（电路与系统专业论文）4～8ghz宽带dds锁相扫频源的研制.pdf

电子科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h e s u b j e c t d e r i v e sf r o mt h e p r o j e c t o f4 8 g h z s p e c t r u m a n a l y z e r ”，w h i c hi s c o l l a b o r a t e dw i t h ! i 垦塾i 廷圣h q 塾g ) 也墨堕i 塾l ! 旦! 塾曼旦! 垦丑亟 g 女i p 坠n ! ! 望。a n du e s t c ( 堕坠i y i ! yq l 基! q ! q n i s i 塾a 丑亟 ! h 旦q ! q g yq h i 塾a ) u n d e r t a k et h e4 - 8 g h zw i d e b a n ds w e e ps o u r c ei n t h i s p r o j e c t t h ei n t e g r a t i v ef r e q u e n c ys y n t h e s i s t e c h n o l o g y o f d d s + p l l + d o u b e r + m i x e ri s a d o p t e di nt h ef i n a ls c h e m e t h es c h e m ei s i n n o v a t i v ea n d o r i g i n a l n o t o n l y i nt h e t e c h n o l o g y b u ta l s oi ns o m e m o d u l ec i r c u i t t h eh y b r i df r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y d d s _ 。p l lu s e di nt h e s u b j e c th a v em a n ya d v a n t a g e s u s i n gt h i sm e t h o d ，t h em e r i t so fd d ss u c h a s s u p e r f i n e f r e q u e n c y r e s o l u t i o n 、h i g hf r e q u e n c ya c c u r a c y 、e a s y p r o g r a m m e d c a nb ei nc o m b i n a t i o nw i t ht h e e x c e l l e n tc h a r a c t e ro f n a r r o w b a n dt r a c i n gf i l t e rm e r i t so fp l l t h e r e b y ，t h ew i d e b a n ds w e e p f u n c t i o na n ds p e c i f i c a t i o no ft h es y s t e mc a nb er e a l i z e d t h ep r i n c i p l eo fs w e e ps o u r c ei si n t r o d u c e da tf i r s ti nt h i s p a p e r s u b s e q u e n t l y ，t h e b a s i c t h e o r ya n ds o m eq u e s t i o na b o u tt h ec o n c r e t e d e s i g no f t h es y s t e mo nf r e q u e n c ys y n t h e s i s 、p l l 、d d s 、d d s 手p l la r e d i s c u s s e d a n dt h e ns o m ec o n t e n t sa b o u tm i c r o w a v es o l i d s t a t es o u r c e w h i c hi sr e l a t e dt ot h es u b j e c ta r e i n t r o d u c e d a t 】a s t ，t h es c h e m eo f s u b j e c t ，t h ef u n c t i o n a lr e a l i z a t i o no fe a c hm o d u l e ，s o m eq u e s t i o n sw h i c h m u s tb ep a ym u c ha t t e n t i o ni nt h es y s t e md e s i g n ，a n dt h eu l t i m a t et e s t i n g r e s u l to ft h i ss u b j e c ti sr e p r e s e n t e da n da n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d s ： s w e e ps o u r c e w i d e b a n d4 8 g h z f r e q u e n c ys y n t h e s i s p l ld d sd d s + p l l m i e r o w a v es o l i d - s t a t es o u r c em o d u l e i i 电子科技大学硕士学位论文4 - - 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源的研制 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：垫墨鱼眺2 嗽年3 月4 日 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：塾。