（测试计量技术及仪器专业论文）标量网络分析仪的射频信号源设计.pdf

t 重 l j ， k ： 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：j 每日期：7 衫矽年多月乡日 论文使用授权 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：一王磊 一 r k 摘要 摘要 网络分析仪通常在高频测量时使用，其被用来测量线性电路的微波网络s 参 数，即传输和反射特性，而这些参数往往都是矢量。本课题涉及的标量网络分析 仪只能测量s 参数的幅度信息，它由信号源、信号检测和分离装置、数据处理及 显示等三部分组成，本文在掌握仪器整体结构的基础上进行信号源设计。 文中给出了一款基于d d s + p l l + 混频技术的o 3 1 3 0 0 m h z 扫频信号源设计， 方案中用到两个p l l ，其中一路由d d s 输出激励p l l ，其设计为n 倍频环；另 一路p l l 设计为1 9 0 0 m h z 定频输出，最终两路输出信号通过混频产生所需目标 频率信号。设计时首先通过各种软件进行系统方案可行性分析，包括系统相位噪 声、杂散、输出功率等关键性能指标的分析。 整个设计被划分为多个模块，主要包括扫频电路、定频电路、检波电路、p i n 衰减稳幅电路、混频电路、系统滤波器、p c b 设计等几部分，最后介绍了整个标 量网络分析仪的系统软件结构，同时重点介绍了频率设定的工作过程，以及a r m 微控制器对信号源各个部分的控制程序设计。 调试阶段对信号源电路板进行了全面的频谱测量，对于系统相位噪声和杂散 两个重要指标做了详尽的分析。同时给出了系统改进方案，其选择d d s 激励p l l 、 p l l 内插两种方式来实现，其中d d s 激励p l l 部分设计为n 1 倍频环，其通过 混频器内插到另一路n o 倍频环中。两者结合可以大幅减小倍频系数，系统性能 也将大幅提高。同时要改进软件设计部分来减小频率误差，输出电平频响则需要 优化检波电路和反馈电路的设计。 关键词：d d s ，p l l ，混频，相位噪声，杂散 k ， a b s t r a ( 玎 a bs t r a c t n e t w o r ka n a l y z e ra r eu s e dm o s t l ya th i g hf r e q u e n c i e s ，也e ya r eu s e dt om e a s u r e - m i c r o w a v esp a r a m e t e r so fal i n e a rc i r c u i tn e t w o r k , w h i c ha r ek n o w na st r a n s m i s s i o n a n dr e f l e c t i o np a r a m e t e r s t h e s ep a r a m e t e r sa r eo f t e nv e c t o r s as c a l a rn e t w o r k a n a l y z e r ( s n a ) o n l ym e a s u r e st h ea m p l i t u d eo fsp a r a m e t e r s as n ac o n s i s t so fa s i g n a ls o u r c e ，s i g n a ld e t e c t i o na n ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t ，d a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y u n i t t h es i g n a ls o u r c ew i l lb ed i s c u s s e dt h r o u g ht h i sp a p e r t h i sp a p e rp r e s e n t sa0 3 13 0 0 m i - t zs w e e pg e n e r a t o rb a s e do nd d s + p l l + f r e q u e n c ym i x i n gs t r u c t u r e t h ep r o j e c tu s e st w op l l s ，o n eo fw h i c hi sd e s i g n e da l s an - i n t e g e rs y n t h e s i z e r , t h eo t h e ri sd e s i g n e da t19 0 0 m h z t h eo u t p u ts i g n a l sa r e o b t a i n e df r o mam i x e rw h i c hh a st h e s et w op l lo u t p u