（通信与信息系统专业论文）ddspll车载监听系统终端频率源的研制.pdf

摘要 摘要 监听系统在监听的环境中，受到的各种电气、电磁干扰，对无线监听的影响 非常大，因此对抗干扰的能力提出了很高的要求。同时对监听器的灵敏度也提出 了很高的要求，要能够捕捉微弱的信号。要达到这些指标的要求，不仅要设计合 理的放大滤波电路，更要有高质量的频率源。 本文先是阐述了在现代电子系统设计中频率合成器的重要性；介绍和分析现 在几种主要频率合成技术的基本特点，并对他们的性能做了个大致的比较；展望 了现代频率合成技术模块化、系列化、小型化的发展趋势；主要对直接数字频率 合成技术( d d s ) 的基本原理、特点、优缺点做了介绍，进一步的分析了d d s 的杂散来源以及对其的改善方法。 本文分析和比较各种频率合成器的实现方法后，采用d d s + 锁相环( p l l 0 这种 方案，将d d s 的高频率分辨率、锁相环的宽频带、谱质好等优点有效的结合起来， 充分发挥单片机对d d s 的控制优势，设计车载监听系统终端的频率源，完成了实 际的电路设计和调试。本文详细描述了该频率源的方案设计、各个模块的功能实 现，以及系统的测试结果。该频率源达到车载监听系统终端指标要求，并已经交 付工程使用。 关键词：频率综合器，d d s ，单片机，相位噪声，杂散 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t , m o n i t o ri sd i s t u r b e db yav a r i 啊o fe l e c t r i c ， e l e c t r o m a g n e t i s m t h e r e f o r e ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h eh i g hd e m a n d sm a d e t h e s e n s i t i v i t yo ft h em o n i t o ra tt h es a m et i m ea l s om a d eh i g l ld e m a n d s ，t ob ea b l et o c a p t u r ew e a ks i g n a l s r e q u i r e m e n t st oa c h i e v et h e s et a r g e t s ，n o to n l yd e s i g nt h e b a s e b a n d ，t h e r em u s tb eh i g hq u a l i t yf r e q u e n c ys o u r c e t h i sp a p e rf i r s te x p o u n d st h em o d e me l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n ，t h ei m p o r t a n c eo f t h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ；d e s c r i p t i o na n da n a l y s i so fs e v e r a lm a j o rf r e q u e n c y s y n t h e s i st e c h n i q u e sa r en o w t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c em a k e sa r o u g hc o m p a r i s o n ；o u t l o o ko fm o d e mf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n i q u e sm o d u l a r , s e r i a l i z a t i o n , m i n i a t u r i z a t i o nt r e n d s ；m a j o rd 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 s ( d d s ) o f t h eb a s i cp r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa ni n t r o d u c t o r y , f u r t h e ra n a l y s i so ft h ed d s s p u r i o u ss o u r c e sa n dm e t h o d so f i t si m p r o v e m e n t t h i sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rt oa c h i e v eav a r i e t yo f m e t h o d s ，u s i n gd d s + p h a s e - l o c k e dl o o p ( p l l ) o f t h i sp r o g r a m ，t h eh i g h - f r e q u e n c y r e s o l u t i o nd d s ，p l lb r o a d b a n d ，s p e c t r u ma n dg o o dq u a l i t yc o m b i n e de f f e c t i v eg i v e f u l lp l a yt oa d v a n t a g e so fm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lo ft h ed d s ，t h ed e s i g nv e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e mt e r m i n a lf r e q u e n c ys o u r c e ，t h ec o m p l e t i o no ft h ea c t u a lc i r c u i t d e s i g na n dd e b u g g i n g t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ef r e q u e n c yo ft h es o u r c eo f t h ep r o g r a m d e s i g n ，r e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e ，a n ds y s t e mt e s tr e s u l t s t h e f r e q u e n c ys o u r c et ov e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mt e r m i n a li sg o o d ，a n dh a sb e e nu s e dt o d e l i v e rp r o j e c t s k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ，d d s ，m c u ，p h a s en o i s e ，s p u r s 图目录 图目录 图2 1 直接数字频率合成j 6 图2 2d d s 输出频谱图9 图2 3 锁相环组成原理图1 4 图2 4 捕获过程示意图1 9 图2 5 锁相环噪声示意图2 0 图2 - 6 噪声传递示意图2 1 图3 一l 系统功能图。2 2 图3 2d d s 激励p l l 示意图2 5 图3 3 环外混频式方案2 7 图3 4 环内混频方式2 7 图3 5 频率源输出频率图2 8 图3 - 6 车载射频前端频率源示意图2 9 图3 7 输出镜像3 0 图4 1a d 9 9 5 8 结构示意图3 4 图4 2d d s 芯片外围电路原理图3 5 图4 3d d s 电路输出滤波电路3 6 图4 - 4a d f 4 3 6 0 7 结构图3 7 图4 5 三阶环路滤波器示意图3 8 图4 6p l l 原理示意图。4 0 图4 7 控制芯片结构图4 1 图4 8 控制部分原理示意图4 2 图4 9 频综交互调试框图：4 3 图4 1 0d d s 控制图。4 4 图4 1 1 软件设计流程图4 5 图5 1 上腔体示意图4 8 图5 2 数字处理部分实物图4 9 图5 3 测试仪器图一5 0 图5 _ 4 通带内有鉴相纹波5 2 v 图目录 图5 5 正确配置中频输出5 2 图5 6d d s 输出信号图5 3 图5 7p l l 输出图5 4 图5 8 中频信号输出图：。5 4 图5 9 中频输出图5 5 v i 表目录 表目录 表2 1 捕获带和捕获时间计算表：1 9 表3 - 1d d s 详细参数表3 1 表3 2d d s 芯片输出主要杂散3 3 表舢1a d f 4 3 6 0 7 寄存器真值表4 3 表5 1 配置对比表5l v 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：垒生兰童2日期：劢乃年月夕日 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：赞堑2 一 导师签名： 日期：缈年夕月岁日 第一章引言 第一章引言 监听技术在很多行业早已出现，手机监听技术的兴起是源于手机在现代人们 日常生活中的广泛使用和对犯罪行为的预防。