一种X波段频率合成器的设计方案

摘要：在非相参雷达测试系统中，频率合成技术是其中的关键技术，针对雷达测试系统的要求，介绍了一种用DDS激励PLL的X波段频率合成器的设计方案。文中给出了主要的硬件选择及具体电路设计，通过对该频率合成器的相位噪声和捕获时间的分析，及对样机性能的测试，结果表明该X波段频率合成器带宽为800 MHz、输出相位噪声优于-80 dBc／Hz@10 kHz、频率分辨率达0．1 MHz，可满足雷达测试系统系统的要求。测试表明，该频率合成器能产生低相噪、高分辨率、高稳定度的X波段信号，具有较好的工程应用价值。
关键词：DDS；PLL；低相位噪声；环路滤波器

在非相参雷达测试系统中，频率合成技术是其中的关键技术之一，它要求在一个很宽的频率范围内以快捷的速度，提供大量的高精度、高分辨率、高稳定度的频率信号。频率合成的主要方法有直接频率合成、锁相频率合成(PLL)和数字直接频率合成(DDS)。PLL虽然有锁定频率高、带宽宽以及频谱质量好等优点，但是存在置频时间长、分辨率较低等缺点。DDS有频率分辨率高、频率转换时间快、输出相位噪声低等优良特性，但其输出频率低、杂散性能较差，这些因素又限制了它们的使用。如果把两者结合起来，取长补短，则可以获得更高的频率分辨率、更快的信号建立时间、低相噪和宽输出频率范围等性能。

1 X波段频率合成器的方案设计
常用的DDS+PLL组合有DDS激励PLL和DDS内插PLL 2种方式。无论采用哪种组合方式，都可以获得高分辨率、快速转换、较宽频率范围的输出频率。但在频率杂散性能、频率建立时间和电路复杂程度等方面，两种组合特点各有不同。在PLL内插DDS的组合方案中，虽然DDS输出不经PLL倍频，故具有较低的相位噪声和较好的杂散性能，但此方案需要滤除混频器产生的多余分量，影响环路参数，致使设计电路复杂，硬件调试周期长。而前者硬件结构简单易实现，系统稳定性高。
本方案采用DDS激励PLL的方式对X波段频率合成器进行设计。系统原理图如图1所示。

PLL由数字鉴相器、高精度电荷泵、可编程参考分频器R、可编程A，B计数器以及双模分频器(P／P+1)组成。当PLL锁定时，频率合成器及VCO输出频率为：

DDS的输出频率受频率控制字K控制，且

式(3)中K为DDS的频率控制字，M为相位累加器字长，fCLK为DDS的内部工作频率。因此(1)式可以写为


2 硬件电路设计
本设计用于实现X波段低相噪锁相频率源，其中心频率为9．4 GHz，带宽为800 MHz，频率分辨率为100 kHz，相位噪声要求为-80 dBc ／Hz@10 kHz，由(1)式知VCO的输出频率为4．5～4．9 GHz。鉴于以上考虑，本方案采用DDS芯片AD9910和锁相芯片ADF4106对硬件电路进行了设计。
2．1 AD9910的性能特点
AD9910是ADI公司推出的一款直接数字频率合成器(DDS)芯片，与其他高速DDS器件相比，它集成14位数／模转换器(DAC)，可以形成数字可编程、高频模拟输出的频率合成器，能够产生频率高400MHz的正弦波形。这款DDS使用32位累加器，可提供快速调频和频率调节分辨率。其采样率为1GSPS，调节分辨率为0．23 Hz。该DDS也支持快速的相位和幅度切换，具有PLL REFCLK乘法器。
AD9910可通过串行I／O端口设置内部控制寄存器内容，其内部包含静态RAM(1 024字x32位RAM)以支持多种频率、相位和幅度调制。AD99 10也支持用户定义、数字控制的线性扫描工作模式。
为了获得更高级的调制功能，其集成了高速并行数据输入端口以支持直接频率、相位、幅度或极性调制。AD9910可应用于捷变本振频率合成、快速跳频和雷达线性调频源中。
AD9910的电源电压为1．8 V和3．3 V，功率消耗为715～850 mW，具有软件和硬件控制的低功耗模式，低功耗模式的功耗为19～25 mW。其DAC输出相位噪声为-125 dBc／Hz@1 kHz，可进行25 Mb／s写速度串行I／O控制。AD9910的内部结构框图如图2所示。

2．2 ADF4106的性能特点
ADF4106是美国ADI公司生产的高性能锁相频率合成芯片，主要由数字鉴相器、电荷泵、R分频器、A，B计数器及双模前置P／P+1分频器等组成。数字鉴相器对R计数器与N计数器的输出信号进行相位比较，得到一个误差电压。14bit可编程参考R分频器对外部晶振分频后得到参考频率。该器件可以通过可编程6位A计数器、13位B计数器及双模前置分频器(P／P+1)来共同完成主分频比N(N=BP+A)。因此，设计时只需外加环路滤波器，并选择合适的参考值，即可获得稳定的频率输出。该器件的主要特点如下：1)该合成器的输出频率为0．5～6 GHz；2)工作电压：2．7～3．3 V；3)最高鉴相输入104 MHz，具有4组可编程双模分频器8／9，16／19，32／33，64／65；4)编程控制采用3线串行接口；5)能够进行模拟和数字锁定检测；6)具有良好的相位噪声参数。
2．3 环路滤波器设计
在锁相环频率合成器中，环路滤波器的主要作用是滤除PLL输出误差电压中的高频分量以保证环路的稳定性，以改善环路跟踪性能和噪声性能。在环路带宽内，鉴相器强迫VCO跟踪参考频率，将参考振荡器的相位噪声映射到VCO上。这一过程受到鉴相器噪声基底的支配，因为鉴相器噪声基底通常比参考振荡器的相位噪声高。由于补偿频率高于环路带宽，环路就不能很好地跟踪参考频率，总的相位噪声等于VCO的相位噪声，因此要将环路带宽设置在鉴相器噪声基底与VCO自由振荡时相位噪声的交叉点上。过宽的环路带宽虽然能缩短锁定时间，但同时也会引入参考杂散；过窄则正好相反。因此需要在锁定时间和参考杂散之间作折衷考虑。通常环路滤波器的带宽应为鉴相器鉴相频率的1／10，同时为了避免环路不稳定，环路带宽不应超过鉴相频率的1／5。本设计中采用三阶无源积分滤波器，滤波器各参数由软件ADIsimPLL计算可得。PLL和环路滤波器如图3所示。