ts i g n a l sa l si n p u t s af e a s i b i l i t y s t u d yi sc a r r i e do u t ，w h i c hi n v o l v e sp h a s en o i s e ，s p u r s ，o u t p u tp o w e ra n ds oo n t h ed e s i g np r o c e d u r e si n c l u d es e v e r a lm o d u l e sw h i c ha r eas w e e pc i r c u i t ，a f i x e d f r e q u e n c yc i r c u i t ，ad e t e c t i o nc i r c u i t ，ap i na t t e n u a t i o nc i r c u i t ，am i x e rc i r c u i t , s y s t e mf i l t e r s ，p c bd e s i g n b e s i d e s ，w ei n t r o d u c et h es n a s o f t w a r es t r u c t u r e ，a n df o c u s o nt h ep r o c e s so ff r e q u e n c ys e t t i n ga n do nt h ea r m c o n t r o l l i n go v e rt h es i g n a ls o u i c 2 f i n a l l y , ap c b b o a r do ft h es i g n a ls o d x c ei sm a d e ，w ec o n d u c tf u l lm e a s u r e m e n to f i t s s p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gp h a s en o i s ea n ds p u r sw h i c ha r et h em o s t i m p o r t a n ti t e m s t ob eo b s e r v e d a b o v ea l l ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ei m p r o v e m e n t s t r u c t u r eo ft h es i g n a ls o u r c e ，i nw h i c han 1 一i n t e g e rp l li si n s e r t e di n t ot h eo t h e r n o - i n t e g e rp l lb yam i x e r t h ec o m b i n a t i o nc a l ll o w e rt h ev a l u eo fn ，a n do t h e r p r o b l e m sa r es u p p o s e dt ob ee l i m i n a t e d k e yw o r d s ：d d s ，p l l ，f r e q u e n c ym i x i n g ，p h a s en o i s e ，s p u r s n _ 目录 目录 第一章引言1 1 1 课题研究背景和意义l 1 2 本文的主要工作2 第二章标量网络分析仪一3 2 1 网络分析概述3 2 2 微波网络s 参数3 2 3 网络分析仪5 2 4 标量网络分析仪( s n a ) 5 2 4 1 本课题标量网络分析仪的结构6 2 4 2 信号源8 2 4 2 1 信号源的作用和组成8 2 4 2 2 正弦信号源的性能指标9 第三章频率合成。1 2 3 1 频率合成及其发展1 2 3 2 锁相环( p l l ) 原理1 3 3 3 直接数字合成( d d s ) 原理1 4 3 4d d s p l l 组合频率合成方式16 第四章射频信号源设计1 9 4 1 射频信号源方案1 9 4 1 1 方案架构1 9 4 1 2 方案可行性分析2 0 4 2 射频信号源硬件电路设计。2 4 4 2 1 扫频电路设计2 4 4 2 1 1d d s 电路设计2 4 4 2 1 2 带通滤波器( b p f ) 设计2 7 4 2 1 3p l l 设计3 2 4 2 2 定频电路设计3 6 4 2 3 检波电路设计4 0 i i i - ， 第一章引言 1 1 课题研究背景和意义 第一章引言 频域测量有两个基本问题：信号的频谱分析和线性系统频率特性的测量。相 应的，频谱分析仪和网络分析仪是现代电子测量中两种重要的频域测量仪器。频 谱分析仪是对在网络中传输的信号频谱特性进行测量，而网络分析仪则是对信号 传输载体本身网络的特性进行测量，两者之间有密切的关系。在军工科研和 民用通信等领域中，常常需要对系统的网络特性和信号的频谱特性进行测量和分 析【1 1 。 