也由于其是对人们私人信息的提取， 因此，对该技术和设备在民用方面的使用都是受到限制的。但是其在军事方面和 警用方面却发挥着不可代替的作用。尽管手机监听设备有着很广的用途，但其基 带部分都由以下几部分组成【l 】：接收天线、接收机，频率源、以及各种抗干扰设 备等。早期的监听设备抗干扰能力差、灵敏度底，已远远不能满足现代手机监听 技术的要求。现代的手机监听面临着综合的电子干扰，并且在侦查和对敌作战方 面发挥着越来越重要的作用。 1 1车载监听系统对c d m a 网络手机的监听原理简介 始于8 0 年代末、9 0 年代初的c d m a ( 码分多址) 通信技术由于其具有其它 技术无法超越的高频谱利用率，在频谱资源极度紧张的今天有着巨大的意义。 c d m a 的工作原理是先把用户的通话信号进行编码，然后对编码进行调制，再由 高码率的扩频码序列进行扩展。当接收端的手机接收到经过扩频的信号后，就要 在r a k e 接收机中分开和压缩频谱，这样代码不匹配的用户由于没有被压缩带宽 而成为噪声，从而被滤除掉。剩下的有用信号经解码后去交织成为9 6 k b s 数据 的信号。c d m a 技术是基于扩频技术的【2 j ，因此在c d m a 的通信中是使用的相 同频率，同一频率的c d m a 信号是靠各自携带不同随机码来区分的。所以在接收 端只能使用和发射端完全相同的高速伪随机码才能将接收到的宽带信号，还原成 窄带的信号【3 】，在这一过程中就实现了c d m a 的通信。由此可见，c d m a 网络手 机监听设备其实就是一部具有发射机完全相同的高速伪随机码的接收机。本文主 要介绍的就是接收机前端的频率源部分。 1 2车载监听系统终端对频率源的主要要求 技术的不断进步，现代战争中和侦查过程中，各种电子通信手段的广泛使用， 你能监听到信息的多少很大层面上取决于技术的优越性。通信、监听等系统都对 电子科技大学硕士学位论文 频率综合器提出了更多更高的要求。在监听上主要包括以下几个方面的要求： l 、精确的工作频率，更宽的频带带宽。 2 、频率源输出的谐波和杂波对监听器的监听能力有很大的影响，因此要求频 率源有高的频谱纯度。 3 、车辆上往往也有很多其它电子设备、供电电源、空间中电磁场的干扰和其 它原因引起的各种强烈的干扰，因此要求频率源具有很高的频率稳定度。 4 、由于车上能源的限制和空间的限制，要求频率源的能耗不能太高，体积不 能太大，要低功耗、小型化。 5 、要尽快锁定监听频段信号，所以要求变频时间短。 1 3课题介绍及内容安排 本课题来源于深圳某公司的“车载监听终端 项目，由本实验室和通信抗干 扰国家重点实验室共同设计完成。项目对所设计的射频端和数字基带部分都做出 了很高的要求，特别是在监听频率、信号相噪、信号杂散、灵敏度等指标方面， 这些指标对现代的监听设备都有很重要的现实意义，特别是对监听的效果有着直 接的影响。在该项目中，射频前端的方案设计和具体电路的实现都是由本教研室 承担，笔者在老师的指导下参与并完成了射频前端的软、硬件电路的设计，和其 他同学和人员一起完成了软硬件的调试工作。 本文论述的系统为车载监听终端系统射频前端的频综部分，该频率源具有低 相噪、低杂散和良好的抗干扰能力。车载监听终端系统有两路接收信道，因此频 率源也要产生相应的两路本振信号，两路接收信号的原理是一样的，两路信号的 不同点在于对不同频段的监听。 在论文的写作方面，全文安排如下： 第一章引言结合实际介绍了本课题的研究背景及其研究意义，并给出了车载 监听设备的原理及其要求。 第二章主要对常用的频率合成技术进行了详细的介绍和分析，并对发展趋势 做展望。主要针对在课题中要使用的直接数字频率合成技术( d d s ) 和锁相环技术 口l l ) 的功能做了重点的介绍。 2 第一章引言 第三章分析了项目中的各种指标，在满足各种指标的条件下，详细阐述了方案 的设计。 第四章对系统频率源的各个模块的硬件实现和调试过程做了一个详细的说明， 提出了所遇到的问题，并对系统进行了改进。 第五章展示了实际系统的测试结果，并对系统中存在的一些不足提出了改进 建议，对总的工作做了总结。 随着电子技术的发展，无线通信在人们的生活中占有越来越重要的位置。也对 侦查和国防在监听领域提出了越来越高的要求。最后结果显示，该频率源满足了 车载监听系统的各项指标。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章频率综合器理论 2 1 频率合成器简介及其发展趋势 起源于二十世纪三十年代初的频率合成技术，以及其形成的电子产品已经在 国防和民用方面都得到了广泛的应用，比如：空间通信、数字通信、导弹导航、 卫星定位等。在无线电技术和电子系统的各个方面都起着非常重要的作用。