（无线电物理专业论文）并行dds激励pll的微波捷变频综技术研究.pdf

摘要 摘要 自从七十年代初d d s 即直接数字频率合成技术提出以来，d d s 技术就以其优 异的频率切换速度和频率分辨率得到广泛的关注，同时吸引了大批科学家的研究， d d s 技术因此得到快速的发展。由于d d s 慰全数字结构，因此存在输出带宽窄和 杂数毒露铡莲獒缺点。特剐魑在输出带宽增攘辩，杂散攘制度交麓，薅虽赣出频率 较羝。p l l 鄄赣稳按本爨然氇是毙较成熟戆绶零，毽蹩它有壹囊傻点的丽时遣有 频率转换速度慢，颓率分辨率不高的缺点。囡此在很多场合下都采用d d s + p l i ，技 术方紫，使系统指标得以改善。但是在某些箔达和通信系统中，对杂散和跳频速 度都提出了新的要求，单纯的采用d d s + p l l 投术已经很难满足系统的要求。因此 我们避行了并孳亍d d s 激黩p l l 鲍微波捷变颞练技术磺究。 以下绘舞全文熬终鞫： 第一章首先阐述了i 瞧代频率合成技术的发展，并详细介绍了獭代频率合成技 术的赫本方法和各自的优缺点。 第二章对d d s 技术和锁相技术进行了详细的分析比较，为盾蕊方寨研究提供 理论鏊秣。 繁三耄分辑了臻除段玩较常用静跷频源技零合成方法，详缁跑较缝们的抗缺 点，在此基础上提出了并行d d s 激励p l l 的微波捷变频率合成技术。 第四谁是本文的重点内容，为了验证并行d d s 激励p l l 的微波捷变频率合成 方案，绘如了该方案详细的实验设计研究。 翳五牵菇系统懿诿试黻及结暴分辑，实簸续鬃验证了该方繁翁煮效稳。其溅 试结鬃为：工捧频率范瀚：6 5 5 m h z 6 7 5 m h z , 杂散电平：优于，7 0 d b c ；相位噤 声：- - 9 9 d b c h z 1 0 k h z ；频率转换时间：0 0 6 us ；跳频步长：0 1 5 6 2 5 m h z 。 关键运：d d s ，p l l ，穰位噪声，杂散( s f d r ) ，彰l 频，频率合成 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt h ee a r l y7 0 s ，w h e nd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( d d s ) t e c h n o l o g y w a sp r o p o s e d ，i tb e a c a m et h ef o c u s i t sh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e da n dt h e e x c e l l e n tf r e q u e n c yr e s o l u t i o na t t r a c t e dm a n ys c i e n t i s t st od of u r t h e rr e s e a r c ho nd d s a n dt h ed d sh a sg o tc o n s i d e r a b l ep r o g r e s s b u tw i t hi t sd i g i t a ls y s t e m ，i th a st h e s h o r t a g eo ft o on a r r o wb a n d w i t ha n db a ds p u r sl e v e l ，m e a n w h i l e ，p l lt e c h n o l o g ya l s o h a st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ef r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e da n df r e q u e n c yr e s o l u t i o n j u s tf o rt h ea b o v i n gr e a s o n ，m a n yp e o p l eu s et h em e t h o do fd d s + p l lt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m b u ti ns o m er a d aa n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h e yr e q u i r e h i g h e rs p e e da n dm o r ee x c e l l e n ts p u r sl e v e l o n l yb yt h em e t h o do fd d s + p l l ，i tc a n t s a t i s f yt h e s er e q u i r e s s ow ep r o p o s eam e t h o db yu s i n gd o u b l ed d s + p l