信号发生器在频域测量中是不可缺少的，而信号源就是能够产生不同频率、 不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器，在电子系统的测量、校准、试验及 维护中得到了广泛的应用。现代测量和通信技术中，例如在在空间通信、雷达测 量、卫星导航和数字通信等先进的电子系统中，越来越需要高稳定、高精度的信 号源。 要获得高稳定高精度的信号源，就需要采用频率合成的方法。随着电子技术 的不断发展，各类电子系统对频率合成器的要求越来越高，对其本身的稳定度、 频率分辨率、相位噪声等提出了很高的要求，从而很大程度上推动了频率合成技 术的发展。近些年来，国外频率合成器的技术己达到很高水平，各种形式的信号 源已有大量产品。国内的研究工作也在积极开展，也取得了一定的成绩，但由于 受到技术等方面的限制，与国外先进技术水平相比，仍有很大差距。为此，开展 高性能频率合成器的研制对推动军用、民用通信系统的研制具有极其重要的意义。 本文正是基于这样的背景，论述了一款用于标量网络分析仪的射频扫频信号 源。需要说明的是，此课题中的信号源是整个标量网络分析仪的一个组成部分， 进入课题组后，首先要对整个标量网络分析仪结构组成有一定认识，在此基础上 进行扫频源的设计。该扫频源运用d d s + p l l + 混频技术，采取d d s 激励p l l 方 式。用到两个锁相环，其中一路由d d s 输出作为p l l 倍频的激励信号，p l l 设 计成n 倍频环，另一路经过锁相得到1 9 0 0 m h z 固定频率信号。本设计主要面向 中低端市场，在成本方面有较严格的控制。其扫频频率范围和技术指标经过合理 考虑，能够满足一些地方电视台，部分高校的应用需求，具有极高的性价比和相 1 电子科技大学硕士学位论文 对广阔的市场。 1 2 本文的主要工作 第一章为引言部分，介绍了本课题的一些研究背景和意义，同时简单阐述了 设计的一些架构和思想。 第二章介绍了网络分析概念，微波网络s 参数，同时介绍了网络分析仪的概 况和测试目的，最后介绍了典型的标量网络分析仪的组成，还有本课题整个仪器 的架构，结束时对本论文设计的射频信号源进行了分析，采用何种合成方式，以 及设计过程中的关键问题都是必须考虑的因素。 第三章阐述频率合成，其中包括频率合成的方法和发展趋势，各种方法的优 缺点。重点阐述了p l l 和d d s 基本原理，最后介绍了d d s p l l 组合合成方式的 三种常用结构，并详细分析了其输出频率特性和设计难点，同时比较这几种结构， 选择了本课题的合成方法。 第四章为整个论文的核心部分，详细说明了整个设计的方案，同时对其做了 周密的可行性分析，涉及相位噪声、杂散、频率范围、频率准确度、输出电平平 坦度等几方面。接下来是电路设计部分，包括扫频电路、带通滤波器、定频电路、 检波电路、p i n 衰减稳幅电路、混频电路、系统滤波器等几个重要方面，详细论 述了原理设计和仿真结果。最后简单介绍了整个仪器的软件架构，同时对信号源 软件控制方面做了一定的说明。 第五章为总结部分，首先是射频信号源测试结果分析，通过实际测量获得频 谱图，并对结果进行详细分析来论证整个系统的性能，最后对整个设计做了总结， 并指出一些问题，同时提出了改进方案。 2 第二章标量网络分析仪 2 1 网络分析概述 第二章标量网络分析仪 对由任意信号激励的线性网络特性进行表征，是网络综合与测量过程中经常 遇到和必须解决的基本问题。网络分析是在感兴趣的频率范围内，通过线性激励 响应测试确定线性网络传输和阻抗特性数学模型的过程。这里所说的网络，是指 对实际物理电路和元件进行的数学抽象，主要用来研究外部特性。系统中元件的 作用可以通过它对激励信号的传输及反射特性来表征，即当网络输入、输出端电 参量之间的相互关系已知时，元件的特性也就因此完全确定。网络分析就是通过 扫频测量精确获知元件的幅频特性和相频特性的方法 1 2 1 。 网络分析总是假定被分析电路或网络是线性的，因而可以基于扫频正弦测量 方法进行频率特性的定量分析。对于非线性网络，通常使用频谱仪来测量。 2 2 微波网络s 参数 在较低频率时，一般用阻抗z 参数或导纳y 参数来描述网络特性，这些参数 的定义都是基于电压电流的概念，测量时需要在特定的端口条件下，如开路或短 路，测出对应的电压电流。而高频条件下的电压电流参数很难测量，而且有时不 允许人为地将网络端口开路或短路，因此上述测量方法并不适用于微波频率，必 须应用不同的概念，采用不同的方法实现测量【l 】。 由于“波”概念的引入，微波网络常用散射参数( s c a t t e r i n gp a r a m e t e r s ，简称s 参数) 表征。任何网络都可用多个s 参数表征其端口特性，对以端口网络需要刀2 个s 参数。如单口网络有1 个s 参数、双口网络有4 个s 参数等。以图2 1 所示 双口网络为例，d u t 为被测件( d e v i c eu n d e rt e s t ) 。 