频率 合成技术在原理上就是用一个或者多个具有低相位噪声、高精度、以及高稳定度 等指标的参考频率源进行电路意义上的混频、倍频、或分频等处理，在数学意义 上就是进行相应的加、减、乘、除的四则运算【4 】，从而产生特定系统所需要的频 率，在一般情况下，系统都对新产生的信号有它自己具体的指标要求。可以毫不 夸张的说，一个系统频率源的性能在很大程度上就决定了一个通信系统的性能。 现在的一些先进的电子系统中，都是利用其频率或者相位来完成其功能，有些不 直接运用相位和频率信息，都必须在有高稳定频率源的前提下才能保证其功能的 完成。 当前的频率合成技术在不同的频段和性能指标要求下，主要有以下四种频率 合成技术【5 】f 6 】： ( 1 ) 直接频率合成( d s ) 本方法是直接运用倍频器、分频器、混频器等部件对一个或者几个晶振产生 的参考信号直接进行数学意义上的加减乘除四则运算，对于所产生的不需要的频 率则用滤波器进行滤除，通过滤波器的便是所需要的频率，这种方法是最早的频 率合成法。直接频率合成法又可以再为两类：非相干合成法和相干合成法。这两 种方法都有相同的优点：频率转换速度快、分辨率高、相噪低等。两者的缺点是： 所需硬件设备多，给调试带来很大困难，而且费用庞大，此法的输出频谱带有很 多寄生的干扰，而且寄生干扰的数量是与带宽成正比的。由于这些原理，此法已 经很少使用。 ( 2 ) 锁相频率合成( p l l ) 它是在直接频率合成之后出现的第二代频率合成技术。在大多数的锁相环中， 都含有压控振荡器、鉴相器这两个高频器件和环路滤波器。在锁相频率合成中， 4 第二章频率综合器理论 输出频率的频率稳定度与基准参考频率是一样的，并且压控振荡器的频率输出与 基准频率之间是保持严格比例关系的。还有一些锁相环可能还含有其它一些高频 器件，比如放大器、倍频器、混频器等。现在的一些锁相环还需要数字集成电路。 这些数字电路可以控制产生所需要的频率。锁相频率合成方法具有成本低、较宽 的频率输出范围、对寄生频率能很好的抑制、频谱纯度高和容易获得所需频率的 优点。其缺点限制了其使用范围，因为其频率转换时间长不易实现快速调频并且 它的输出信号相位噪声也是很严重的。单独使用锁相频率合成器实现高分辨率是 较困难的。与第一代频率合成技术相比，锁相频率合成技术的重点不是在于对组 合的频率如何抑制杂散，而是更在于对锁相环路信号的跟踪、相噪的指标、环路 的稳定性、以及它的捕捉性能上。 ( 3 ) 直接数字频率合成( d d s ) 直接数字频率合成器是一种全数字化的频率合成器。它由四部分组成：相位 累加器、波形r o m 、d a 转换器以及低通滤波器构成。当在参考频率给定后，其 输出频率就由频率控制字来决定，而频率分辨率就取决于累加器的位数，相位的 分辨率则取决于r o m 的地址线位数，r o m 的数据位字长和d a 转换器位数决 定了幅度量化噪声。d d s 的优点是很多的，比如，频率分辨率高、频率转换速度 快、输出相噪低等，因此在通信系统中得到了广泛的应用。d d s 也有它的不足之 处：输出频率低、杂散抑制能力不够高等。 ( 4 ) 综合的频率合成方法 以上三种频率合成方法，各有各的优缺点，因此在充分发挥各种方法优点的 基础上来组成频率合成。比如d d s 激励p l l 的频率合成方法就可以组成捷变频 的频率合成器。捷变频的频率合成器就应用了d d s 频率转换时间快和p l l 输出 频率高、频谱纯度高等优点。 虽然频率合成器有多种实现方法，不同原理或不同用处的频率合成器的具体 性能差别还是很大的【| 7 1 ，但对其性能有几个主要的指标：( 1 ) 频率范围：就是频 率合成器输出的最低频率到最高频率；( 2 ) 频率间隔：就是频率合成器输出两个 相邻频点的间隔；( 3 ) 频率转换时间：就是频率合成器的输出频率从一个频率转 换到另一个频率所需要的时间；( 4 ) 噪声：就是频率合成器输出频率的频谱纯度。 一般来说频率合成器的噪声有两类：一是相位噪声，二是寄生干扰。 现在的生产工艺和微电子技术不断进步，为频率合成器的快速发展提供了良 5 电子科技大学硕士学位论文 好的基础。目前有许多著名的厂商生产单片的锁相环，如d e v i c e s 、q u a l c o m m 、 a n a l o g 等。锁相环在消费电子、商用市场、军用领域的应用都是广泛的，如对旅 行者号宇宙飞船的跟踪、对汽车上的无线电进行调谐等等。现在大多数公司生产 的p l l 芯片不仅体积小，工作频率高，而且运用简单，其芯片都集成了p l l 的 大部分电子电路，只要在合理的外加一个v c o 和环路滤波器就可以构成一个功 能完整的锁相环了。并且公司还在互联网上为用户提供了大量的设计资料和参考 电路，以及一些仿真软件，这都大大减少了频率合成设计者的时间和工作强度。 随着g a a s 器件的发展【8 j ，为d d s 的发展打破了瓶颈，其输出带宽的限制越来越 低。但是d d s 的杂散是d d s 本身所具有的，所以以后d d s 的发展将把更多的注 意力放在如何抑制杂散上。 