基于DDS+PLL的中高速跳频电台频率合成器设计定稿

大学毕业设计说明书I摘 要频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出了越来越多的要求。低相位噪声、高频谱纯度、高捷变速率和高频率分辨率的频率合成器已经成为频率合成技术发展的主要趋势。为了实现高性能频率合成器的研制，分析频率合成的基本原理，综合 DDS 和 PLL两者的优点，结合系统的技术指标要求，确定 DDS 激励 PLL 的实现方案。本设计的第一部分，详细介绍了锁相环频率合成器和直接数字频率合成器基本结构、工作原理及理想频谱，总结了频率合成的噪声来源，包括 PLL 环路中器件因素和DDS 中的相位截断、幅度量化、DAC 转换误差等。本设计的第二部分，对 DDS 混合 PLL 的多种频率合成方法，进行了性能分析。DDS 有输出步进小而相噪性能好的优点，但同时又有杂散较多的缺点，而 PLL 对杂散的抑制性能良好，研究发现将 DDS 和 PLL 两种频率合成技术结合起来是一种较为合理的高性能频率器合成方案。本部分从 DDS 激励 PLL 的频率合成方法入手，详细地论述了其具体实现过程。最后，针对频率合成器性能的要求，对相位噪声的抑制和杂散性能的优化进行了深入的分析，提出了在实践中降低系统相噪和杂散的可行性方法。还提出了设计的改进建议及方案，为 DDS+PLL 频率合成技术的应用和发展提供了技术参考。关键词：频率合成；PLL+DDS；锁相环；直接数字频率合成；相位噪声AbstractFrequency synthesizer is one of the most important parts in modern communication and electronic system. With the development of modern communication techniques, frequency 大学毕业设计说明书IIsynthesizer is required to have higher performance such as wide band, fast frequency switching speed, low phase noise, pure output spectrum, high resolution etc.In order to implement frequency synthesizer with high performance, the basic implementing theory of frequency synthesizing is studying. Considering the advantages of the combination of DDS and PLL and the required parameters of frequency synthesizer implemented, we adopt the scheme in which DDS is employed to drive PLL.First, we introduce the structure , basic principle of phase locked loop and frequency spectrum of direct digital frequency synthesizer, especially analyze some sources of spurious signals in DDS and phase noise in PLL. In the light of their properties, we analyze the influences generated by the phase truncation and amplitude quantization of sinusoid and by the transform error of DAC , also provide their distribution pattern in the output spectrum.Then we discuss in detail how to select PLL frequency synthesis design scheme , and emphasize the analysis of the generation of phase noise and spur in the scheme .Give the design methods of common active filters of DDS hybrid PLL frequency synthesizers. Put forward frequency synthesis method and also a revolution in the frequency synthesis