图中，当入射波儡进入端口1 时，其中一部分会因端口失配而反射回来，大 小为墨，q ；a 。其余部分经网络传输到端口2 上成为出射波，大小为是q ；同样地， 若有入射波a ：进入端口2 ，其中一部分也会因失配反射回来，大小为s ，：口：；a ：其 余部分经网络传输到端口1 上成为出射波，大小为s ，a ，。 3 电子科技大学硕士学位论文 ) 6 ： 口2 用6 i 、6 2 分别表示端口1 和2 上的所有出射波，有 急慧：缝 ， 如= & l 口l + 是2 口2 i pv 式中，墨。、是。、墨：、是：就是表示双口网络的四个s 参数，被称为散射参 量，式( 2 1 ) 也由此被称为散射方程组。 四个s 参数均有固定的物理意义。用一个匹配负载z 0 终接在端1 ：32 上，且当 端口2 上的入射波口 = 0 时，由式( 2 1 ) 有 5 _ = = 鲁1 4 ，：。，5 匕= = 纠4 ，：。 c 2 2 ， 口li 卵。口ll 舻o 、。 同样地，在端口l 终接上匹配负载z o ，且当端口1 上的入射波口。= 0 时，有 5 匕2 = = 刭a 2 口。：。，墨2 = = 剖2 口。：。c 2 3 ，i 口，：o口i 口。：o 、7 在s 参数的两个数字下标中，第一个代表波出射的端e l 、第二个代表波入射 的端1 3 。 入射、反射和传输波形都同时具有幅度和相位信息，因此可以对d u t 的反 射和传输特性进行定量分析。反射、传输参数可以表达为矢量、标量或仅含有相 位信息的形式。 需要说明的是s 参数不仅在网络分析中十分有用，其在描述电路网络传输和 衰减特性时也十分有效，例如后面章节的滤波器设计中就要考虑s ( 2 ，1 ) ，s ( 1 ，1 ) 两个 参数，两者能够很好的反应滤波器通带和阻带内的传输和衰减情况，进而为实际 电路制版提供依据。 4 q 广 l 第二章标量网络分析仪 2 3 网络分析仪 网络传输特性测量是系统设计最重要的工具之一。线性网络的频率特性测量 要用到网络分析仪( n e t w o r k a n a l y z e r ) ，它能够完成反射、传输两种基本测量，从 而确定几乎所有的网络特性，s 参数是其中最基本的特性。现代网络分析仪以测 量s 参数为基础，这是因为s 参数的测量是以系统的特性阻抗z 0 为参考的，较易 获取宽带标准负载，所以高频段s 参量较其他参量更容易测量；而且由于所有参 量都包含有关网络的相同信息，故任何一组参量总可以利用已测得的s 参量计算 出来 1 】 2 】。 n a 常用于高频测量，其频率覆盖范围可从9 k h z 1 1 0 g h z 。有些n a 可覆盖 更低频率范围，可达1 h z ，可用于开环系统的稳定性分析和音频或超声器件的测 量。 n a 一般分为标量网络分析仪( s c a l a r n e t w o r k a n a l y z e r ，简称s n a ) 和矢量 网络分析仪( v e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r , 简称v n a ) 。s n a 只测量线性系统的幅度 信息，v n a 可同时测量幅度和相位特性。无论哪种，都是通过测定网络的反射和 传输参数，从而对网络特性的全部参数进行全面描述。v n a 的实现一般需要比较 复杂的电路和制造技术，造价较高，在此基础上研制出测量s 参数幅值的s n a 。 n a 一般是由信号源、信号检测和分离装置、处理显示装置等三部分组成， 其能对有源、无源网络进行测量。其可以满足宽频率范围内迅速、精确和全面表 征线性网络特性的工程要求。一般而言，满足网络分析仪指标的任何正弦信号源 都可以用来激励被测件。 2 4 标量网络分析仪( s n a ) 图2 - 2 标量网络分析仪组成框图 5 电子科技大学硕士学位论文 s n a 是测量d u t ( d e v i c eu n d e rt e s 0 传输和反射特性的最简单、最经济的仪 器，由于检波器无法获得相位信息，因此只能测得s 参数的幅值，对很多应用领 域来说，获得幅度值就已经够用了【l 2 1 。 图2 2 所示为s n a 的一种典型组成框图，图中入射波为a ，反射波为翻，传 输波为6 ，测量通道分别为a 、b 、r ( 参考) 。通过测量可以获得s 参数ls ，i 、 s ：，i 。再将被测网络激励端与测试端反接，即可获得is ，：i 、i 墨：i 。 s n a 可以采用宽带和窄带两种检波方法。宽带检波是利用二极管检波，二极 管带宽很宽，其可接受输入信号的全部频谱，但容易产生杂波或谐波，而且其动 态范围较差，但其可进行输入与输出是不同频率信号的检测，如倍频器和混频器 的插损测量；窄带检波是将连续波信号或扫频信号转化为定频中频信号的外差式 接收机，其测量动态范围较宽，对谐波、杂波、噪声的抑制较高，目前也多采用 这种方式。 第二章标量网络分析仪 信号检测和分离部分：首先采用功率分配器将信号分成相等的两路，一路输 出送至检波器检波作为基准信号；另一路输出传输则分两种情况，一种情况是直 接接d u t ，然后其输出经过检波器输出，这样可用来测试传输参数，或者可变换 为插入损耗；另一种情况是经过d u t 和平衡电桥组成的网络，其输出和反射信 号成比例，所以其可用来测试反射参数或回波损耗。