2 2d d s 工作原理及其相噪杂散分析 2 2 1d d s 基本组成及原理 直接数字频率合成( d d s - - d i g i t a ld i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 技术是一种全 数字化的频率合成方式【9 】，可以说是频率合成器的一次革命。在七十年代由 j o s e p h t i e r n e y 等三人提出，在当时由于技术条件的限制没受到重视，后来随 着数字集成电路的发展和微电子技术的进步，d d s 技术的优势才逐渐实现出来， 才越来越受到人们的重视。d d s 技术具有可输出任意波形、变频时间短、频率分 辨率高等优点，因此在线性调频、扩频和跳频等领域得到广泛的运用。图2 1 为 直接数字频率合成技术原理图，d d s 一般由以下几个模块组成【l o 】：相位累加器 ( p a ) 、波形存储器( r o m ) 、a 位相位寄存器、数模转换器( d a c ) 和低通滤 波器( l p f ) 。 图2 1 直接数字频率合成 6 第二章频率综合器理论 d d s 的工作原理是相位累加器在每一个时钟周期内与频率控制字进行一次 累加运算，在r o m 中将累加信息中的相位信息转变为相对应的数字化正弦幅度 值，然后再在数模转换器中把r o m 输出的数字化波形序列进行量化和转换为模 拟信号等操作，最后再由低通滤波器将数模转换器输出的阶梯序列经过平滑后得 到纯净的正弦信号。 假设一理想的单音信号s ( t ) ： s ( f ) = 厶c o s ( 2 万f i + 叻( 2 1 ) 在式2 1 中，可以看出该单音信号的初始相位在确定以后，其振幅是不随时 间而变动的，而是由相位来决定它的工作频率： y ( f ) = 2 玎。t ( 2 2 ) 在式2 2 中可以得出累加器中的累加相位信息叭f ) 与时间量t 是呈线性关系的。 d d s 的频率合成技术就是运用了这样的关系。在相位累加器未清零的一段时间 内，信号的构成与相位累加量成如下式的关系： 厂2ag 2 1 r t 。( 2 3 ) 相位累加器的增加速度是由频率控制字k 的大小决定的，模数2 为相位累 加器的增量基准( n 为相位累加器的位数) ，计数器在频率控制字k 的影响下， 它每收到一个时钟，就对存储数据加1 。当d d s 中的相位累加器，其累加数值大 于2 时，累加器就会对最高位进行溢出，其后剩余的n 位就保留，在数学上就 相当于进行了一次2 的模运算，所以d d s 输出频率为t 矿 厶= 翕z 0 k 2 - 1 ( 2 q 二 2 2 2d d s 相位噪声分析 d d s 输出的线性扫频信号可以由下式表述： 六= 彳+ 拿f + z 。) ( 2 5 ) 其中，z 为扫频信号的初始频率，b 为扫频带宽，t 为扫频时间( 扫频脉宽) 。 从d d s 的工作原理可以知道【l l 】，d d s 对参考时钟是按照一定的分频比来进 行处理的，因此d d s 也被认为是一种分频系统，也就决定了d d s 的输出频率一 定是小于参考时钟频率的。d d s 是个分频器，那按照理论其输出信号的相位噪声 7 电子科技大学硕士学位论文 应该有2 0 1 9 ( f c f o u t ) d b 的改善，可是在实际中，情况却不是这样的，还必须考虑 到d d s 中其它的部件对d d s 输出信号相噪的影响。大体上来说，对d d s 输出信 号相噪的影响因素有以下主要两种1 2 】： ( 1 ) 参考时钟相噪的影响 输出信号的相位会由于参考时钟信号谐波的影响而出现随机起伏，导致信号 正负半周的不对称，直流电平产生偏移，偶次谐波对其的影响尤其的明显。 ( 2 ) d a c 数模转换中有限的量化位和r o m 查询表 这种原因的噪声其平均值为零，而且其分布范围是在最小有效比特范围内的。 因此可以通过增加其量化位数来减小它对信号的影响。 从以上分析可以看出，要改善d d s 输出信号的相噪指标，在选用d d s 参考 时钟信号时就应该选用性能优越的d d s 芯片，同时合理的电路板图布局和器件分 布也是很重要的，也要注意要符合电磁兼容的准则。 2 2 3d d s 杂散分析 d d s 的杂散抑制能力不强是它最大的不足，d d s 杂散的来源是多种多样的， 但总的来说主要有三个来源：相位截断误差；幅度量化误差；d a c 转换误差。在 设计本课题的监听设备频率源时是要求低杂散的，因此本节内容对在理想状况下 d d s 频谱和杂散的分析，将为系统设计提供理论依据。 先对d d s 在理想状态下的频谱特性进行分析，理想状态下的d d s 必须满足 三个条件【1 3 】：1 当相位累加器的二进制相位值在波形存储器中存储的时候位数不 变，也就是未进行压缩存储，不存在相位截断误差；2 波形存储器( r o m ) 中的 幅度值有无限长的位数，即在幅度量化过程中无量化误差；3 d a c 具有理想的数 模转换特性，也就是d a c 的分辨率为无穷大。 