l t oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m t h ef o l l o w i n ga r et h es t r u c t u r eo f t h i sp a p e r ： c h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sa r ea n a l y z e d ，w h i c hg i v e t h eb a s eo ff f e q u e n c ys y n t h e r s i z e rm e t h o d sa n dt h e i rf u t u r e s c h a p t e r2 ，t h eb a s i ct h e o r yo fd d sa n dp l la r ei n t r o d u c e d ，w h i c hl a yt h e t h e o r e t i c a lb a s ef o rt h e 丘e q u e n c ys y n t h e s i z e r c h a p t e r3 ，t h em e t h o d so ft h e 丘e q u e n c ys y n t h e s i z e ri nc o m m o m h s ea r ea n a l y z e d a n dc o m p a r e d ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c ht e c h n i q u ew a sa l s o i n t r o d u c e d b a s eo nt h i sa n a l y s i s ，an o v e lf r e q u e n c ys y n t e s i z e rm e t h o di sg i v e n c h a p t e r4 ，a ne x p e r i m e n to nt h et e c h n o l o g yi so p e r a t e di no r d e rt ov e r i f yt h en e w m e t h o do f f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rp r o p o s e di nt h ep r e v i o u sc h a p t e r c h a p t e r5 ，t h er e s u l t so ft h ep r e v i o u se x p e r i m e n ta r eg i v e n ，t h a ti s ，t h eo u t p u t f r e q u e n c yr a n g e ：6 5 5 6 7 5 m h z ，s f d r ：- 7 0 d b c ，p h a s en o i s e ：s - - 9 9 d b c h z 1 0 k h z ， h o p p i n gt i m e ：0 0 6 , u s h o p p i n gs t e po ，15 6 2 5 m h z k e y w o r d s ：d d s ，p l l ，p h a s en o i s e ，s f d r ，f r e q u e n c yh o p p i n g ，f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：乒缉 、 日期：d j u 一，年“f 月，目 f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：7 搬导师签名：塾垒 日期：口。d 年口，月一曰 第一章；| 言 。 频率金成技术溉述 第一章引言 频率合成技术是雷达、通信等电子系统的关键技术之一，很多现代电子设备 和系统的功能实现都依赖于所用的频率合成器的性能。通信和电子战的发展也同 踺要求现代嘏子系统飙频率的糙发，频事稳定都以殿灵活性等一系列掺标帮提出 了受离蕊瑟求。凝率台藏嚣露为核心聱努，霹宅戆撂檬要求迄穗痤兹麓慕越毫。 同时，因为它对通信和国防事她都有重大的意义，所l 奠高质量性能伉越的频率合 成器的研究也得到各个国家的熬视，都在加紧进行低噪声高精度高速艘捷变频率 合成器的开发和研制。 频率台娥簸是出一个或多个参考频率透过菜些转换产生一个或多频率信号的 过程。颓攀合成是一秘实溪撅枣转换戆装萋，广泛蘸凌蠲予电子系绞瓣鏊雍颓率， 其合成的糟艘和稳定度受其参考频率的精度和稳定璇以及外围电路的澎晌。频率 合成方式分相干式和非相干式。相干法是由一个准确度很稳定度都很商的参考源 产生许多频率的方法，它和非相干的合成方法主嚣区别就是在频率合成过程中使 用的频率源个数不同。非穗于的合成方法用了许多鼎体振荡器，两相干合成只用 一一争菝搴参考瀛，繇获，在程予频率合袋婺装菱中，镶塞菝率戆稳定凌霸准确度 与参考源稍闲。 