该款仪器目前使用的是宽带 功率检波器，接收机方式的检波电路正在设计中。 处理及显示部分：整个系统采用a r m 进行全局控制，同时利用c p l d 的强 大数字电路能力进行显示屏、键盘、信号源的数字控制。通过软件编程，整个系 统能够得到有序控制，其中a r m 对数据进行处理之后送入c p l d 继而控制l c d 屏幕的显示，使用户能够清楚看到所需结果。 以上是仪器结构组成，另一方面，我们从控制角度来看整个系统，能够明确 各个部分的联系。如图2 - 4 所示。 图2 4 标量网络分析仪的组件控制关系 设计中，我们采用n x p 公司的3 2 位a r m 微控制器l p c 2 2 2 0 f b d l 4 4 作为 主控制器，它是一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 位a r v 1 7 t d m i s ，具有j t a g 调试功能，对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降 低3 0 ，而性能的损失却很小。其采用l q f p l 4 4 脚封装、具有极低的功耗，非 常适合工业控制等应用。此外，芯片还包括6 4 k b 片内静态r a m ，且其支持最大 为7 5 m h z 的c p u 操作频率( 本课题使用外部晶振，频率为1 2 m i - h ，在片内被编 程为6 0 m h z ) ，通过配置总线，控制器最多提供7 6 个g p i o 3 1 。 课题中主控电路部分除了微控制器，还有c p l d 、1 m b 的外部r a m ( 用于存 储程序运行过程中的临时数据) 、2 m b 的外部f l a s h 芯片( 用于存储程序和固定 数据) 、1 m b 的串行f l a s h 芯片( 用于保存系统每次运行的设置数据) 。这几部 分共同完成整个标量网络分析仪的系统控制和数据处理任务，包括显示屏的显示、 按键值的读取和处理、输出信号频率的设定、输出信号功率的设定、通道模式的 选择、测量数据的处理等任务。 7 电子科技大学硕士学位论文 c p l d 作为数字处理部分，就是利用其强大的数字电路处理能力。它接受来 自微控制器的数据，对其进行处理，再根据需要将处理结果发送到l c d 显示屏和 射频信号源，同时微控制器还需从它读取数据来获知外部设备的状态信息，从而 实现系统控制的目的。此外键盘信息的接受和处理也需要c p l d 来完成，c p l d 还负责和射频信号源进行通信，比如对d d s 、p l l 等器件的设置，同时还需接受 来自p l l 的反馈信息，比如环路锁定信息。 显示部分由l c d 液晶屏、l c d 控制器、i m b 的r a m 组成，其中l c d 控制 器由c p l d 来实现，a r m 对数掘进行处理后送至c p l d ，c p l d 根据显示要求对 数据做进一步的变换，且临时数据存储在i m b 的r a m 中，最终通过调用在l c d 上正确显示。 2 4 2 信号源 2 4 2 1 信号源的作用和组成 1 作用 信号源是产生不同频率、不同幅度波形的信号发生器。在电子系统测量、试 验、校准中得到广泛应用。综合起来，其用途主要有以下三方面： ( 1 ) 激励源。作为电子设备的激励信号，如本课题标量网络分析仪用到的射 频信号源。 ( 2 ) 信号仿真。若要研究设备在实际环境下所受影响，而又暂时无法放到其 中时，可利用信号源仿真真实环境进行测量，如噪声信号、干扰信号等。 ( 3 ) 标准信号源。一类是用于产生一些标准信号，提供给设备尽心测量使用， 如本论文中的标量网络分析仪；另一类是用作一般信号源校准，即作为校准源出 2 组成 信号源种类很多，产生方法也各异，但其基本结构是一致的，如图2 5 所示。 图2 5 信号源结构图 主振器：信号源核心部分，其产生不同频率不同波形的信号。由于产生的信 8 个 参考值。 电源：其作为电路系统最基本的部件，为各个部分提供直流电源，通常可由 市电整流稳压获得。 2 4 2 2 正弦信号源的性能指标 在各种信号源中，正弦信号发生器具有特殊地位。由于正弦信号是分析线性 系统频域特性的一种最基本的信号，而且也是最容易产生、描述和广泛应用的载 波信号，因此正弦信号发生器的指标直接影响到被测系统各项性能参数的测量质 量。本论文中的射频信号源就是一款正弦信号源【1 1 。 对一个正弦信号源的基本要求是能够迅速准确地把信号的输出频率、电平( 幅 度) 调到指定的数值上，故表征一个正弦信号源的特性可归结为频率特性、输出 特性及调制特性。而这些特性都是在后续设计过程中必须予以考虑的。 1 频率特性 正弦信号源的频率特性可以用以下几项指标来表征【l 】【4 】： ( 1 ) 频率范围亦称频率覆盖，即每台信号发生器规定能供给合格信号的频 率范围，通常以其上、下限频率说明之。