聲越敏感；在衛(wèi)星通信中，載波信號(hào)的相位噪聲還影響載波跟蹤精度[1]。另外頻率捷變速度，也是頻率合成的一個(gè)考慮因素。本文根據(jù)理論分析和相關(guān)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種S波段低相噪捷變頻率源，以滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要。

2.頻率合成方案選擇

頻率合成方法選擇首先根據(jù)設(shè)備的調(diào)制方法和雜散要求，其次在滿足同樣需求的合成方法中又要根據(jù)難易程度和成本不同來選擇。通信設(shè)備整機(jī)要想獲得很低的誤碼率和提高頻譜利用率，高穩(wěn)定、低噪聲的頻率源是必不可少的。選擇頻率源方案時(shí)我們有兩種方案可供選擇：一是直接合成，二是間接合成即鎖相方案。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，直接合成具有變頻時(shí)間短、相位噪聲低的特點(diǎn)，但雜散較大，設(shè)備比較復(fù)雜。間接合成即鎖相特別是數(shù)字鎖相方案實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡單，雜散小，但相噪差于前者，變頻時(shí)間長。對(duì)于有些移動(dòng)通信設(shè)備系統(tǒng)，要求具有自動(dòng)捷變頻功能，頻率變換時(shí)間在微秒級(jí)，數(shù)字鎖相方案實(shí)現(xiàn)頻率捷變顯然不太適合，就需要采用直接頻率合成方案。

3.直接式頻率合成原理

直接合成頻率源又可分為兩種方式：一種是非相干合成法，另一種是相干合成法。非相干合成法和相干合成法最主要的不同是，合成過程中所用的基準(zhǔn)頻率源的數(shù)量不同[2]。非相干合成方法使用多個(gè)晶振參考頻率源，所需的各種頻率信號(hào)由這些參考源提供。相干合成方法只使用一個(gè)晶振參考頻率源，所需的各種頻率信號(hào)都由它經(jīng)過分頻、混頻和倍頻后得到。寬帶倍頻鏈?zhǔn)沁@種頻率合成器的關(guān)鍵，它采用了多次放大和倍頻，這種倍頻鏈?zhǔn)馆敵鲂盘?hào)的相位噪聲以20lg n（n為倍頻次數(shù)）的數(shù)量惡化，倍頻將出現(xiàn)大量的寄生信號(hào)（晶振基波與各次諧波以及其組合頻率），所以倍頻后必須插入頻率特性非常好的濾波器。

4.S波段低相噪捷變頻率合成方法

根據(jù)項(xiàng)目頻率相參要求，選擇全相參直接合成頻率源實(shí)現(xiàn)方案。全相參直接合成頻率源是以一個(gè)高穩(wěn)定的晶體振蕩器作為參考頻率源，所需的各種頻率信號(hào)都是由參考源經(jīng)過分頻、混頻和倍頻后得到，因而合成器輸出頻率的穩(wěn)定度與參考源相一致。根據(jù)以前工作中的相參直接合成頻率源模塊化研究成果，提出如下方案，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4-1所示。

設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：頻率2090MHz～2029MHz，頻率步進(jìn)10MHz，共21個(gè)頻率點(diǎn)；相位噪聲譜密度優(yōu)于-115dBc/1Hz（1kHz處），帶內(nèi)雜散小于-60dB。

4.1 晶體振蕩器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)要求相位噪聲譜密度優(yōu)于-115dBc/ 1Hz（1kHz處），則選擇的80MHz溫補(bǔ)晶振的相位噪聲譜密度優(yōu)于-145dBc/1Hz（1kHz處），通常考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)留有10dBc/1Hz的余量，所以最終選擇的80MHz溫補(bǔ)晶振的相位噪聲譜密度優(yōu)于-155dBc/1Hz（1kHz處）。

4.2 倍頻器設(shè)計(jì)

倍頻器是利用諧波來工作的，根據(jù)其工作原理可以有兩種類型；一種是非線性電抗（電容型的），如變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管（SRD）。變?nèi)荻O管作變頻器時(shí)，倍頻次數(shù)較低，效率也較低，變?nèi)莨艿牡湫捅额l效率為1/n2（n為倍頻次數(shù)）。后來發(fā)展的階躍恢復(fù)二極管可制作高達(dá)20次的高次倍頻器，且倍頻效率較高，典型倍頻效率為1/n[3]。這種類型的倍頻器通常用于較高的工作頻率。另一種是非線性電導(dǎo)型的，如肖特基勢壘二極管、晶體三極管和FET等。

諧波發(fā)生器，需要產(chǎn)生2400MHz、2480MHz、2560MHz的高頻信號(hào)，使用的是第一種倍頻器，具體選用的是階躍恢復(fù)二極管WY402B，調(diào)節(jié)兩端的匹配網(wǎng)絡(luò)，使2400MHz、2480MHz、2560MHz幅度起伏在較小的范圍內(nèi)。