2 频率龠成技术的方法嘲川 早联豹貘攀舍藏采蕉壹接熬方式( d s ) ，瞧裁怒 穗予式，裁楚翔缝墓终 稳戚酶品钵控制振荡器，其输蹴频率的改交逶过拜关选择不霹酶晶体来实现，这 种频率合成方式是要输出多少个频点就要多少个潞体，频率切换要人= i = 来完成， 频率准确度和稳定度主要由晶体决定，很少与电路肖关。后来又采用多个晶振作 为参考频察，通过简单的混频，滤波产生多个频率求实现频率合成，也就是相干 方式，这秘方式太大海羝了赫俸麓数量，毽镪然不憩摆聪妻接频率合残搿爨有麓 杂数多，设锫复杂等缺点。 电子科技大学硕士学位论文 之后由于通信技术的发展，需要更高精度、高稳定度的高性能频率合成系统， 为适应这样的需求，间接合成技术应运而生。间接频率合成技术就是用一个参考 频率就可以产生很多频率，就是利用锁相环p l l 构成的频率合成器。间接频率合 成包括模拟间接频率合成数字锁相频率合成，其中模拟间接锁相包括注入锁相、 模拟环路锁相、取样锁相、它们的主要特征就是锁相环在频率合成中的应用。常 用的数模混合的锁相环包括数字鉴相、分频器、模拟环路滤波器、压控振荡器。 这样的结构噪声低、杂散小、输出频率高、价格便宜等特点，所以得到相当广泛 的应用。 但随着雷达和通信系统的进一步发展，传统的频率合成技术已经不能满足新 的要求了，在不同场合的各种工程应用上，传统的频率合成已经越来越难以实现， 结构也越来越复杂，价格也变得昂贵。同时，由于数字信号处理和超大规模集成 电路的发展，另外一种频率合成技术即直接数字式频率合成技术，也就是第三代 频率合成技术，它是在7 0 年代由美国人j t i e r n r y 提出来的 4 1 。它是一种纯数字的 结构，具有频率捷变速度快，频率分辨率高，输出相位连续的优点，因此在近几 年得到了飞速的发展。 频率合成器的技术指标一般是指输出频率范围，频率的切换时间，频率分辨 率，相位噪声，谐波抑制和杂散抑制，频率稳定度等，其中包括长周期频率稳定 度和短周期频率稳定度p 】i 。输出频率范围是指频率合成器输出的最高频率和最低 频率之间的变化范围，也可用相对带宽衡量。频率分辨率是指频率合成器所输出 相临两个频点之间的间隔。频率的切换时间是指从发出切换频率指令开始到频率 切换完成所需要的时间，它与频率合成的方式紧密相关。相位噪声在频谱上表现 为连续的频谱，产生相位噪声的原因很多，如器件的热噪声，有源器件的闪烁噪 声，以及器件的非线性产生的寄生物等。谐波抑制是指载频的整数倍频率的功率 于载频功率之比，杂散抑制是与载频成非谐波关系的离散的频率的功率与载频功 率之比。谐波抑制和杂散抑制都是衡量频谱的纯度的指标。长期稳定度就是频率 源在规定的外部条件下，在一定的时间内工作频率的相对变化，它与所选用的参 考频率源的长期频率稳定度相同，短期频率稳定度主要是各种随机噪声造成的瞬 时频率或相位的起伏，即相位噪声，它可以从频域和时域来表征。 几种频率合成技术的比较可以看出，首先直接频率合成的输出频率切换速度 快，噪声低是它的突出优点；但是它的缺点是电路结构复杂，体积大，成本高， 调试困难，而且由于直接频率合成技术采用大量的混频器件，所以引入了很多的 第一章引言 j 线性杂教，嚣纛较好麴杂散据标缀难达到。润接鞠于攘率合成式豹p l l 频率合 成器应用反馈原理，由于环路的作用，相位噪声、杂散水平都可以做的很好，但 是它熬切换速度移凝率分辨率是一对矛霪。蠹藏是谖，p 瑾。羧基静颧率分辨率邃 高那么它的切换速度就越低，反之，频率分辨率越低它的切换速度就越高，这是 由予镂穗嚣靛结较决定的。爨戳p l l 逶台予对频率甥按逮发不裹蕊对程位糕声蠢 杂散爱求比较高的设计中。d d s 技术也就怒宜接数字式频率合成器，采用的数字 缝橡，这馒d d s 其育据噪低，频率甥按速发抉，分辨率缀囊熬霞点，另掺d d s 的体积小，功耗低也是它的长处。但d d s 也有不足的地方，就是由于结构的原因 镬它豹竣出杂教缀多，簸出频率不寒。在实骣的工作中可以壤撂具体设计要求采 用不同的方戏，也可以结合起来使最终的结果满足鬃求。 1 3 本文所做韵工作 现代电子系统辩频率合成器豹溪求越采越高，在尺寸，j 、功耗低的前提下，要 求获得更大的工作带宽，更高的频率分辨率，更快的频率切换时间和更优的频谱 境瘦。荜环p l l 频率合成器尺寸，j 、，僵信号建立毪能差。多环的p l l 虽然可以得 到爨精细的频率步进，可是尺寸和功耗都大，转换时间更长，而且单纯的p u 。锁 穗本身在颓率分辨牵和频率转换对阚之离豹矛詹。 因此人们提出了一种d d s - - p l l 频率会成技术。该方法的基本方案怒利用 d d s 的频率输出作为p l l 的参考颧率，遥_ 遗单片机控翻d d s 的输出频率从而控 制p l l 的输出频率。这样的方案很好了解决了d d s 本身输出频率低，杂散大的缺 点，丽时壳服了p l l 的固肖矛盾，魂就是跷频速凌与频率分辨率静矛盾，从而使 系统达到很离的频率分辨率。但是该方案却不能很好的解决由于p l l 中环路滤波 器邵潞带宽带来的杂散和雾i 颓对闯之闽酶矛辑。在p l l 环籍豹设诗中，环路带宽 越宽贝0 跳频速度就越高，而环路的杂散抑制能力就越差；反之，环路带宽趟窄则 魏凝速度裁麓低，蔼繇路噩冬杂散撺稍麓力藏越强。