基于取樣環(huán)的任意中頻輸出裝置設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 郭亞楠 杜會(huì)文 閆亞力

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基于取樣環(huán)的任意中頻輸出裝置設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 郭亞楠 杜會(huì)文 閆亞力

【摘要】設(shè)計(jì)了一種在接收變頻系統(tǒng)中產(chǎn)生任意中頻輸出的裝置，輸出中頻頻率范圍10MHz～160MHz，頻率步進(jìn)1Hz，并且輸出中頻功率提供4檔進(jìn)行選擇，分別為-10dBm、-5dBm、0dBm和5dBm。將該裝置應(yīng)用到某信號(hào)分析儀中，10kHz頻偏處的相位噪聲可達(dá)-120dBc/Hz。本裝置實(shí)現(xiàn)了微波毫米波接收變頻系統(tǒng)的任意中頻輸出，為后續(xù)信號(hào)的分析處理提供了更大的靈活性。

【關(guān)鍵詞】任意中頻；取樣環(huán)；相位噪聲

0　引言

在接收變頻系統(tǒng)中，將射頻/微波信號(hào)變換到中頻信號(hào)再進(jìn)行分析處理時(shí)，通常中頻是固定的。比較常用的中頻信號(hào)有10.7MHz、21.4MHz、70MHz、140MHz、160MHz等[1-3]。但是隨著數(shù)字集成電路技術(shù)及軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，越來越多的場合要求接收變頻系統(tǒng)輸出的中頻頻率可變，以滿足后端不同頻率調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置的輸入要求[4]。根據(jù)這些需求，本文提出了一種可產(chǎn)生10MHz～160MHz范圍內(nèi)任意中頻輸出的裝置，極大地滿足了實(shí)際應(yīng)用的需要。

1　接收變頻系統(tǒng)介紹

微波毫米波接收變頻系統(tǒng)通常采用多級(jí)變頻裝置將射頻輸入信號(hào)變換為頻率較低的中頻信號(hào)[5]，例如采用2級(jí)變頻的接收分析系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示，變頻調(diào)諧關(guān)系為：

圖1　接收變頻系統(tǒng)

為了保證接收通路噪聲系數(shù)、帶外抑制等指標(biāo)以及設(shè)計(jì)電路方便等因素，通常選取固定值，而隨著變化而改變。例如對(duì)于輸出中頻為75MHz的接收變頻系統(tǒng)，通常選取375MHz，選取300MHz；對(duì)于輸出中頻為21.4MHz的接收變頻系統(tǒng)，通常選取321.4MHz，選取300MHz[6]。

2　方案的實(shí)現(xiàn)

2.1方案設(shè)計(jì)

固定中頻輸出的接收變頻系統(tǒng)雖然電路設(shè)計(jì)簡單，但其缺乏靈活性，不能很好地適應(yīng)后端調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置對(duì)不同中頻頻率輸入的要求，在使用過程中具有較大局限性。因此，如何獲得可變的中頻輸出信號(hào)，來滿足不同情況下的輸入要求，成為了工程師亟待解決的問題。本文設(shè)計(jì)了一種中頻頻率在10MHz～160MHz范圍內(nèi)任意可變的中頻輸出裝置，其原理框圖如圖2所示，在設(shè)計(jì)的任意中頻輸出裝置中，第一本振電路、第一變頻器、第一中頻放大器及第一中頻濾波器與圖1所示接收變頻系統(tǒng)并無區(qū)別，因此在圖2中并未給出，為了得到任意可變的中頻信號(hào)，將圖1中原固定不變的第二本振電路設(shè)計(jì)為一個(gè)寬頻率范圍的、頻率連續(xù)可變的（頻率步進(jìn)量可設(shè)置，最小可設(shè)1Hz）的電路，其原理框圖由圖2中單刀雙擲開關(guān)7和10、帶通濾波器9和12、二分頻器8、三分頻器11以及取樣環(huán)（PLL）6組成。其中PLL原理框圖如圖3所示[7-10]，750MHz的信號(hào)作為環(huán)路參考信號(hào)，而取樣環(huán)振蕩器（VCO）輸出的是600MHz～900MHz的信號(hào)，其鎖相反饋采用混頻方式實(shí)現(xiàn)，即與750MHz的參考頻率混頻，從而得到12MHz～150MHz的中頻信號(hào)，另一路750MHz經(jīng)分頻后也產(chǎn)生12MHz～150MHz的信號(hào)，這兩路信號(hào)鑒相后輸出的信號(hào)經(jīng)過積分濾波后得到的誤差電壓用來調(diào)整振蕩器的諧振頻率并使之鎖定在指定的頻率上。