4倍頻器產(chǎn)生320MHz的信號(hào)只要使用單片放大器ERA-50SM放大后用濾波器取出即可。為了給32分頻器和混頻器提供足夠的功率電平，還需要在功分器前或功分器后加放大器ERA-50SM。

4.3 分頻器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中需要把320MHz的信號(hào)分頻至以10MHz為起始頻率步進(jìn)為10MHz的一系列信號(hào)，可以選用分頻器HMC394LP4。

4.4 混頻器設(shè)計(jì)

混頻器通常被用于將不同頻率的信號(hào)相乘，以便實(shí)現(xiàn)頻率的變換。混頻器的兩個(gè)重要組成部分是信號(hào)合成單元和信號(hào)檢測單元。信號(hào)合成單元可以用90o（或180o）定向耦合器實(shí)現(xiàn)。信號(hào)檢測單元的非線性元件通常采用一個(gè)二極管[4]。混頻器的選用是根據(jù)輸入和輸出頻率不同選用不同型號(hào)的混頻器，只要保證足夠大的有效輸入和輸出電平滿足要求的最低電平為原則。P頻標(biāo)前的混頻器選用LRMS-5MHJ，用P頻標(biāo)和S頻標(biāo)合成2090MHz～2290MHz的混頻器選用HMC213MS8。

4.5 開關(guān)濾波器組設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用了兩組開關(guān)濾波器組，一組解決3個(gè)S頻標(biāo)的選擇問題，另一組解決8個(gè)P頻標(biāo)的選擇問題。S頻標(biāo)3選1開關(guān)濾波器組，是在2400MHz、2480MHz、2560MHz的三個(gè)信號(hào)中選一個(gè)，其實(shí)還要濾除前面諧波發(fā)生器產(chǎn)生的80MHz其他次諧波，選用腔體濾波器，能做到高抑制度和低插入損耗；又要實(shí)現(xiàn)頻率捷變功能，就要選用高頻率的微波開關(guān)，如果選擇機(jī)械式的繼電器做選通開關(guān)就滿足不了頻率捷變速度的要求。P頻標(biāo)8選1開關(guān)濾波器組，選出的頻率相隔10MHz，過度帶寬相對(duì)窄，就要選用聲表濾波器，選通開關(guān)也需要使用微波開關(guān)以滿足切換速度。

4.6 頻控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中頻控電路的作用是每次分別選擇P頻標(biāo)和S頻標(biāo)中的一個(gè)，混頻合成頻率2090MHz～2029MHz的一個(gè)。設(shè)計(jì)時(shí)基于FPGA芯片來控制，這類可編程邏輯器件以其速度高、規(guī)模大、可編程，以及有強(qiáng)大EDA軟件支持等特性。Ahera是著名的PLD生產(chǎn)廠商，多年來一直占據(jù)著行業(yè)領(lǐng)先的地位。Ahera的PLD具有高性能、高集成度和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，此外它還提供了功能全面的開發(fā)工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera的產(chǎn)品獲得了廣泛的應(yīng)用[5]。本設(shè)計(jì)中選用的FPGA芯片是EPM7128STI100-10，使用5個(gè)按鍵開關(guān)作為控制開關(guān)，對(duì)應(yīng)FPGA的五個(gè)控制位20、21、22、23、24。

5.設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過具體實(shí)施和認(rèn)真調(diào)試，達(dá)到了相噪設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，其中一個(gè)頻點(diǎn)的相噪指標(biāo)曲線如圖5-1所示。

6.結(jié)論

直接頻率合成方法可以實(shí)現(xiàn)S波段低相噪捷變頻率設(shè)計(jì)需要，在設(shè)計(jì)中頻率捷變速度得益于微波開關(guān)的選型和使用。采用直接合成頻率源另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是輸出譜的雜散，通常認(rèn)為直接合成雜散較大，也是工程實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。對(duì)于本方案P頻標(biāo)的開關(guān)濾波器組是關(guān)鍵，其對(duì)中心頻率左右10MHz雜散的抑制度取決于SAW濾波器，根據(jù)現(xiàn)在SAW器件的工藝、材料水平能做到60dB以上，最后合成的頻率雜散小于-60dB。除此之外實(shí)現(xiàn)方案的選擇，工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高的雜散抑制也至關(guān)重要。

本文的頻率合成方案是高端移動(dòng)通信設(shè)備的本振合成的實(shí)際應(yīng)用典范，可以推廣到其他波段的頻率合成。

參考文獻(xiàn)

[1]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安交通大學(xué)出版社.

[2]Vadim Manassewitsch著.何松柏，宋亞梅，鮑景富，等.頻率合成原理與設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社.

[3]中國集成電路大全》編委會(huì)編.微波集成電路[M].國防工業(yè)出版社.

[4][美]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko著.王子宇，張肇儀，徐承和等.射頻電路設(shè)計(jì)——理論與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.

項(xiàng)目名稱：機(jī)動(dòng)多功能航管雷達(dá)系統(tǒng)（項(xiàng)目編號(hào)：2011BAH24B11）。