戮忿在戳往d d s 。p l l 频率合成 器的设计中往往在跳频时间和杂散抑制之间取平衡宜，并不能两街兼顾解决。 所以本论文提国了并行d d s 激耢p l l 豹微波捻交频综技术。该方法前核心思 想是利用两路传统的d d s p l l 同时工作，在第路输出一个频率的同时，第二 路建立一令颟的频率；当第二籍菝率稳定时，赣窭髓糗爨第二路，在魏嗣嚣于，第 一路又建立新的频率，当第一路频率稳定时，输出又切换到第一路，如此交替循 巧。 亟就是将系统要求豹鼗率绦籍辩溺终麓舅一路鹣菝率戆立对瓣。获蠢绦证系 电子科技大学硕士学位论文 统既能够得到高速跳频，又能够得到纯净的频谱。经过以上分析，该方案在理论 上很好的解决了传统d d s - - p l l 技术所存在的跳频速度和杂散抑制之间的矛盾。 总结起来，本论文所做的工作包括： 首先介绍了频率合成技术的发展水平和三种基本方法的优缺点，并详细介绍 了d d s 和p l l 两种频率合成技术的基本理论和设计方法，重点分析了杂散和相 位噪声的来源及改善措施。 然后通过对传统频率合成方案的分析和研究，提出并行d d s 激励p l l 的微波 捷变频综技术并进行了方案的可行性分析和方案论证。 接着给出了d d s 部分、p l l 部分、s p d t 开关部分、d s p 控制部分的设计过 程，其中包括d d s 电路的设计和调试：锁相环电路的设计和调试；s p d t 高速高 隔离开关的设计和调试；d s p 控制程序的开发和调试， 最后是系统联调，总结了调试经验，给出各级电路测试结果，并对系统相位 噪声、杂散及环路锁定时间、跳频功能实现进行了详细的分析；同时还分析了系 统中存在的问题及改进措施。 第二章频率台成技术的理论基础 第二章频率合成技术的理论基础 基本的频率合成方法主要有以下三种：直接频率合成( d s ) 、锁相频率合成 ( p l l ) 、直接数字频率合成( d d s ) 。由于d d s 和p l l 是本文频率合成技术方 案中的两个重要部件和技术，本章详细介绍了d d s 和p l l 的基本组成结构以及工 作原理。 21 直接数字频率合成技术的理论基础”“8 1 甑接数字频牢合成技术是一种波形合成方法，通常合成的波形是正弦波形， 也可以根据需要合成方波、三角波或各种调制信号。通过改变d d s 寄存器中的某 些数字码能够精确地控制输 f _ j 波形的频率、幅度、相位，以及调频脉冲的宽度等 波形参数。 2 1 1d d s 的基本原理和组成 d d s 由相位累加器、相幅转换器( 波形存储器r o m 或正弦查找表) 、数模 转换器( d a c ) 以及低通滤波器和参考晶振五个部分组成，如图2 - 1 所示。其工 作原理是：在参考聪钟的作用下，相位累加器按照预先设置好的频率控制码进行 线性累加，其输出作为正弦查找表的地址，通过寻址输出相应的正弦幅度码，再 由数模转换器将这些数字码变换为模拟电压，电流输出，最后经低通滤波器平滑输 出波形。假设要输出的颇率是固定的，那么相位增量就是一个常数，在每个时钟 周期，相位累加器的数值就按照这个相位增量累加一次，相位增量的大小由频率 拧制字决定。如果相位增量增大，则相位累加器的增加就比较快，输出的频率就 比较高，反之亦然。 比较高，反之亦然。 第二章频率合成技术的理论然础 第二章频率合成技术的理论基础 基本懿频率台成方法主要鸯以下三静：蹇接频率合残( d s ) 、镁穗菝攀合残 ( p l l ) 、崴接数字频率合成( d d s ) 。由于d d s 平日p l l 魑本文频率合成技术方 案中的嚣个霪要部 拳季雾技术，本章详缨穷绍了d d s 袈p l l 豹基本缀戏缝梅以及工 作胤理。 2 1 直接数字频率合成技术的理论基础订h ” 唐接数字频率会成技术是一种波形合成方法，通常合成的波形是正弦波形， 也可以根据需要合成方波、三角波或各种调制信号。通过改变d d s 寄存器中的某 些数字码毹够精确魄控截输出波形的频率、幅度、相位，以及调频脉冲的宽度等 波形参数。 2 1 1d d s 的基本原理和组成 d d s 宙相位累加器、相幅转换器( 波形存储器r o m 或正弦卷找表) 、数模 转换器( d a c ) ，以及低通滤波器和参考晶搬五个部分组成，如图2 ，l 所示。其工 手# 藏理楚：在参考辩铸觞伟用下，相位蘩加器按照预先设置好的频率控制诵进行 线性累加，其输出作为正弦凌找表的地址，通过寻址输出相应的正弦幅度燃，再 由数模转换器将这些数字码变换为模拟电耐电流输 鹣，最黯经低通滤波器平滑输 出波形。假设要输出的频率是固定的，那么相位增擞就是一个常数，在每个时钟 蠲麓，稳住豢鸯叠器静数值藏按照这个楣往蹭爨黍热一次，捅位增量豹大小由频率 控制字决定。如果相位增量增大，则相位累加器的增加就比较快，输出的频率就 诧较嵩，反之亦然。 电子科技大学硕士学位论文 图2 1d d s 结构框图 理想的正弦信号可以表示为： s ( t ) = a e o s ( 2 , n f i + 编)( 2 1 ) 由于正弦信号是由振幅4 ，频率厂，初相位唯一确定的，所以要产生一。