techniques.Finally ,we make a circuit adopting the method of DDS hybrid PLL. combined with the excellent character of narrow-band tracing filter of PLL. Give some qualitative conclusions on spurious suppression and phase noise debasing. Offer some technical references to application and development on frequency synthesis techniques. Key words：frequency synthesizer;DDS hybrid PLL;phase locked loop;direct digital frequency synthesis;phase noise目 录绪 论 .1第 1 章 频率合成概述 .21.1 频率合成概念 .21.2 频率合成主要技术指标 .21.3 频率合成技术的发展 .3第 2 章 PLL 频率合成技术性能研究 .5大学毕业设计说明书III2.1 PLL 频率合成的原理与组成 .5 2.1.1 PLL 频率合成的原理 .52.1.2 PLL 频率合成的组成 .52.1.3 PLL 数学模型 .92.2 PLL 的相位噪声特性分析 .102.2.1 概述 .102.2.2 PLL 环路噪声抑制特性 .112.2.3 PLL 相位噪声的来源 .132.2.4 PLL 最佳环路带宽设计 .152.3 PLL 的杂散特性分析 .15第 3 章 DDS 频率合成技术性能研究 .173.1 DDS 频率合成的原理与结构 .173.1.1 DDS 的原理 .173.1.2 DDS 的结构 .193.1.3 DDS 的工作特点 .203.2 DDS 的理想输出频谱 .213.3 DDS 的杂散特性分析 .223.3.1 相位截断产生的杂散 .223.3.2 幅度量化产生的杂散 .233.3.3 DAC 转换误差带来的杂散 .243.3.4 其他噪声源带来的杂散 .253.4 DDS 的相位噪声特性分析 .26第 4 章 DDS+PLL 频率合成系统设计 .284.1 系统指标要求 .284.2 DDS+PLL 频率合成原理 .284.2.1 DDS 激励 PLL 频率合成系统 .284.2.2 DDS 混频 PLL 频率合成系统 .294.3 DDS+PLL 频率合成系统的确定 .304.4 系统主要器件的性能及参数设置 .324.4.1 DDS 芯片性能及参数设置 .324.4.2 PLL 芯片性能及参数设置 .354.4.3 压控振荡器的性能 .37第 5 章 DDS+PLL 系统方案的具体实施 .395.1 单片机控制系统的设计 .395.1.1 AT89C 系列单片机原理 .39大学毕业设计说明书IV5.1.2 单片机控制的运用 .395.2 DDS+PLL 系统杂散抑制方法 .415.3 DDS+PLL 系统相位噪声降低方法 .425.3.1 DDS 输出低通滤波器参数的设计 .425.3.2 环路滤波器参数的设计 .435.3.3 电源滤波及屏蔽 .465.4 设计中遇到的实际问题及解决方法 .475.4.1 在 DDS 设计中遇到的问题 .475.4.2 电路板的设计 .485.5 设计的改进建议及方案 .505.5.1 采用 DDS 内插 PLL 的改进方案 .505.5.2 采用其它 DDS 器件的设计方案 .51结束语 .53参考文献 .54外文原文 .54中文翻译 .60致 谢 .69附 录 .70附录 1：元器件清单 .70附录 2：程序 .71大学毕业设计说明书1绪 论随着现代电子系统的高速发展，对频率源的精确度和稳定度要求越来越高。我们知道，原子频标等频标源要做到高准确度、高稳定度，其价格是比较高的，而且石英晶体在世界上是比较稀有的原料。这些频标源，不但造价昂贵，而且它们基本上都只能输出单一频率。而在科学研究和生产实践中，往往要求获得大量的高稳定度的频率。如果大量的高稳定度的频率都用原子频标或石英晶体振荡器来获得，不但造价十分惊人，而且体积也将是十分庞大。在实践中，人们利用频率合成技术，从一个或几个标准频率出发，可以合成出大量的频率，而且合成出来的频率其精确度和稳定度都几乎和基准频率完全一样。这就是频率合成技术引起人们重视的一个重要原因。直接数字频率合成技术（DDS）是近二十年来新兴的一种频率合成技术 3，它具有分辨率高、切换速度快、相位连续等一系列优点。由于 DDS 技术具有众多优点，使得它在通信领域如数字调制、移动通信、扩频通信等方面得到了广泛使用。杂散幅度较高一直是限制 DDS 发展及应用的主要因素。目前， DDS 降低杂散的设计方法主要可分为两类，一类是优化波形存储表；另一类方法通过修正 DDS 结构，来降低输出信号的杂散分量。