2．4 时序控制电路设计
本文利用FPGA对DDS芯片的串口控制寄存器直接进行送数操作以及对相关管脚的配置来实现对该DDS芯片的控制。

AD9910在串行通信模式下，对芯片管脚读写操作时序关系如图4所示，在片选信号CS低电平时开始对串口寄存器进行读写操作。指令周期中的8位数据的第一位为读写控制位，后7位表示为寄存器地址。数据周期紧接指令周期之后，送完数据后再将片选信号置位。注意输入的数据暂时存在寄存器的缓存器中，还需要IO_UPDATA(59脚)上升沿脉冲触发后才有效。同时，在设置IO_UPDATA时确保脉宽大于一个周期的内部信号SYNC_CLK。

3 性能分析
3．1 相位噪声
频率合成器的相位噪声主要由4部分组成：VCO固有的相位噪声；鉴相器、环路滤波器、分频器的相位噪声；参考频率的相位噪声以及VCO输出经二倍频后引起的相噪恶化值。其中环路分频比N对环路带宽内的输出相位噪声影响最大，即在环路带通内，输出相位噪声要恶化20logNdB。在环路带宽外的相位噪声主要由VCO，而VCO的相位噪声一般都比较理想，能满足工程需要。VCO输出经二倍频后引起的相噪恶化值为。在将VCO的特性理想化的情况下，则整个环路的相位噪声可近似为：
PNtot=PNPLL+201gN+10lgfPFD+20lg2 (5)
式(5)中PNPLL是锁相环的相位噪声基数，它是由锁相电路本身引起的，对于确定的锁相环和参考频率它是—常数，锁相芯片ADF4106的相位噪声基PNPLL为-219 dBc／Hz，式(5)中fPFD=fDDS／R，N=fVCO／fPFD=BP+A，因此(5)式可以写为：
PNtot=PNPLL+20lg(fVCO／fPFD)+10 lg(fDDS／R)+20 lg2 (6)
当频率合成器输出为中心频率9．4 GHz时，fVCO为4．7 GHz，通过改变频率控制字K使fDDS为47 MHz，取R=1，则频率合成器的相位噪声为：
PNtot=-219+201g100+10lg(47×106)+6=-219+40+77+6=-96 dBc／Hz (7)
图5为通过软件ADIsimPLL计算得到的相位噪声曲线。由该曲线可知，在偏离载频10 kHz时，相位噪声约为-95 dBc／Hz，在偏离载频1 MHz时，相位噪声约为-96 dBc／Hz，由此表明该频率合成器具有很好的相位噪声指标，可以满足设计要求。

3．2 捕获时间
捕获时间是在一定的频率容限内由从一个特定频率跃变到另一特定频率所用的时间。跳变量通常由锁相环频段内的最大跳变决定。DDS激励PLL时，频率合成器的捕获时间主要由PLL的决定。当鉴相器工作在较高的频率上时，相位比较也将以较高的速度进行，从而锁相环将更快锁定。另外，由于锁相频率较高，环路带宽也将增大，这也会缩短捕获时间。当锁定频率为4．7 GHz时的捕获时间如图6所示。由图4知，经2 ms后PLL可将频率锁定在4．7 GHz上，由此表明该频率合成器具有较短的捕获时间。

4 测试结果
根据以上的设计方案，现已研制出样机。经Agilent公司的频谱仪E4407B测试，得知该频率合成器的性能参数主要有：

图7为频率合成器输出为9．4 GHz时的频谱，图8为其相位噪声曲线。

由图7可知，当输出为9．4 GHz时，实际输出频率与之相差1 kHz，表明该频率合成器输出精度高；由图8可知，当在偏离载频10 kHz处，相位噪声达-95．32 dBc／Hz，与理论分析基本吻合，从而证明该频率合成器设计是正确合理的。

5 结束语
本文采用ADI公司的AD9910和ADF4106设计了一个倍频式DDS激励PLL的X波段频率合成器，既利用了PLL的高鉴相频率以保证快的转换速度，又利用DDS保证高的频率分辨率，既解决高频率转换速度和高频率分辨率之间的矛盾，又保证了整个频率合成器的相位噪声。经测试表明，该频率合成器能产生低相噪、高分辨率、高稳定度的X波段信号，是一种较新的、实用的频率合成器，具有较好的工程应用价值。目前，该频率合成器已经成功的应用在某X波段非相参雷达测试设备中，并且可以很好的满足系统的要求。