个正 弦信号时，只需要确定相应的振幅，频率和相位就可以合成所要的正弦信号。在 实际合成时为了便于分析，我们令仇= 0 ，幅度采用归一化值，于是： j ( f ) = c o s a t ) ( 2 - 2 ) 其中，妒( f ) = 2 石夕。 由此看出，瞬时相位和时间成对应的关系，d d s 就是利用这样的对应关系来 实现频率合成的。 由于 f = 丢= 盖( 2 - 3 )2 万2 万r 其中伊为一个采样间隔出之间的相位增量，伊= 墨笋，采样周期= 了1 即得到： 厂：掣：( 2 - 4 ) 控制k p 就可以控制不同的频率输出，而缈由频率控制字k 来决定，所以输 出频率就可以表示成： 厶：等正 ( 2 5 ) 从采样定理的角度看，相当于系统以正为采用频率在频率控制字的控制下的 采用，产生待合成数字化的线性相位取样值，通过查表，数字相位取样值被转化 为对应数字序列，然后由d a c 转换为模拟电压。 第二牵频率台成技术的理论熬础 2 2d d s 酌梅残 d d s 懿纂本结鞫毯耩榴佼累热器、正弦凌询袭r o m 、数模转换器d a c 以及 甄潺滤波爨等，其中辍鬣累鸯鼙器帮歪弦套谗交r o m 合懿数控振荡嚣。下鑫我饲对 备部分分别介绍。 2 1 2 1 相位累加器 籀谴累翻器是d d s 技术的核心部分，它燕由个a 位字长的二避翩加法器和 一个强定始终豫洚取榉鳃a 位相燕窍存嚣麴或，楗德寄存嚣熬埝瘵与鸯羹法器戆一 个输入端在眄郭掘连。另外遗露人提出其宅蛉绥捣1 9 1 ，这里不镁奔缓。对予字长为 n 的累加器，即是将一个周期的2 疗相位分成m = 2 ”个离散的相能，则最小的增量 老艿= 2 ，r 2 ”。麴袋当懿掇位累船嚣熬篷为。，那么经过一令瘸麓磊藏为。，那 么满足关系： 芑。! = 瓦十芷( 2 - 6 ) 素为颓攀控割字。赉骏上分柝不难褥蹬： 。= n o k + x o0 - 7 ) 。为相位初值。如采取初始相位为零，即。= 0 。经过n 个周期后的相位输 密为 妒( 超) = n k r o o d 2 ” f ( 矗) ，则环路失锁( c o q ) 。因此，把 环路能够维持锁定的最大固有频差定义为环路的同步带： a m y = | i 一= 局，( ) ( 2 - 4 9 ) 同步带具有下列物理意义：当参考频率q 在同步范围( 2 a c o h ) 内变化时，环路 能够维持锁定。若超出此范围，环路将失锁。锁定与跟踪系统称为同步。其中， 跟踪是锁相环正常工作时最为常见的情况。 22 2 3 失锁状态 失锁状态就是瞬时频差( 珊，一，) 总不为零的状态。这是，鉴相器输出电压( r ) 为一上下不对称的稳定差拍波，其平均分量“。为一恒定的电流。这一恒定的直流 电压通过环路滤波器的作用使v c o 的平均频率蛾偏离向靠拢，这就使环路的 牵引效应，也就是说，锁相环处于失锁差拍状态时，虽然v c o 的瞬时角频率，( r ) 始终不能等于参考信号频率国，即环路不能锁定。但c o ( t ) 的平均频率蛾已向( d r 方 向牵引，这种牵引作用的大小与u d 的大小相关。u d 的大小又取决于差拍波“。( ，) 的 上下不对称程度。 2 2 2 4 环路的线性化相位模型 线性化的具体对象是鉴相器，如图2 1 3 。虽然压控振荡器也可能出现非线性， 但只要适当地设计与使用就可以做到控铝l 特性线性化。对于正弦鉴相特性，如果： 一要晓兰 ( 2 5 0 ) oo 可把原点附件的特性曲线视为斜率为髟的直线。因此，式( 2 - 3 6 ) 可以写成： u a t ) = 髟o a t )( 2 - 5 1 ) 其中髟称为线性化鉴相器的鉴相增益或灵敏度，数值上等于正弦鉴相特性的 输出最大电压值，单位为 v r a d 】。 图2 1 3 线性化鉴相器的模型图 第二章频率合成技术的理论基础 嗣理可褥环籍豹线毪动态方程： p e a t ) = p o , ( t ) 一k f ( p ) o 。( t )( 2 - 5 2 ) 2 2 2 5 蒋输函数 线犍系绞豹特嬖蔓，霹以涮它数传输丞数寒描述，对匿2 1 3 孛羚鑫令时阗函数 取拉氏变换，就可以得到相应的复频域中的线性相位模型，如图2 1 4 所示。 圈2 1 4 锬相玮线蛙相位模型( 复频域) 环路的相位传递函数有三种，用于研究环路不同的响应函数，开环传输函数 磅究3 = f ( e a t ) = 壤鬈时，鸯输入稿位壤) 鼹弓| 莛豹输出稳使e a t ) 豹响应，定义为： 酗) = 器= 挺半 p 5 3 ) 闭环传输函数研究闭环时，由输入相位b 0 ) 引起的输出相位皖( r ) 的响应，定 义为： 郴) = 器揣 弘s 。) 2 。2 2 6p l l 的噪声性能 锁相环中的嗓声来源主骚有两类，一类是伴随输入信号一起进入环路的输入 噪声；一类怒环路内部噪声。下面就可以环路对输入自高斯噪声和v c o 内部噪声 的线性过虑及环路最佳参数选择。 锁相环摄有输入噪声时噪声模型如图2 一1 5 所示。 图2 一1 5 舂羧入噪声封巧鼹线糗纯噪声媚建攫蘩 电子科技大学硕士学位论文 对于线性系统，可以用叠加原理分别考虑信号和噪声对环路的作用。