它指信号发生器在各项指标得到保证的 前提下，输出频率的范围。该范围可以连续，也可由若干频段或一系列离散频率 覆盖。 ( 2 ) 频率准确度指频率实际值厂对其标称值无的相对偏差口，计算表达 式为： 口：上五：笠x 1 0 0 ( 2 - 4 ) j o o 式中，, a f = 厂一无为频率绝对误差。 实际上，频率准确度是信号发生器输出信号频率的工作误差，它是由主振器 的频率稳定度来保证的。 ( 3 ) 频率稳定度指由于信号发生器内部的及环境的各项不稳定因素所引起 频率准确度在一定时间间隔内的变化，又分为短期和长期稳定度。短期稳定度指 9 电子科技大学硕士学位论文 信号源经过规定预热时间后，在任意1 5 分钟内信号频率发生的最大变化，它实际 是指随机的或寄生的周期性因素对信号调制而在载频两旁产生出连续或离散频谱 的寄生边带的情况，其与信号源的频谱纯度和噪声强度相关。长期稳定度是指信 号源经过规定预热时间后，在任意3 小时内信号频率发生的最大变化。影响长期 稳定性的主要是环境温度、湿度、电源等的缓慢变化。 ( 4 ) 频谱纯度信号源在每一个频点上输出的连续波信号本应有纯净的单 线频谱，但实际上不可避免地伴有多种不需要的杂波输出。杂波的项目很多，首 先是信号的谐波。一般都要说明输出总谐波或每个谐波的功率较之载波功率所小 的分贝数，记为若干d b c 。在合成信号源中，还会由于混频或寄生调制等产生非 谐波输出。对于靠近载波的干扰频谱( 例如由噪声或5 0 h z 电源产生的寄生调制) 则涉及到信号的短期稳定度，作为与短稳直接关联的相位噪声主要是指随机性噪 声对信号的相角调制产生的连续谱边带，通常以1 h z 带宽中所包含的噪声功率， 即相位起伏谱密度或频率起伏谱密度说明其强弱，调幅噪声一般相对甚小。相位 频距 标应 带中 着现 越来 可用 输出 线， 采用 化， 幅度 为自 出阻 第二章标量网络分析仪 抗一般有5 0 q 、7 5 q 、1 5 0 f 2 、6 0 0 f 2 及5 豳等，而高频信号源输出器阻抗一般为 5 0 或7 5 q 。 3 调制性能 高频信号源除了能输出正弦波，一般还能输出一种或多种调制后的信号，如 调幅、调频、调相、脉冲调制等。调制特性的恒量指标主要包括调制频率、调幅 系数、最大频偏、调制线性等。 本课题的射频信号源作为一款正弦信号源，主要在频率特性和输出特性上有 所要求，而不需要考虑各种调制性能。此外，信号源通过什么方式合成，不同的 合成方式会有怎样的结果，有什么优缺点，我们将在下一章频率合成中详细介绍。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 频率合成及其发展 第三章频率合成 1 频率合成原理 现代测量和通信技术中，需要高稳定、高纯度的频率信号源。这种高稳定度 的信号不能用l c 或r c 振荡器产生，而一般采用晶体振荡器产生，但晶振只能 产生一个固定频率。当要获得许多稳定的信号频率时，不能采用多个晶振产生， 应采用频率很成技术实现【l 】。 频率合成是由一个或多个高稳定度的基准频率，通过基本的代数运算( 加、 减、乘、除) ，得到一系列所需频率。通过这种技术得到的频率信号，其频率稳定 度可达到与基准相同的量级。频率的代数运算是通过倍频、分频及混频来实现的。 分频实现频率的除；倍频实现频率的乘；频率的加减是通过混频实现。 2 频率合成分类及特点 频率合成技术自2 0 世纪3 0 年代提出以来，在7 0 多年里已取得了飞速的发展， 特别是随着集成电路技术的发展，它也不断完善。当前频率合成技术有以下三种： 直接频率合成、间接频率合成( 锁相式频率合成) 、直接数字合成【1 1 。 ( 1 ) 、直接频率合成它是通过分频、混频和倍频等方法，由基准频率产生 一系列频率信号并用窄带滤波器选出。直接频率合成优点是频率切换速度快，相 位噪声低，缺点是电路硬件结构复杂，需要大量分频器、混频器及滤波器等，其 体积大，价格昂贵，不便集成化。 ( 2 ) 、锁相式频率合成即间接式频率合成技术，产生于2 0 世纪5 0 年代。其 电路原理比直接频率合成技术复杂。它是利用锁相环( p l l ) 把压控振荡器( v c o ) 输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的p l l 就可以合成不同的频率， 而且这些频率都有一个共同的基准。 锁相式频率合成克服了直接合成的许多缺点，特别是它易于集成化，使得其 具有结构简单、体积小、功耗低、价格低等优点，缺点是切换时间较长。 ( 3 ) 、直接数字合成( d d s )它是近年来随着数字集成电路和微电子技术的 发展而发展出的一种新的频率合成方法。其完全不同于传统频率合成，原理是基 于取样技术和数字技术来实现，产生所需频率的信号。直接数字合成具有频率分 1 2 。但由于采用相位截 上限较低，杂散也较 直接式切换时间短， 但步进大；锁相式步进小，但切换时间长：d d s 既具有切换时间短，同时又具有 步进小的特点。 