理想状态下d d s 系统冲激响应为： h ( t ) = 船巍铒( 2 - 6 ) 其低通滤波器接收到的信号为： - ftftff s = 一j z s a 哔万) e x p ( - j 竿j r ) 8 ( 2 z f + 2 z f o 一2 z l f , ) 8 第二章频率综合器理论 批主立正毒丝功e x p ( - j 垒号量力8 ( 2 x f + 2 砜一2 碱) ( 2 - 7 ) - , = - - jcjc 丘由参考时钟提供的抽样频率，厶是d d s 最终输出信号频率。由上式可见， 在满足理想条件下的d d s 其输出频率只会在k 以f o 的位置存在( 1 【为非负整数) 。 当k 为零的时候就为所需要的信号，它的功率是最大的，其它信号的频谱如图2 2 ： 1 - - -n y q u l 或b ln d 撕d 氆 、 s 两( x 戢e 醐l i o p e 、 厂 、 ，一一_ 、 、 、 ，、 、：， 、，一一一 、 ，。 ， 、 i ， ， ， n t 土t 占t4 1 上f 3 去t 裟； 飙裟巩麓 翁纛 图2 - 2d d s 输出频谱图 由奈奎斯特采样定理知道，被采样信号带宽的二分之一必须要小于采样信 号频率，这样才可以有效的恢复原始信号。z 一石处的镜像频率输出杂散是非常 大的，为了有效的避免镜像频率的输出，一般把d d s 的输出频率定在五的 3 0 o o 。所以当采样频率超过两倍被采样信号的频率时，是没有新的频点在 t z 的频带内出现的。可以得出h ( t ) 的频谱日( 厂) 为： 日( 厂) = 乏s a ( x f r 。) e 一7 矾( 2 - 8 ) 式中s a ( x ) = s i n ( x ) x 。在理想状态下d d s 中的d a c 只改变输出信号频谱的 幅度和相位，并不会带来新的频点，可见此时d d s 输出信号在0 j 么内无杂散。 9 电子科技大学硕士学位论文 以上对d d s 杂散的分析都是基于理想状态下的，实际的d d s 并不能满足那三个 条件，所以实际工程中的d d s 输出总是含有杂散频谱的。下面就对影响d d s 输 出杂散的三个主要原因进行分析【1 4 】： ( 1 ) d d s 相位截断产生的杂散 d d s 有个很重要的优点就是高分辨率，而高的分辨率所选择的相位累加器其 位数n 就要比较大。n 值越大，供相位累加器输出查询的正弦函数表就越大，这 就会导致正弦表的容量很大。比如，a d i 公司的a d 9 9 5 8 这款d d s 芯片，其相位 累加器位数为n = 3 2 位，正弦表的宽度为1 5 b i t ，如果r o m 要存储全部的信息， 则其容量为6 4 4 2 4 5 m b i t ，而如此巨大的r o m 表容量在实际中是很难实现的。在 实际的d d s 设计中，就用相位截断的方法来解决容量的问题。例如，a d 9 9 5 8 的 相位截断位数为1 7 位，取相位累加器高1 5 位用来查表。此时就使得查表的相位 值产生误差，即相位截断杂散，这也是d d s 杂散的主要来源。d d s 输出的信号 一般是正弦周期信号，因此它的相位截断误差具有很明显的周期性，这就引入了 一个周期性的相位截断误差，其表现就是输出信号有一定数量的谐波分量，也就 是杂散信号。 当相位累加器输出地址线高的m 位被r o m 地址线取出，而且舍去低的b ( b - n 。m ) 位时，输出信号为： s ( n ) = s i n ( 2 加m o d ( k - n , 2 占) 知 ( 2 - 9 ) 取模运算后，上式也可以等效为： s ( n ) ：s i n ( 2 7 r k n - q a c o l ，输出的差频信号不在环路滤波器的通带内，因此衰减较大， 但不是完全消除，对v c o 产生的频差幅度为： 吃= 纪一缉= 4 4 ( q ) 磁( 2 - 3 4 ) 频差不在快捕带内，所以不能快速的捕获，捕获过程如图2 4 所示。 以上对系统的捕获过程进行了定性的分析，详细的数学推导在此不做介绍。 从以上的分析可以对捕获的过程做个归纳。1 二阶环路的捕获过程其实就是频率 牵引和快捕这两个过程。快捕的时间是比较短的，一般来说是跟瞬态响应的建立 时间相等。频率牵引所花的时间要长得多，因此一般说的捕捉时间指的是频率牵 引时间；2 滤波器是二阶环频率牵引的发起者，它主要是对差拍信号中的高频成 分进行衰减。还有就是对差拍信号中的直流分量进行积分，积分的结果是不断的 对v c o 进行频率牵引，然后进行快捕。表2 1 给出了三阶环的捕获带和捕获时间 的计算方法。 