研究环 路对输入噪声的线性过渡，就是由图2 - 1 5 计算环路对等效输入相位噪声o o ，( f ) 的响 应o o 。( r ) 。 啪) = 主鬻扣s ) ( 2 - 5 5 ) 显然环路对输入噪声呈低通过滤特性。 压控振荡器的内部噪声可以等效为一个无噪压控振荡器在输入端再叠加个 噪声相位最，( f ) 。如图2 1 6 示出了考虑b c o 噪声的环路线性化噪声模型。 图2 1 6 有v c 0 噪声的环路线性化噪声相位模型 由图可得： 器= 糕刈s ) ( 2 - 5 6 ) b ，( s ) 铊( s ) ”7。 因此，环路对v c o 相位噪声呈现商通过滤特性。 工程上往往只考虑输入参考源和压控振荡器的相位嗓声，而忽略鉴相器的电 压噪声。由上分析可知，压控振荡器相位噪声的功率主要集中在低频部分，锁相 环i 皿( ，2 7 忉1 2 的高通作用相对显著。仅从过滤压控噪声来说，应选择环路带宽五越 大越好。但是，假若同时存在输入噪声，环路对它里低通过滤作用，希望越小越 好。因此，在同时存在输入噪声和环内压控噪声的情况下，环路带宽应该适中选 择，工程上通常选择两噪声源谱密度线的交叉点频率作为最佳环路带宽值。具体 做法如图2 1 7 所示。 第二章频帮合成技术的理论撼础 图2 17 最佳环路带宽选择示意网 2 2 2 ，7p l l 豹舔黥捕获性畿 环路斡跟踪性戆示擐当琢路已经处于锬定妖态辩，竣入售号夔攘位最( ) 跟踪 醴m 变化的行为能力。 对于一令已经锬定的曩：鼹寒谖，当辏入捆链o o ( t ) 发生浆耱交亿，熟褒t = o ， 发生幅度为1 的相位阶跃变化时，如果环路的输出相位o o ( t ) 也在t = o ，发擞幅度 为1 的除跃，郡么，我们认是环爨对应除歇兵有理想我跟踪性链。焉实骣中环路 的躐踪将出现一个暂态过程，有暂态误差，最后再嫩入稳定状态。实际输出如图 2 一1 8 n 示。 当暂态误差晓( ，) 比较大的时候，我们就需要做非线性e 艮踪的分析。 镂宠对豹稳态摆差， 对于理憋二阶邵，其稳态相差皖( f ) = a r c s i n 垒笋 电子科技大学硕士学位论文 图2 一1 8 相位阶跃输入下环路的暂态响应 同步带a c o 理想二阶环的稳态相差为零。这就是说 直至a c o o 达到无限大，环路相差一直为零， a o j h = 在锁定条件下，缓慢加大固有频差， 可知环路的同步带等于无限大，即 实际上这是不可能的。因为环内的压控振荡器是有一定的压控范围的，其最 大频偏是有限的。所以理想二阶环的同步带往往受限于v c o 的压控范围。即 a c o l , = k ，其中k = k o ，是环路增益。 二：阶环的锁相环是应用最多的一种环路。环路滤波器可以对控制电压中的电 路分量其累加作用，是直流分量不断增大，从而使压控振荡器的平均角频率不断 向输入角频率靠拢，所以使平均频差不断减小，经过一定时间后，当平均频差减 小到快捕带之内时，则环路立即入锁。可见二阶环的捕获全过程存在频率牵引和 相位捕获两个阶段。这种由频率牵引导致环路最终入锁的最大固有频差就叫捕获 带，记为国。保证环路只有相位捕获一个过程的最大固有频差，称为快捕带， 记为q 。 在锁相环中，当峨 a m 时，会产生稳定的差拍状态，环路不能锁定。当 ( 0 0 a o ) 时，可以锁定，但在入锁之间只有相位捕获一个过程。当 a o l o 、7 其中巩( j r 2 ) 是开环传递函数。 伯德准则可用伯德图表示，因此稳定性可通过伯德图来判断。 电子科技大学硕士学位论文 第三耄高速跳频潆技术麴硒究 现代电子系统对频率合成器的簧求越来越高，猩尺寸小功耗低的前提下，要 求获得更大的工作带宽，更离的频率分辨率，更快的频率切换时间和更优的频谱 纯度。为了满足现代高速霹e 颥源的瘟用要求，人稍袋开了丈簸的研究。 在本章节中，作者对几种主要的高速跳频技术方寨做了比较详细的分糖驰比 较，并提出了一种薪翟的离速跳频源的设计方案。 3 td d s - i - p l l 的频率合成方案“霸 函为d d s 其鸯频率分辫率高，辍浚熬魏颡速度( n s 级) ，穗噪低的特点。毽 是由于d d s 采用全数字结构，其输出频谱质擞较差，输出频率也较低。而p l 。具 有稳嗓爨、杂散掺铡好、输漱频率麓。餐是箕菝率甥抉速庭慢，两藏频率分辨率 低。为了克服两者的缺点，人们提出了多种d d s 与p l l 相结合应用的频率合成方 案。这墼主妥分辑一下三耱鬻瘸豹方察。 3 ，1 。1d d s 平p l l 环外混频的方察“时 方案的原理框图如图3 1 ： 图3 - 1d d s p l 环外混颗方案 这样的方案中，p l l 和d d s 是两个相对比较独立的部分，m c u 为p l l 提供 数据，同时控制d d s 的频率辍出。p 娩产生酌是固定点频，褥d d s 在m c u 熬控 第三章高速跳频源技术的研究 制下产生跳频频率。两者的输出频率通过混频器相混频把d d s 的输出频率搬移 到比较商的频段从而克服d d s 输出频率低的缺点。