由于三种频率合成技术各有优缺点，而现代通信与电子系统的发展，以及电子 测量技术对信号源的要求越来越高，单独使用其中一种方法，很难满足要求。因 此可将这几种方法综合应用，特别是d d s 与p l l 的结合，采用混合频率合成技 术，以结合各种频率合成技术的优点，弥补单种频率合成技术的不足，达到更好 的频率合成效果。 3 2 锁相环( p l l ) 原理 1 基本原理 锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器( p d ) 、环路滤波器 ( l p f ) 、电压控制振荡器( v c o ) 及基准晶体振荡器等部分组成，其基本原理图 如图3 1 所示。 p d 是一个相位比较电路，用于检测输入信号u ；与反馈信号玑之间的相位差， 其输出为误差电压玑。u f 实际上是一个低通滤波器，用于滤除误差电压中 的高频成分和噪声，达到稳定环路工作及改善环路性能的目的。v c o 的输出频率 受控制电压的控制，p d 输出的误差电压经过l p f 滤波后，去控制v c o 的输出信 号频率，实现相位的反馈控制，将输出信号频率五锁定在输入信号频率，上。当 环路稳定时，厶等于f ，它们具有同等的稳定度，或者说p l l 合成器的频率稳定 度可以提高到晶体振荡器的水平【l j 【5 j 。 l 基准晶振悟覃b 1 回匝 图3 - 1 锁相环基本原理图 p l l 的工作过程是一个从失锁状态到锁定状态的过程，p l l 从失锁状态进入 1 3 电子科技大学硕士学位论文 锁定状态是有条件的，当p l l 开始工作时处于失锁状态，v c o 的输出频率无与 输入参考频率z 之间存在一个频差鲈= - f , ，只有当蜕减小到一定值，环路 才能从失锁状态进入锁定状态。因此将环路最终能够自行进入锁定状态的最大允 许的频差称为捕捉带宽。当失锁状态下的频差馘小于捕捉带宽时，p l l 总能进 入锁定状态。 由此可知，p l l 的频率特性具有低通滤波器的传输特性，其高频截止频率称 为环路带宽。应当注意，这里所说的低通特性是针对输入信号的相位而言，不是 对输入信号的整体而言。对输入信号的相位仍( f ) 具有低通特性就意味着对输入信 号的整体具有带通特性，即p l l 只允许在输入频率，：附近的频率成分通过，而阻 止远离f 的频率成分通过，因此p l l 具有窄带滤波特性。 2 p l l 的基本形式 在锁相式频率合成信号源中，需要采用不同形式的锁相环，以便产生在一定 频率范围内步进的或连续可调的输出频率，下面分别是倍频环和分频环。 ( 1 ) 倍频式锁相环( 倍频环)倍频环是实现对输入频率进行乘法运算的锁相 环。图3 2 所示是数字倍频环。它是在反馈回路中加入数字分频器，将输出信号 分频后送入相位比较器，与基准频率信号进行比较，当环路锁定时，疋= m 。 图3 - 2 数字倍频环原理图 ( 2 ) 分频式锁相环( 分频环) 实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似。 图3 3 所示是数字分频环。在数字分频环中，数字分频器置于锁相环外，分频器 的输出频率与v c o 的输出频率进行相位比较，则当环路锁定时，无- - f , n 。 上匝卜咂卜恒卜掣 图3 3 数字分频环原理图 3 3 直接数字合成( d d s ) 原理 1 d d s 组成原理 1 4 第三章频率合成 d d s 的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相 位对于固定的参考频率可调的信号【l 】。 任何频率的正弦波形都可以看作是由一系列取样点所组成。设取样时钟频率 为疋，正弦波每一周期由k 个取样点构成，则该正弦波的频率为： 1， = 音= 生 (3-1)k “ k t v 式中，z 为取样时钟周期。 如果改变取样时钟频率工，则可以改变输出正弦波的频率无。其基本原理如 图3 4 所示。 叫絮篙h 正鬻m 卜匦a ，廿i - 叫卜叫卜- 叫l - ，卜叫_卜卜 i 器( k ) il 存储器l _削 图3 - 4d d s 基本原理 一个完整周期的正弦波形幅值数据存放于波形存储器r o m 中，地址计数器 在参考时钟疋的作用下进行加1 的累加计数，生成对应地址，并将该地址存储的 波形数据通过d a 转换器输出。输出信号频率取决于两个因数：参考时钟频率 五；r o m 中存储的正弦波。因此改变时钟频率正或改变r o m 中每周期波形 的采样点数k ，均能改变输出频率丘。 2 相位累加器原理 如果改变地址计数器计数步进值( 即以值m ( m 1 ) 来进行累加) ，则在保持 时钟频率疋和r o m 数据不变的情况下，可以改变每周期采样点数，从而实现输 出频率正的改变。例如：设存储器中存储了k 个数据( 一个周期的采样数据) ， 则地址计数器步进为l 时，输出频率f o = 丘k ，如果地址计数步进为m ，则每 周期取样点数为k m ，输出频率工= ( m k ) 以l 】【6 】 7 】。 地址计数器步进值改变可以通过相位累加器法来实现，其基本原理框图如图 3 5 所示。 