1 8 第二章频率综合器理论 y 轴 3 月r 2 石 霈 0 暴 扣 霹 一 锡 以( 彳矿) 碑 图2 4 捕获过程示意图 表2 1 捕获带和捕获时间计算表 魄最大快捕时间哆乃 2 勉 5 簖 k 她 2 他3 2 3 4 锁相环的噪声 1 9 电子科技大学硕士学位论文 在前两节中，都是对锁相环的信号进行分析，而在分析的过程中，没有考虑 系统所产生的噪声。在实际的运用中，系统环路是会产生噪声的。比如，鉴相器、 环路滤波器、压控振荡器等等。用图2 5 来建立锁相环系统的噪声。 图2 - 5 锁相环噪声示意图 其中m 是参考频率器件所带来的噪声、鉴相器产生的噪声由p d 来表示、滤 波器或者放大器的噪声为札”m 和分别为振荡器和分频器产生的噪声。锁 相环在不同的应用中，其产生的噪声和干扰是不一样的。比如在通信设计的电路 中，p l l 的主要用途是频率合成、锁相鉴频、载波等。在这些当中，主要考虑的 是输入相加噪声对输出信号质量的影响。要在分析中把所有的噪声考虑完是很困 难的，在以下的分析中，将以频率合成器为例来分析锁定时线性状态的一些结论。 _ 般来说，考虑频率合成器的两类噪声 2 4 1 ：一是和输入信号一起进入系统的输入 噪声；二是由压控振荡器自身所产生的噪声输出。将在本节中讨论这些噪声在环 路中的影响。 首先是环路对输入噪声的“低通 特性，带有输入噪声的信号可以表示为： q o ) = c o s ( o ) ，t + ) ( 2 3 5 ) 公式中的为输入的随机相位噪声，对于随机的相位噪声只能用功率谱密度 矿) 来表示。把该相位噪声通过环路滤波后输入到v c o ，就有随机的相位噪声 输出，因此锁定时的v c o 输出可由下式来表示： v o ( t ) = s i n ( o g r t + q ，o ) ( 2 3 6 ) 由定义可知环路的传递函数为日u q ) = ，所以相位噪声的功率谱函数 可以表示为： = 1 日u 2 ) 1 2 ( 2 3 7 ) 2 0 第二章频率综合器理论 1 日u 2 刀州2 为功率传输函数。如果输入相噪为白噪声，也就是为常数， 这样的话可用以下的公式来表示环路输出噪声的均方值： 瓦= j 1 日( ，2 州2 s l u ) 矿= 啊卫日u 2 玎) 1 2 妒 ( 2 3 8 ) 用吃来表示卫日( ，埘) 1 2 妒。这时就把吃叫做环路等效单边带宽。吃能够很 o 好的反应环路对噪声的滤除作用，吃越小，滤除效果越好。 现在对v c o 噪声的“高通”特性进行讨论。用下面的图来分析v c o 的相位 噪声是如何在环路中传输的。 图2 6噪声传递示意图 v c o 的噪声是和输入噪声相互独立的。为了分析方便假设 - 0 ，因此可以 得到以下的表达式： ( p ) ：纯y o ) 一( 4 4 4 ( p ) 垆l 肋) ( 2 3 9 ) ) = 怒= i 函p 面 。) 纥y l p jp + 匀以锋【p ， 由此可以得出环路对v c o 的噪声是呈现高通特性的。环路对输入噪声呈现 低通特性，而对v c o 的噪声呈现高通特性。一般来说频率合成器的输入参考信 号的相位噪声都比较小，又在系统中经过分频，因此对系统的影响较小。所以环 路的噪声主要来自于v c o 的噪声。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 3 1项目介绍 第三章系统方案设计 本课题设计的频率源主要是为车载监听系统提供本振信号。高质量的频率源 能保障整个系统指标更好地实现。因此在关注信号源指标的同时也要关注射频前 端的指标要求。 3 1 1系统功能介绍 图3 1 系统功能图 本课题为车载监听系统，能够对所需的频段信号进行监听，并能够准确快速 第三章系统方案设计 地锁定新的频段。图3 1 为系统的简化框图。该系统主要是对前后信道的各七个 频点进行监听。当要监听前向信道的某一个频点时，数字基带部分先向控制单元 发出相应指令，控制单元在接收到指令后先后向d d s 、p l l 发出控制指令，控制 频率源输出所需要的频率。p l l 输出本振信号与接收信号进行混频，得到 6 9 9 9 m h z 的中频信号，然后在信道中进行滤波和放大，提供给数字基带部分。 频率源部分主要为需监听的频点提供本振信号，使其下变频到6 9 9 9 m h z 。因此 可以看到整个射频部分的信号质量和本振信号的质量是有很大关系的。如果本振 部分的信号相噪、杂散指标很差的话，就会使射频部分接收后的中频信号达不到 数字基带部分的指标要求，从而影响到监听质量。因此，要想设计出良好的监听 系统，一个高质量的频率源是必需的。 3 1 2车载射频前端系统频率合成器指标 这是射频前端的，也就是接收到的信号经下变频为中频6 9 9 9 m h z ，经信道 处理后要达到的指标。这些指标的完成，是受信号源质量影响的。 