基于多环锁相宽带细步进频率合成器的设计

锁相环

锁相环

式中，PNSYNTH为频率合成器带内相位噪声，PNTOT为锁相环芯片底噪。
为保证能够得到较高的频率分辨率，一般只能通过降低鉴相频率实现，造成N值加大，由(1)式可知，相位噪声将恶化。因此，对于单环锁相频率合成器，相位噪声和频率分辨率是相互制约的指标。
1．2 直接数字频率合成器
直接数字频率合成器(DDS)由相位累加器，波形存储器，数模转换器，低通滤波器和参考时钟五部分，如图2所示。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字K进行线性累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码，进过数模变换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得到连续变化的所需频率的波形。

DDS利用了相位反馈控制原理控制频率输出，不需要外部辅助频率捕获，易于集成，可实现很高的频率分辨率，但是工作频率有限，杂散水平较难控制。因此，将PLL和DDS组合起来，综合运用两者的优势，可以既保证高频率输出，又能实现很高的频率分辨率。
1．3 多环锁相频率合成器
多环锁相频率合成器有多种组成结构，包括PLL组合、DDS+PLL等，其中DDS+PLL的结构因频率分辨率高和低相噪等优点，应用最为广泛。本文中选用的实现结构的设计思想是，利用DDS产生基带信号，经与PLL两次混频扩频，产生宽频带的高分辨率参考信号，进入锁相环倍频拓宽输出频率范围，同时利用的PLL良好的窄带载波跟踪特性对DDS参考信号的杂散分量进行跟踪滤波器，最终实现低相噪宽带细步进频综输出。

2 多环锁相宽带频综设计方案
2．1 设计目标
下面以1个工程实例为目标，介绍基于DDS+PLL多环锁相技术设计宽带频综的工作原理。该工程实例的主要技术指标要求为：
输出频率：10～13 GHz；
频率步进：10 kHz；
输出功率：>12d Bm；
相位噪声：≤-90 dBc／Hz@1 kHz；
≤-90 dBc／Hz@10 kHz；
谐波抑制：-15 dBc；
杂散抑制：-65 dBc；
2．2 设计方案
经分析，同时满足细频率步进和低相位噪声、低杂散是设计难点。文中采用DDS+PLL多环锁相频率合成技术实现，工作原理如图3所示。

这是由多个锁相环组成的电路结构。环路A为直接数字频率合成环路，主要功能是产生步进细调的频综基带，通过DDS产生步进10 kHz、带宽100 MHz的基带频率信号；环路B为锁相点频源，产生S波段低相噪点频，通过与DDS信号混频，把细步进基带频谱搬移到S波段，带宽不变；环路C为锁相频综，产生L波段步进100 MHz的大步进频综，与第一级混频输出信号再次混频，将窄带细步进信号扩频，输出带宽可大幅提高。环路D为通过锁相倍频N倍，实现X波段的宽带细步进频综输出。输出信号与各功能环输出信号的关系为：
fout=[(fDDS+fLO1)-fLO2]xN (2)
该多环电路结构的主要优点是通过对DDS基带信号的多级混频，最终实现了宽频段细步进的覆盖。同时，通过合理的频段分配，将各个锁相环路的倍频次数N控制在相对较低的水平，使相位噪声的恶化量较小，保证了各个锁相环及最终输出信号相位噪声的良好水平。
输出信号的相位噪声由单环A、B、C的相位噪声和锁相倍频环D的倍频次数决定。A、B、C环中，输出相位噪声由输出频率最高的B环(输出频率3．6 GHz)决定。鉴相器底噪为-233 dBc／Hz@10 kHz，鉴相频率100 MHz，反馈分频比N=3 600／100=36，根据(1)式可以估算，B环输出信号相位噪声为-233+10lg(100x106)+20lg72=-120 dBc(离载波10 kHz处)。环路D最大倍频次数约为6，最终输出相位噪声为-120dBc+20lg6=-104 dBc／Hz。考虑闪烁噪声和电路中其他器件热噪声及工程实现性，实际信号输出满足-90 dBc／Hz@1 kHz@10 kHz的指标要求。

3 多环锁相宽带频综的电路设计与仿真
3．1 DDS电路设计
环路A采用了采用高性能DDS芯片AD9912。AD9912内置14 bit DAC；支持高达1GPS的采样速率；采用1．8 V和3．3 V电源供电，在器件性能大幅提高的前提下也极大地降低了器件功耗；能够生成高达400 MHz的捷变频率正弦波形，最高频率分辨率达到4μHz。目前AD9912已广泛用于频率合成器、时钟发生器、雷达以及各类测量装置等。
在环路A的设计中，100 MHz参考信号通过锁相环倍频至1 GHz，提供DDS参考时钟，在频率控制码控制下实现细步进基带输出。
3．2 锁相环电路设计
锁相环路B、C采用了HITTITE公司的数字锁相环芯片HMC440。该芯片具有很低噪声基底(-233 dBc／Hz@10kHz)和很高的鉴相频率(1 300 MHz)，集成5 bit数控程序分频器，在本方案中的环路B、C使用，用于产生超低相位噪声的fLO1和fLO2。