圖2　變頻接收系統(tǒng)中任意中頻輸出原理框圖

圖3　取樣環(huán)原理框圖

取樣環(huán)VCO的振蕩公式為：

式中，M取值范圍是-51～+52之間的整數(shù)。M的正負(fù)號(hào)的物理意義是：M取正，＞750MHz；M取負(fù)，＜750MHz。

這樣通過對(duì)開關(guān)的控制，就可以得到頻率范圍覆蓋10MHz～160MHz的任意中頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波放大處理后，就可以作為后端調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置的輸入使用。

該任意中頻輸出裝置對(duì)信號(hào)功率是零入零出的，即通過適當(dāng)?shù)姆糯髞硌a(bǔ)償通路中的差損，信號(hào)經(jīng)該裝置進(jìn)行變頻處理時(shí)，幅度保持不變。然而，在某些應(yīng)用場合，射頻輸入信號(hào)幅度很小，受處理能力的限制，待處理的中頻信號(hào)幅度不能太小，因此，設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益控制電路，提供了4檔分別為-10dBm、-5dBm、0dBm和5dBm的輸出幅度可供選擇。

2.2關(guān)鍵電路實(shí)現(xiàn)

任意中頻輸出裝置的核心部件是可以產(chǎn)生600MHz～900MHz可變信號(hào)的壓控振蕩器，其電路原理圖如圖4所示，由電感L1～L4，電容C1～C7，變?nèi)荻O管V1～V9等組成。

圖4　壓控振蕩器原理圖

調(diào)諧電壓范圍2.5～21.5V，電壓與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示。

表1　取樣環(huán)VCO調(diào)諧電壓與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系

為實(shí)現(xiàn)任意中頻輸出裝置自動(dòng)增益控制的功能，選用了中電13所的自動(dòng)增益控制模塊JGF051C，通過外接2kΩ、1kΩ、680Ω、510Ω的電阻，就可實(shí)現(xiàn)輸出幅度分別為5dBm、0dBm、-5dBm和-10dBm的自動(dòng)增益控制的功能。

3　指標(biāo)測試

將任意中頻輸出裝置應(yīng)用到某型號(hào)信號(hào)分析儀中，輸出的中頻信號(hào)具有較好的相噪指標(biāo)。圖5為M=-51時(shí)取樣環(huán)的輸出信號(hào)，由式（3）計(jì)算可得此時(shí)取樣環(huán)輸出信號(hào)FS≈600.6MHz，使用信號(hào)分析儀AV4051測得其頻偏10kHz時(shí)的相位噪聲為-128dBc/Hz。

圖5　M=-51時(shí)取樣環(huán)輸出信號(hào)

圖6　75MHz中頻信號(hào)

4　結(jié)束語

隨著數(shù)字集成電路技術(shù)及軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接收變頻系統(tǒng)中固定的中頻信號(hào)輸出已不能滿足后端調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置對(duì)不同中頻頻率輸入的需求。針對(duì)上述問題，基于取樣環(huán)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種在接收變頻系統(tǒng)中可產(chǎn)生任意中頻輸出的裝置，該裝置已應(yīng)用到某型號(hào)信號(hào)分析儀中，輸出的中頻信號(hào)頻率范圍為10MHz～160MHz，并具有較好的相噪指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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郭亞楠，男，碩士，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ê撩撞ㄐ盘?hào)分析類儀器的研究與開發(fā)。

杜會(huì)文，男，研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ê撩撞娮訙y量類儀器的研究。

Design of device for generating arbitrary intermediate frequency output based on phase locked loop

GUO Yanan DU Huiwen YAN Yali
（The 41st Research Institute of CETC，Qingdao 266555，China）

Abstract：In this paper，we design a device which can generate arbitrary intermediate frequency output in the receiving and frequency conversion system，the output frequency range from 10MHz to 160MHz，the frequency step is 1Hz，also，the power of output IF provide four modes for selection，which is -10dBm、-5dBm、0dBm、5dBm，respectively.The device is applied to a signal analyzer，and the phase noise at frequency offset 10kHz is up to 120dBc/Hz.The device realizes the arbitrary IF output in the microwave and millimeter wave receiving and frequency conversion system，and provides greater flexibility for the analysis and processing of the following signals.

Keywords：arbitrary intermediate frequency；phase locked loop(PLL)；phase noise

作者簡介：