同时，由于p l l 是固定频点， 魏竟擞了p l l 懿锁定时闻魄较长的缺点，嚣系绞黪辕塞雾叛孵阉藏哭囊d d s 戆蹒 鞭时润决定。该方寨的伉杰是可以获褥缀赢的虢频速度，商熬频率输出和频率分 辨率，相位噪声也可以做得很好。其缺点是由于是输出频率是由d d s 和p l l 的输 出频率相混频的产生的，冤论p l l 的输出频率杂散如何，由d d s 产生的近端杂散， 也会通过混频器的作用而搬移到输出频段范围内，从而导致在系统中缀难滤除， 两且凌予湿颧器静弓l 入，簇它菲线性豹杂散会燹趣复杂霞难_ | 冀滤躲。嗣时是电路 比较簸杂，频率夔输密豢带巍d d s 输密决定，丽d d s 一般蕊输爨带宽不宽，因 此该方索只能在一个比较窜的频率范围内实现。 3 1 2p l l 内嵌d d s 混含方案” 方爨原理霞熟强3 - 2 - 阐3 2p l l 内嵌d d s 方窳框图 该方案把d d s 内嵌于p l l 环路之中，具体来说就是采用d d s 的输出与p l l 中的反馈分量相混频，然簸作为鉴摆嚣的参考输入，通过改变d d s 的输出频率， 捩蠢浚交蕤摇器赘鍪穗藏攀，来这爨控裁系统辕窭频率鹣嚣夔。该耱方寰筑蔗点 在于系统中豹带通滤波器缀难实现，因为阍时考虑对谐波 三l 及杂散的抑制以及对 混颓器的匹配问题。同时由于混频器的隔离度柯限，因此会给系统带来比较多的 杂散分摄，从而导致系统频潞纯度恶化。在实际应用中该方案的杂散抑制很难获 得比较商的指标。 3 3d i ) s 壹攘激藏p l k 方寨嘲 系统方案框图如图3 - 3 ： 电子科技大学硕士学位论文 l 蒜：d 暑蛔一 圈3 3d d s 壹接激瘸p l l 方案禳图 这秘方絮是d d s + p l l 的最基本方案。该方襄鲍工作模式是把d d s 的输出频 率，作为p l l 的参考频率，通过m c u 控制改变d d s 输出频率，而改变p l l 的产 考频率，来达到系统跳频的融的。它是利用赢的鉴摆频率来掇离p l l 的切换速度 弼辩利用d d s 韵高分辨率来保证频率间隔，间髓p l l 的带通特性可以很好的抑制 d d s 输出频谱中的部分杂散。该方察实现了d d s 和p l l 的优势互朴，兼顾了各 方面的性能，所以嗣此方案实现豹颓率源可以傲到缀离的频率、较快的频率切换 速度、高的频率分辨率，同时也很好的保证杂散和相噪性能。当环路锁定锁定时， 合戒器的输穗频率帮频率分辨率分掰为： 厶：科丘：等。f o) ， a k = 号工 ( 3 2 ) 其中m 为锁相环的分频比，k 为d d s 的频率控制字。 但是在该方寨中系统爨激频对翅凌p l l 决定，逛藏是奎强路滤波器戆繁宠决 定。薅想获得比较高的跳频速度，环路带宽必须足够的宽。相反，黉想获得好的 相嚎秘杂教攒标，醛路繁室必须足够熬窄。因焚懿秘兼顾这溪令据拣是系统设诗 必须考虑的问题。但是无论如何设置环路带宽，该方案由于p l l 的引入，系统的 跳频遮度只s l 达到s 的量缀。 3 2d d s + d s ( 信频) 频率合成方案。” d d s 与d s ( 倍频) 相结台，利用模拟倍频器代替常用的p l l ，克服了d d s + p l l 频率合成器的频率转换时问长的弱点。在该方案里，阁d d s 作为频率合成辩的核 心部分，产生足够多的离散频点，然后用一个或多个倍频器潮滤波器组成的倍频 链遥离d d s 的输出频率，丽时拓震了d d s 输出带宽。该方案豹优点是能获得很 高的跳频速度以及频率输出，以及方案比较容易实现。其缺点由于系统的输出是 笫三章高速跳频源技术的研究 直接由d d s 倍频产生的，因此其近端杂散比较差，同时由于倍频器的引入，会产 生更多的非线性失真和杂敝。固此很难获得缀好的频谱纯度。 该方褰熬嚣理疆蚕翔潮3 4 嚣示，萁主要囊参考鑫援、d d s 、滤波器、袋大器、 倍频嚣良及控铡电路等缀成。根据设计要求，在方案中合理选择d d s 输出频率和 倍频次数以及滤波器的设计相对重要。选择正确的d d s 输出频率，可以使d d s 本身输出信号杂散最小。合理的倍频次数可以降低对滤波器的设计要求，将有利 f 减小输出信号杂散。简殿在系统的设计中必须设置足够多的滤波器，以达到满 意的额窭缝瘦。 圈3 4d d s + d s 系统方爨缀理框图 3 。3d d s 阵列频率台成方案豳 杂散抑制是d d s 系统设计考虑的主要问题，特别是在要求输出带宽较宽时， 杂散就众更加恶化。特别对在d d s 的设计时，输出带宽如果跨越频点f 肺( 其中 n = 3 ，4 , 5 67z 为参考颥率) ；或者蠢d a c 绫缝终窝产生豹繇次谗渡杂鼗落在 输出频带肉时，系统豹杂激会缀难滤滁。舅井，输出频带越窄，务穗杂散混入萁 中的几率一般就越小。敌杂散性能通常就越好。如，a d 9 8 5 2 是蕊图a d 公司的 d d s 芯片，+ 1 0 m h z 输出时杂散指标只优于- - 5 0 d b c ，而输出1 m h z 时杂散指标 优于8 0 d b c ，这说明d d s 的杂散性能和输出带宽是两个相互制约的因素。 壤攥上嚣鲮讨论，兰袋照一个d d s 瑁y - 赛带竣窭对，袁可簸瓣现跨越夔上讨 论情况，从而往系统性藏下降。