摘要：提出了基于DDS的寬帶頻率合成器的設計方案，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，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的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術的應用也越來越廣泛。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。

　　1  寬帶頻率合成器的設計

　　根據(jù)某課題提出的寬帶雷達信號源的設計要求，綜合當代雷達發(fā)展的需求，提出如下設計指標：

　　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)上述指標設計出寬帶頻率合成器的方案如圖1所示。

　　本設計用于實現(xiàn)寬帶雷達信號頻率的合成，根據(jù)所提出的設計指標及要求，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DDS技術，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，它允許設計工程師每隔8ns更新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  頻率合成器方案設計原理

　　本設計采用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BW_dds的各種正交信號頻率為f_dds、去調(diào)制頻率為f_ref1的鎖相本振，得到頻率為f_RF的單邊帶調(diào)制信號：

　　式中：BW_dds=400MHz,f_ref1=9GHz,因此得到的f_RF的范圍為：

　　由式（2）可看出得出的調(diào)制信號覆蓋率相當于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中所要求的2~8GHz的工作頻段。頻率為f_ref2、f_ref3和f_ref4的鎖相本振源經(jīng)過開關的切換與頻率為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f_IF:

　　式中：f_ref2=11.4GHz,f_ref3=12.4GHz,f_ref4=13.4GHz,結(jié)合式（2）和式（3）可得：

　　得到的中頻信號經(jīng)開關切換去倍頻，得到頻率為f_out2的信號，由于有開關控制，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計中著重考慮的問題：

　　6）晶體要做好屏蔽，減少對周圍器件的干擾。

　　2  性能分析

　　2.1雜波指標估計

　　寬帶雷達頻率合成器由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，雜波信號指標均取決于這些器件的信號輸出。

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

　　單邊帶調(diào)制器選用美國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)制信號因遠在帶外，可以不考慮。

圖2  HMC520 IR混頻器邊帶抑制曲線

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。由此判斷，該方案對滿足雜波抑制≥40dB的指標是可行的。

圖5HMC553混頻器M×N次諧波輸出

　　2.2  相位噪聲指標估計

　　已選DDS的相噪指標為：輸出為400MHz時，-125dBc/Hz@1kHzOffset,已選鑒頻鑒相器的相噪指標與DDS輸出信號的相噪指標相當，當100MHz參考頻率時，能實現(xiàn)的相噪指標是-153dBc/Hz@10kHzOffset;已選晶振的相噪指標優(yōu)于-152dBc/Hz@1kHzOffset;因為所有本振都為分頻鎖相，分頻比是130,相噪指標要惡化：

　　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2倍頻，惡化6dB,雷達頻綜電路對實現(xiàn)終輸出信號的相噪指標還是可行的。

　　3  測試結(jié)果

　　根據(jù)以上的設計方案，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要求；由圖8可知，當在偏離載頻10kHz處，相位噪聲可達-79.29dBc/Hz,證明該頻率合成器設計是正確合理的。

　　4  結(jié)束語

　　本文采用ADI公司的AD9910設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，具有較好的工程應用價值。目前，該頻率合成器已經(jīng)成功地應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。

參考文獻:

[1]. HMC553 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/HMC553_1633610.html.