本设计对 DDS 的频谱和杂散性能进行了全面深入的分析，对影响杂散性能的主要因素如相位截断、幅度量化和 DAC 转换误差等进行了理论推导。由于 DDS 输出频率不高，因此一般都使用 DDS 与锁相环（PLL）相结合的方法实现高频段的频率合成。锁相式频率合成是指通过相位和频率反馈以及鉴相，使系统输出信号具有与输入信号相同的频率和固定的相位差。锁相技术 4这一概念早在 20 世纪 50 年代就己提出，随着半导体技术的飞速发展，锁相环路得到了越来越广泛的应用，并己成为一门比较系统的理论科学，锁相技术在频率合成中也得到了普遍的应用。DDS 存在输出频率低、杂散较多的缺点，而 PLL 可对 DDS 信号实现倍频和跟踪滤波。用 PLL 环路将 DDS 输出信号倍频至所需高频频段，用滤波器滤除 DDS 输出信号的杂散干扰，从而使DDS+PLL 系统输出信号兼具 DDS 和 PLL 的优点，既能保证高的输出频率和良好的相噪特性，又能满足一定的杂散指标，实现高的频率分辨率和高的输出频率。本设计采用 DDS 激励 PLL 的方案，实现中高速跳频电台频率合成器所需的频率输出。第 1章 频率合成概述大学毕业设计说明书21.1频率合成概念频率合成指从一个或多个高稳定和高精度的参考频率，经过各种技术处理，生成大量离散的频率输出。随着频率合成技术的发展，这里的处理方法，可以是传统的硬件实现频率的加、减、乘、除基本运算，可以是锁相技术，也可以是各种数字技术和计算技术;这里的参考频率可由高稳定的参考振荡器（一般为晶体振荡器）产生。频率合成所产生的一系列离散频率输出与参考振荡器频率有严格的比例关系，且具有同样的准确度和稳定度。随着电子技术的发展，频率合成技术在诸如雷达、通信、等无线电领域都得到了广泛的应用。1.2频率合成主要技术指标频率合成器的使用场合不同，对它的指标要求也不相同。大体上，频率合成技术有如下几项主要技术指标：输出频率范围、频率间隔、频率稳定度、频谱纯度和频率转换时间等。1、输出频率范围输出频率范围是指频率合成器输出的最低频率 与最高频率 二之间的变化f 范围，亦可用频率覆盖系数 表示。=2、频率间隔数字频率合成器的输出频率不是连续的，是一个频率点一个频率点合成出来的，把相临两个频率点步进叫最小频率间隔，亦称频率分辨率，把起始频率到终止频率叫最大频率间隔，目前用 DDS 技术产生的信号频率分辨率能达到 Hz 量级。3、频率稳定度频率稳定度是指在规定的时间间隔内，合成频率偏离规定值的数值。分为长期稳定度、短期稳定度和瞬间稳定度三种。其中瞬间频率稳定度是指在秒或毫秒时间间隔内的频率变化，当用频域来描述瞬间稳定度时，它表现为频率合成器的频谱不纯。4、频谱纯度频谱纯度是指频率合成信号输出频谱偏离纯正弦波谱多少的一个量度。显然，信号的频谱纯度和频率稳定度分别是从不同的域，即频域和时域来描述同一事物的。影响频率合成信号频谱纯度的因素有很多，最主要的因素有两个：一是相位噪声，二是杂散干扰。频率合成器的相位噪声是指各种随机噪声所造成的瞬时频率或相位起伏。相位噪声可以用频域法或时域法来表征，频域法是用相对频率（或相位）起伏的单边频率谱密度表示，偏离某频率 1Hz 带宽内噪声功率谱密度，用分贝表示为dBc/Hz。大学毕业设计说明书3在频率合成过程中产生的不需要的频率分量，又没有被充分地抑制掉，这些不需要的频率分量被称为杂散干扰。杂散也是频率合成器的一项重要技术指标，在频率合成技术中，要求杂散越小越好。5、频率转换时间也就是跳频速度，从得到跳频指令开始到频率转换完为止，这段时间叫频率转换时间。这里的频率转换完成，一般用相位差定义，把新建立起来的频率相位比基准频率相位差 0.1rad 时的时间称之为跳频时间。显然，频率转换时间越短越好。以上几项技术指标是频率合成技术中重要的指标，它们的好坏直接决定了频率合成器性能的好坏。1.3频率合成技术的发展频率合成技术起源于 20 世纪 30 年代。早期的合成器是由一组晶体组成的晶体振荡器，需要多少个频率，就得有多少个晶体，晶体由人工来接入和断开，它的频率准确度和稳定度由晶体的准确度和稳定度来决定，基本与电路无关。随后出现了直接频率合成（DS-Direct Synthesis）的方法，直接法被称为第一代频率合成技术。它利用混频器、倍频器和分频器完成对参考频率的加减乘除，产生出各种新频率，再用滤波器和电子开关分别选出所需的频率来，经过放大器、滤波器后输出，其中混频器可视为对频率进行加减，倍频器和分频器可视为对频率进行相乘和相除。这种方法的相位噪声好坏主要决定于晶振的质量，杂散决定于滤波器的好坏和电磁兼容性设计的合理程度，跳频时间主要决定于电子开关的速度。其结构复杂、难以集成、输出频谱纯度不高、寄生分量多。第二代频率合成技术是应用锁相环（PLL-Phase Locked Loop）的频率合成方法。20 世纪 50 年代出现了模拟锁相环技术，模拟锁相环可等效为窄带滤波器，所以这种频率合成杂散性能较好，由于主要使用正弦鉴相器，所以系统相位噪声性能较好，但这种方法电路复杂，体积较大，成本较高。