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      DDS激勵PLL方式的頻率合成器設計

      2016-06-28 05:17:52武志敏
      科技與創(chuàng)新 2016年11期

      武志敏

      摘 要:DDS+PLL是目前頻率合成技術的常用組合方式之一。首先就DDS+PLL的幾種常用合成方式的特點進行了簡單介紹,然后重點利用DDS激勵PLL的方式,實現(xiàn)了一種低雜散低相噪的頻率合成器的設計。在自己的工作中證明了該方案的可實現(xiàn)性。

      關鍵詞:DDS;PLL;低雜散;低相位噪聲;頻率合成器

      中圖分類號:TN97 文獻標識碼:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.120

      文章編號:2095-6835(2016)11-0120-02

      現(xiàn)代通信技術的發(fā)展迅猛,使得電子對抗領域對頻率源的準確度、換頻時間以及雜散相位噪聲等技術指標的要求越來越高。一般我們經(jīng)常使用DDS+PLL的方法來實現(xiàn)高頻率、小步進、低相噪的頻率合成器設計。以下是對DDS+PLL的常見組合方式作一簡介。

      1 DDS+PLL的頻率合成方式

      1.1 DDS內插于PLL

      這種方式是把DDS看作分頻器插入PLL。正是因為DDS的頻率的分辨率是非常高的,因而可以實現(xiàn)寬頻帶、小步進頻率的合成。但是因為DDS還可實現(xiàn)小數(shù)分頻,所以會有部分頻段出現(xiàn)雜散現(xiàn)象。

      1.2 DDS倍頻于PLL

      此種方式是將DDS作為PLL倍頻的參考信號,PLL就成了N倍頻環(huán)。此方式的優(yōu)點是:電路設計簡單,可以得到較高的頻率輸出。因而適合應用在相對雜散、指標要求不是很高的分機以及系統(tǒng)中。缺點是:因為PLL用于直接倍頻,所以在環(huán)路噪聲帶寬內的輸出信號,相位噪聲以及雜散指標,都將惡化20 dB。

      1.3 DDS和PLL直接混頻

      此方式是將PLL信號作為本振信號,將DDS信號做上變頻、混頻后,再通過一級帶通濾波器將信號輸出。因DDS信號是沒有經(jīng)過倍頻的,對最終信號的相噪也就幾乎沒有影響。同時,如果PLL信號的相噪表現(xiàn)比較好,那么最終輸出信號的相噪指標就會比較好。然而,此方式中的雜散指標主要是依靠最后的那級帶通濾波器作為保障,這就增加了帶通濾波器的設計難度。此方式的優(yōu)勢是:工作頻率范圍窄,換頻時間較快,相位噪聲指標很高。

      1.4 DDS激勵于PLL

      綜合上面三種頻率合成方式的理論分析以及在工作中的經(jīng)驗,對以上三種方案進行改進,采用DDS激勵PLL的混頻環(huán)方案。這種混頻合成框圖,它是由DDS、混頻鎖相環(huán)、時鐘鎖相環(huán)三部分組合而成??驁D中的時鐘鎖相環(huán)不但可以作為DDS的輸入?yún)⒖紩r鐘,而且可以作為混頻鎖相環(huán)的混頻器輸入信號。具體情況如圖1所示。

      2 DDS+PLL頻率合成器設計

      2.1 雜散指標分析

      2.1.1 DDS雜散

      DDS雜散的一部分是由幅度、相位截斷誤差引起的DAC非線性引起,一部分是由DAC非線性引起。從雜散指標來分析,PLL的環(huán)路帶寬越窄越好。因為如果環(huán)路帶寬窄,雜散就不易落于環(huán)路帶寬之內,輸出頻譜就干凈。

      2.1.2 組合雜散

      頻率合成中有很多雜散,比如在電路設計中所使用的線性及非線性器件,有源及無源器件均會產生雜散。其中,DDS和時鐘信號之間的組合是雜散的主要來源。為了滿足90dB的雜散指標要求,最終以時鐘在700 MHz與800 MHz兩點之間切換。DDS頻率同時做改動,當信號輸出頻率為571.429 MHz時,則設置時鐘信號為700 MHz。另外,當時鐘信號為700 MHz時,在環(huán)路帶寬內雜散點還有571.053 MHz。也就是說,這個頻點DDS諧波同時鐘諧波的組合次數(shù)為45.通過推算,該點雜散指標能滿足要求。

      2.2 相位噪聲的指標分析

      混頻倍頻分頻是指頻率的加減乘除?;祛l倍頻分頻均能改變最初信號的相位噪聲。就相位噪聲的指標而言,混頻即為和運算,而倍頻則將惡化20l dB,分頻則會優(yōu)化20 dB。下面對影響輸出相位噪聲的三方面進行討論。

      2.2.1 DDS輸出相噪

      DDS可以看作一個分頻器件,在理論上,它的輸出信號相位噪聲會優(yōu)化20 dB,但實際上,因為DDS期間內部的各種原因,使DDS輸出的相位噪聲與理論計算輸出不太一致。該方案中,DDS片子選用AD公司的AD9910,其參考輸入信號最高可以到1GHz,輸出信號可以到400 MHz。根據(jù)相關資料計算得出,輸出信號在232 MHz@±10 kHz處,相位噪聲則為:-127+20lg3.5+2≈-135(dBc/Hz)。

      2.2.2 時鐘環(huán)輸出相噪

      該方案中參考源選用100 MHz的超高頻率精度超低相噪晶振,所以,在計算中可以忽略參考源相位噪聲的惡化。這里將時鐘選取為800 MHz,該處的相位噪聲為:-147+20lg8+2≈-127(dBc/Hz)。我們將此時鐘環(huán)路的帶寬選取得寬一些,這時@±100 kHz處和@±10 kHz處的相位噪聲基本一樣。

      2.2.3 混頻環(huán)相噪

      若混頻環(huán)的鑒相倍頻次數(shù)為:N=1,則在227~232 MHz頻率下鑒相。混頻環(huán)輸出在±10 kHz處,其相位噪聲則為:-140+20lgN=-140+0=-140(dBc/Hz)。總結以上,該方案輸出568~573MHz信號的相位噪聲@±10 kHz和@±100 kHz時理論值可達到-127(dBc/Hz)。

      3 最終測試結果

      用Agilent公司N9030頻譜分析儀測試該合成器全頻段范圍內的相位噪聲分別為:-125dBc/Hz@10 kHz;-123dBc/Hz@100 kHz。雜散指標在全頻段范圍內都能夠滿足90 dB的要求。相位噪聲測試情況如圖2所示。

      4 總結

      通過理論分析和試驗結果得出,這種低相噪低雜散的頻率合成器通過DDS激勵PLL方式來實現(xiàn),滿足了實際工作中工程上的需求。在研發(fā)中對相位噪聲分析,對有雜散的頻點避開,對將來頻率合成器的理論分析和研制具備了很大的參考價值。

      參考文獻

      [1]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安:西安交通大學出版社,1995:236-240.

      [2]戴逸民.頻率合成與鎖相技術[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1995:45-50.

      〔編輯:胡雪飛〕

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