图3 - 5 相位累加器原理 相位累加器在参考时钟f 作用下进行累加，相位累加的步进幅度( 相位增量 1 5 电子科技大学硕士学位论文 矽) 由频率控制字m 决定。设相位累加器为位( 其累加值为k ) ，频率控制 字为m ，则每来一个时钟作用后累加器的值k t + l = 墨+ m ，若k t 卅 2 则自动溢 出，位累加器中的余数保留，参加下一次累加。将累加器输出中的高彳位数据 作为波形存储器的地址，即丢掉了低位( 一彳) 的地址，波形存储器的输出经d a 转换和滤波后输出1 】 6 】 7 1 。 一般情况下为了提高波形相位精度取值较大，如果直接将全部作为波形 存储器的地址，则要求采用的存储器容量极大，一般舍去的低位，只取的高 a 位作为存储器地址，使得相位的低位被截断。当相位值变化小于1 2 爿时，波形 幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨力并不会降低，由于地址截断而引起的 幅值误差，称为截断误差。 3 d d s 的性能 因为输出信号实际上是以时钟疋的速率对波形进行采样，从获得的样本值中 恢复出来的。根据取样定理f o 恻( z 2 ) ，所以m 2 - 1 。实际中一般取m 2 - 2 。 当m = 1 时，输出频率最小，工疵= ( 1 2 ) 丘。输出频率的分辨力由相位累加 器的位数决定，即t , f = ( 1 2 ) 疋。m 改变时，其频率分辨力不会发生变化，因 此d d s 可以解决快捷变与小步进之间的矛盾。由于d a 、存储器等器件的限制， d d s 输出频率的上限并不高。 3 4d d s p l l 组合频率合成方式 d d s p l l 频率合成已经成为目前使用最广泛的合成技术，它将两者结合起 来，使其优缺点互补，从而使合成信号源的性能大幅提高。 常用的d d s p l l 组合频率合成方式有以下三种【8 】： 1 p l l 内插d d s 的组合方案 如图3 - 6 所示，p l l 内插d d s 的合成方法，d d s 的输出与v c o 的输出进行 混频，混频输出进入锁相反馈回路，v c o 输出经过滤波即为该方法的输出，其频 率为： f o = n f , k ( 3 - 2 ) p l l 内插d d s 利用d d s 保证其频率分辨力，p l l 用来保证工作频率和带宽。 为得到连续的频率覆盖，要求d d s 输出带宽必须大于等于参考频率，即 b 嬲，。p l l 可以采用较高的鉴相频率，从而提高p l l 的频率转换时i b - j 。当 1 6 频带就会非 图3 - 6p l l 内插d d s 方案 2 d d s 激励p l l 的倍频方案 该方案以d d s 输出作为p l l 的激励信号，p l l 作为跟踪倍频锁相环。其利 用d d s 保证频率分辨力，p l l 的宽倍频特性来保证频率覆盖范围。加入b p f 目 的是抑制d d s 的频带杂散。 图3 7d d s 激励p l l 的倍频方案 如图3 7 所示，d d s 输出经过b p f 滤波之后作为p l l 的p d 的参考输入， v c o 输出经b p f 滤波即为该方案的输出，其频率为： ，f ， f o = 形蒜= i 半 ( 3 - 3 ) z 由此可见，该方案输出频率分辨力是d d s 频率分辨力的n 倍，当d d s 频率 控制字足够大时，合成器仍可得到较高的频率分辨力。需要注意的是，最终输出 信号的频率分辨力会随着n 值的改变而不同，因此如果n 的取值有若干时，就要 考虑其频率分辨力是否能满足实际应用，从而达到灵活设计的目的。 该方案优势在于其充分利用了p l l 的窄带滤波特性，提高了带外杂散的抑制 能力，降低杂散水平，同时可采用较高的鉴相频率来提高p l l 的频率转换速度， 并利用d d s 的高分辨力来保证频率小步进。通过选择合适的d d s 带宽，可以实 现频率的连续覆盖，这样就能保证整个频率范围内相同的频率分辨力，这时d d s 1 7 电子科技大学硕士学位论文 带宽应满足： b 矿， 召砖( 3 - 4 ) 式中，b 是系统输出带宽，k 是p l l 的最小分频比。 3 d d s 内环分频方案 如图3 - 8 所示，该方案中，v c o 输出的反馈作为d d s 的参考时钟，再由d d s 输出反馈回p d ；v c o 另一路经过b p f 滤波作为输出，其输出频率为： 以= 争= 警 ( 3 - 5 ) 山 kk 。 图3 - 8d d s 在p l l 环内分频的方案 该方案中，d d s 实际上充当了一个小数分频器，提供小步进的可变分频比。 因而可在p l l 的输出获得相对较高的频率分辨力。其大小为： ， a ， , a f = 葡南( 3 - 6 )k ( k + 1 ) 由公式( 3 6 ) 可见，k 值发生变化，输出频率步进随之变化，且k 越大频率分 辨力越高。由于k 2 川，所以 = 惫 ( 3 7 ) t 由上式可知，该方案的分辨力同时取决于d d s