在 20 世纪 60 年代又相继出现了全数字锁相环和数模混合的锁相环，使该技术得到了迅速发展。数字 锁相环采用在锁相环内插入数字分频器和数字鉴相器的方法，分频器常用的有：程控分频器、吞除脉冲分频器和小数分频器。数字锁相环除具有数字电路的优点外，还解决了若干模拟锁相环遇到的难题，如直流零点飘移、部件饱和、必须进行初始校准等，此外还具有对离散样值的实时处理能力。它具有体积小、成本低、频率步进小、可靠性高和可实现大规模集成等优点，现已大量应用在电路设计技术中。可见，数字锁相频率合成技术结构简单，频率也可以做得很高，但同时也具有模拟锁相环的缺点，即有频率转换时间长、环路抗干扰能力差等诸多不足。目前最为普遍的锁相环频率合成组合方式是采用数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波器和压控振荡器的数模混和锁相环。大学毕业设计说明书41971 年 3 月，J.Tierney 和 C.M.Tader 等人首次提出了以全数字技术、从相位概念出发直接合成所需频率的直接数字频率合成（DDS-Direct Digital Synthesis）技术，标志着频率合成技术进入到第三代，限于当时的技术和器件水平，其性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到十分重视。近二十年来，随着大规模集成（LSI）电路和超大规模集成（VLSI）电路技术的迅速发展以及高速数模转换器（DAC）的出现，直接数字式频率合成技术得到了飞速发展，它在频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，完成了频率合成技术的一次飞跃。DDS 频率合成技术是采用数字方式，把正弦波的幅度参数和相位信息按规律存储在寄存器里，再以相位和来查询正弦函数表得到波形的离散数字序列，最后经过数/模变换和滤波形成模拟正弦波输出的频率合成方法。与传统的频率合成技术相比，DDS 技术具有频率分辨率高、相位变化连续、频率变化快速、对输出信号易实现多种调制等优点，但由于幅度和相位信息用数字量表示，就不可避免地存在量化精度问题，造成输出信号的幅度失真和相位失真，最终引起 DDS 频率合成的输出信号杂较散大。采取有效的措施，可以大大降低杂散，但必定不能彻底消除。另外 DDS 的输出频带有限，根据 Nyquist 采样定理，输出最高频率不能超过 0.5fc（fc 是 DDS 的系统频率），实际工作中为了保证输出频率和镜象频率可以有效地分开，最高频率的取值要比 0.5fc 还低，这也是目前限制 DDS 发展的主要问题之一，不过，随着超高速 ECL 和 GaAs 器件的出现， DDS 的频带限制己经逐渐地得到改善。第 2章 PLL 频率合成技术性能研究2.1 PLL频率合成的原理与组成2.1.1 PLL频率合成的原理锁相环路具有的独特优良性能，使其在调制解调、频率合成、载波同步等方面得到广泛应用。锁相环是一个闭环的相位负反馈控制系统，它具有良好的窄带载波跟踪特性，作为一个窄带跟踪滤波器，可提取淹没在噪声之中的信号；用高稳定的参考振荡器锁定，可以提供一系列频率高稳定的频率源；可进行高精度的相位和频率测量等。它具有良好的宽带调制跟踪特性，可制成高性能的调制器和解调器，同时具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。锁相环的工作原理可表述为：首先鉴相器把输出信号和参考信号的相位进行比较，大学毕业设计说明书5产生一个反映两信号相位差大小的误差电压，误差电压经过环路滤波器的滤波得到控制电压，控制电压调整压控振荡器的频率向参考信号的频率靠拢，直至最后两者频率相等两相位同步实现锁定。锁定后两信号之间的相位差表现为一固定的稳态值。2.1.2 PLL频率合成的组成锁相环（PLL-phase locked loop）由三个基本部分组成，即鉴相器（PD-phase detector），环路滤波器（ LP-loop filter）和压控振荡器（VCO-voltage controlled oscillator），其组成框图如图 2.1 所示。 图 2.1 锁相环的基本组成在锁相环中，鉴相器是进行相位比较的部分，它把压控振荡器输出信号与输入信号的相位进行比较，产生相应于信号相位差的误差电压。环路滤波器的主要作用是滤除误差电压中的高频分量，调节系统的稳定性和相位噪声，以保证环路所要求的性能。压控振荡器的振荡频率受控制电压控制，环路滤波器输出的直流控制电压控制压控振荡器的输出信号频率向输入信号频率靠近，直到最后相等，两信号相位差保持恒定。以下为锁相环各个组成部分的数学模型分析。1、鉴相器的数学模型鉴相器有两个输入信号，一是频率为 i 的输入信号电压 i： ( )= （2.1） sin(+1)二是压控振荡器 VCO 的输出电压 。设开环时 VCO 的自由振荡频率为