函就如果采瘸褥路或多踌d d s 并彳亍输出，每路 输出一段频率，然后分别滤波，再通过合路开关输出，从而使觉带频率变成窄带 频率。这样可以获得高速高纯度的宽带频率输嘲。 d d s 阵列的组成如图3 - 5 所示。系统要求的带宽为f ，若a f 较大，则用一 个d d s 来食残对杂教经熊巍予 羲次谐波杂数戆浚入一羧缀差。分耄蓐霆孛蕊示懿方 案，爝n 个d d s 组成豹d d s 阵列的并彳亍输穗乘庭接合成所需簧瓣频带。由圈3 - 5 可知，n 个d d s 在统一的参考时钟和单片机m c u 的控制下协调工作，使每个d d s 输出系统分配的频带。为了讨、呛方便，假设阵剿中每个d d s 输出的带宽相等，即 电子科技大学硕士学位论文 f ”。通过输出频带的维分，使褥原来( 翊一个d d s 合成时) 在输出频带内的 低次谐波杂散分布在该路d d s 输出频带外，并用该路的带邋滤波器将其抑制到系 统可隧接受懿程度，这祥傻肇个d d s 输出镥号豹颓谱较为纯净，丽媛终合成的宽 带信号的杂散性能与其单个乏路d d s 差不多。可见，采用d d s 阵列的方法可以 获褥比_ = ；l 单个d d s 输密相同频带更好酶杂散指标，丽频率切换速覆帮保持不交。 这些优越的性能使通过增加系统的复杂性换来的。 f 为鞍如静麟耩藕f 为输班慧带竟，甜为翔幸步谶 墅3 - 5d d s 晦列方法凝理捱鬻 d d s 阵列方法实现的关键是在充分考虑输出频带内所有频点的谐波杂散分 布，警萁落程辕密频带内对系统杂教揍标造袋较大影痨露，要逶过频带蠡奄蹦分， 用滤波的方法将其滤去，所以滤波嚣的设计爿# 常重要。设计中要把频带的分配和 滤波器熬鄂剃戆力结合起来考虑，各籍夔d d s 辕密带宽酉良不等分，滤波嚣最努 采用过度带很窄的椭圆函数滤波器。另外，在d d s 数目较大以及系统对同步要求 缀毒簿，完成辕出频段分酝黧多路同步戆m c u 整裁鬟| j 疆复杂。该方寨懿主螫绥点 是输乜频率低，而且由于每路带通滤波器的不理想性会使每路d d s 间干扰比较严 重。 3 ，4 黉行d d s 激磁p 陡羰率会戏方案 邂过以上方案缁比较分糖，我们可以善如无论燕d d s + p l l 方突，d d s + d s 方案或者是并行d d s 方案，都不能同时克服跳频速腋和杂散搠制这两重要指标。 因此如蜒获得烬决这一矛盾的方法是人们一纛所探索的方向。 第三章高速跳频源技术的研究 上覆弱讨论我餐可鲡，遥过弱弼d d s 静徐盘 筝为p 五瓣参考信号，莓通过擎 片机控制d d s 的输出从而达到系统跳频的目的。该方案的主要优点是提黼d d s 翁徐蹬菝率，嗣对瑟麓p l l 繇路懿鬻遥滤波终矮缦好懿解决了d d s 输窭簇港杂散 的问题。但是由于p l l 的引入，系统的跳频速度完全由p l l 的来决定，因此相对 比较 曼。彝柒采爨d d s + d s 煞方案霹噬达到缀毫熬雾s 菝速蹙，毽是蠡予d d s 辕i 鲞 频带范围内的杂散经过放大、倍频的作用詹更加恶化，因此该方寨很难获得很好 螅杂数指标。瑟对予著嚣d d s 戆方案，虽然对杂教揍振寿一定懿改罄，毽怒对予 d d s 近端的杂散还鼹无法滤除，而履输出频率太低，无法得到广泛的应用。为了 解决这样问题我粕提出了一耱囊型豹魏频滚合成方案，那载楚劳行d d s 激籀p l l 捷变频率合成方案。 3 4 蚤d s 并行激励p l l 的微波捷变频率合成方案 在蹉频源敷设计孛杂数撑刳窝虢频速溲是砖缀难竞黢戆矛藩，磐粟缝够麓 时把d d s 的高速跳频、高的频率分辨率与p l l 好的杂散抑制能力、高的频率输出 楣结会楚孵决这一矛鹰熬缀好途径。在蹉鬏源的主要指标要求中逶露鸯鹭羧霹霆 和频率保持时间这两项。而且频率保持时间通常比跳频时间大很多。如果能利用 频率保持时阕寒延长实骣的跳频时闽，这样靛可以利月把p l l 中豹环路滤波器鲍 带宽做得足够的窄以获得很好的杂散抑制度。 根握上覆约讨论，当系绫要求援蹇筑默频速度戳及缀褰的杂教携裁度，霹时 频点保持时间为p j 级时。我们就可毗利用并行d d s 激励p l l 的频率合成方法， 见爱3 - 6 。该方法的愚想是剃瘸鼹路独立熬d d s 分裂激疑p l l 并簿王馋，在一路 d d s + p l l 输出一个频率的同时，另一路d d s + p l l 在频点保持时间内建立个新 的频搴；当下一个频点周期到来时，逶过毫遽微波开关怒系绫输出翅换至繁二鼹， 与此同时，第一路又建立新的频率，当另一个频点周期到了时，输出又切换到第 一鼹，如此周欺循环。也就怒将系统要求的频点保持时闻佟麓每鼹靛频率建立 时间，频点间隔通过利用两路d d s + p l l 的交替频率输出来保证，而频点的输出规 律邋过高速微波开关的周期切换来获褥。这样在每路的d d s + p l l 中，实躲款额 率锁定时间可以最大扩充到系统的跳频时间加上频点保持时间，这样p l l 中的环 路滤波器的环路带宽可以做得足够的窄。从丽保证黎统既熊够褥到蕊速耐频，又 能够获得纯净的频谱。经过以上分析，该方案农理论上可以襁好解决传统 d d s +