一、前向接收指标 1 、输入频率： 7 个中心频点8 0 2 1 l m h z 、8 0 3 3 4 m h z 、8 0 4 5 7 m h z 、8 0 5 8 0 m h z 、8 0 7 0 3 m h z 、 8 0 8 2 6 m 时z 、8 0 9 4 9 2 、与混频器混频后输出频率： 中心频率6 9 9 9 m h ，l d b 带宽2 m h z 3 、接受信号增益 输入信号电平1 2 0 d b m 3 0 d b m ，增益3 0 d b , - , 6 0 d b ，带内增益平坦度 l d b ， 增益步长l d b ，增益调节误差 l d b 4 、相位噪声边带频谱 - 6 0 d b e i - i z l k h z - 7 0 d b e h z 10 k h z 5 5 ( 1 b 二、反向接收指标 1 、接收频率： 7 个中心频点7 5 7 1 l m h z 、7 5 8 3 4 m h z 、7 5 9 5 7 m h z 、7 6 0 8 0 m i - i z 、7 6 2 0 3 m h z 、 7 6 3 2 6 n 旺i z 、7 6 4 4 9 m z 2 、与混频器混频后输出频率： 中心频率6 9 9 9 1 v l h ，l d b 带宽2 m h z 3 、接受信号增益 输入信号电平1 2 0 d b m 3 0 d b m ，增益3 0 d b , - , 6 0 d b ，带内增益平坦度 l d b ， 增益步长l d b ，增益调节误差 l d b 4 、相位噪声边带频谱 - 6 0 d b e h z l k h z - 7 0 d b c h z 10 k h z 5 5 d b 整个系统和频率合成器的工作温度为：- 4 5 0 c + 8 5 d c 。 2 4 第三章系统方案设计 3 2方案设计 3 2 1方案介绍 本课题来源于深圳某公司的“车载监听终端”项目，由本实验室和通信抗干 扰国家重点实验室共同负责车载监听终端的设计。项目于2 0 0 9 年1 1 月底完成， 历时一年，最终交付了1 5 套成品。本文主要讨论的是其中频率源部分的设计和实 现。最终为车载监听终端前端提供了低相噪、低杂散、具有快速频率转换特性的 频率合成器的设计以及软硬件实现，为前端系统最后达到指标提供了优良的频率 源。从前章对d d s 原理的分析知道，d d s 具有频率分辨率高、变频时间快、相 噪好等优点。但是由于是纯数字系统，所以其自身存在着输出杂散差的不足之处， d d s 芯片也存在输出频率不高的缺陷，很难满足对本振频率的要求。而另外一种 频率合成技术，锁相环频率合成技术，这种技术的优点是能输出高的频率、输出 频率的范围宽、而且频谱纯度很高等。但是自身也有不足的地方，它是个相位负 反馈系统，所以它的频率转换速度低，如果单独使用，其缺陷是频率组合单一， 不利于实际工作的调试。在设计一个系统时要从器件的综合性能考虑，要为系统 最后的完成提供支持。如果把d d s 和p l l 综合起来运用，就可以把两种器件的 优势得以施展，其各自的不足之处也可以得到一定的弥补。因此在设计频率综合 器时就选择的是用d d s 和p l l 组合。下面将对d d s 和p l l 的一些组合方案进 行讨论拉引。 ( 1 ) d d s 驱动p l l 频率合成方案 乞 图3 - 2d d s 激励p l l 示意图 这种方案的具体原理框图如图3 2 所示，在本示例图中是用单片机来控制 2 5 电子科技大学硕士学位论文 d d s 和p l l 。锁相环的倍频作用，提高了系统的输出频率。参考频率和倍频倍数 的多种组合，实现了系统的多频段输出。 从上面的分析可以知道，在此系统中要想提高p l l 的切换速度就要提高p l l 的鉴相频率。d d s 的高分辨率是小频率步进的保证。在对p l l 原理分析的章节 中，知道p l l 也有一定的滤波器特性，所以它对d d s 输出中的部分杂散也有一 定的抑制作用。从这些方面来看，这种方案很好地利用了d d s 和p l l 的优势， 也弥补了各自的不足。该方案实现的频率合成器有以下这些特性：高频率输出、 较快的频率切换速度、较高的频率分辨率。同时输出信号的杂散和相位噪声也能 得到较好的质量。按上面的器件组合方式，可以得出此频率合成器的输出频率和 频率分辨率分别为： = 乃) = 关丘( 3 - 1 ) 筑妯= f c 云 ( 3 2 ) 二- 、 在公式中p l l 的分频比用n 表示、预分频比用r 表示、d d s 的频率控制字 用k 表示。 在这个系统中，系统的频率转换时间是由锁相环决定的，而锁相环的频率转 换时间与环路滤波器带宽的关系为，环路带宽越宽，频率转换时间越短。而带宽 越宽对杂散的抑制能力就越弱，要想获得好的杂散指标，就要求环路带宽要足够 窄。因此在设计中要综合地考虑这对矛盾。这个系统的一个优点是所用器件较少， 结构比较简单，因此在对频率转换时间要求不高，而对系统体积有要求时，这是 个较好的选择。这个方案的设计比较中庸，它不会导致一些指标很好，而另一些 指标很差。 ( 2 ) 环外混频式d d