墨垒，导师签名：兰益垡 e t 期：2 0 0 2 年3 月4 日 电子科技大学硕士学位论文序言 序言 扫频信号源简称扫频源又叫扫频信号发生器，它是扫频测量系统 的心脏，广泛用于扫频仪、标量及矢量网络分析仪、六端口微波网络 分析仪、频谱分析仪等现代测试仪器以及高精度测距雷达、精确制导 雷达、宇航、导航、电子对抗、扩频通信等现代军事国防与民用生产 中。扫频信号源技术是在扫频测量技术的不断要求与推动以及现代微 电子技术、计算机技术、雷达通信技术、频率合成技术等综合学科的 促进下而向前发展的。在上个世纪五十年代扫频测量技术出现以后， 最早的测量装置所使用的扫频方式是机械扫频，用一个小马达带动振 荡器振荡回路中可变电容器或带动机械调谐的速调管，以改变振荡器 的振荡频率而实现扫频。到了六十年代则以铁氧体磁调制扫频为主， 而在微波扫频测量中，则是电压调谐的返波管取代了机械调谐的速调 管。七十年代初期，扫频方式已转向变容二极管扫频，出现了固态微 波扫频信号源。返波管因其使用寿命有限，已经很少采用。现在扫频 信号源所使用的扫频方式基本上是变容管扫频和高导磁率的y i g 小球 磁扫频，其中又以y i g 具有超宽带、线性好等优点而获得了广泛应用。 本课题一4 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源一一来源于与天津中 源仪器设备公司的合作项目：4 8 g h z 频谱分析仪，电子科技大学负 责其中的4 8 g h z 宽带扫频源部分，该课题的最终用途是由此宽带d d s 锁相扫频源研制出4 8 g h z 的频谱分析仪以便占领国内频谱分析仪的 中低端市场。 课题的最终实现方案采用了d d s + p l l + 倍频+ 混频等综合频率 合成技术，该方案将d d s 的超高频率分辨率、高频率精确度、容易实 现程控等优点与锁相环良好的窄带跟踪滤波特性相结合，从而实现系 统所要求的宽带扫频功能及相应的技术指标。此外考虑到本课题的功 能电路与相关部件较多，为了便于研制期间的调试与公司最终成品的 产业化，所以系统的最后实现采用了模块化的思想，即先把各个相关 的电路与部件做成相互独立的分离模块，而系统的功能则是通过各模 块问的级联来完成的。该方案不论是在技术上还是在一些具体模块电 路的实现上都具有一定的创新与独到之处。最后的测试结果也证明了 该方案在实践中是切实可行的。 分析课题最终的实施方案：其结合了低频、高频、微波，数字、 模拟等综合电子学科技术，同时根据在实际系统中的调试情况发现， 电子科技大学硕士学位论文序言 该课题存在如下技术难点： 9 7 1 0 6 7 m h z ( 1 0 、u 、2 0 ) 梳状谱发生器与谐波混频器 功能与指标的实现。 d d s 输出频段中杂散指标的提高。 d d s 、1 2 0 m h z 晶振下混频及其滤波模块中杂散指标的提高。 4 8 g h z 定向耦合、四分频及匹配调试。 谐波混频时可能造成假锁。 宽频带范围内点频扫频时需要保证p l l 快速入锁。 温度对y t o 振荡频率带来的频率漂移将可能造成失锁现象。 各个高频l c 滤波器的设计与调试。 最终输出频谱的杂散与相噪指标的提高。 这些难点要在实际的系统电路设计中采取优化并进行精心调试才 能得到解决。课题的研究是在电子科技大学成都赛英科技有限公司内 进行的，公司具有先进齐全的高频与微波试验设备，如：m s 7 10 a 频 谱分析仪、h p 8 6 5 7 d 高频信号源、h p 8 5 1 0 b 网络分析仪、h p 8 5 1 4 bs 参数测试仪等，同时公司聘请的教授及高级工程师多人均具有丰富的 射频电路设计与调试经验。所有这些均促成了该课题的最终完成。 在整个课题的实施过程中，作者的主要工作有： 1 1 根据课题提出的功能与技术指标要求对系统进行整体规划和设计。 2 、对系统功能的实现采用模块化的思想并详细划分各个模块的功能。 3 1 对系统各功能模块进行深入分析和理解。并就课题所采用的方案对 系统整体构架与各个模块功能的实现进行详尽的讨论、研究，之后 设计出各功能模块的电路及其相关l c 滤波器。 4 1 熟悉所选择的各集成电路芯片并完成具体电路的设计、p c b 板布局 与模块结构设计。然后精心调试各模块电路，最终实现系统功能与 指标。 5 1 根掘经验提出了实际系统设计与调试中应该着重注意与必须考虑 到的问题，同时给出解决方案。 6 1 提出了用于高频l c 滤波器的“超预畸设计”思想。 7 、对系统最终指标及工作参数进行测量，并进行分析，根据存在的问 题提出改进方法与思路。 电子科技大学硕士学位论文第章扫频信号源简介 第一章扫频信号源简介 1 1扫频信号源的技术指标及其分类 1 1 1扫频信号源的技术指标要求 扫频信号源简称扫频源又叫扫频信号发生器，它除了具有一般频 率源的基本要求例如频率、幅度、源阻抗、稳定性及不希望的调制特 性等外，还必须满足如下几个主要技术要求： 1 在预定的频带内有足够大的输出功率，以便有较大的动态调整范 围； 2 要求有最低的寄生振荡信号和不需要的谐波输出，以减少测量的误 差； 3 为了进行精确的点频测量和窄带测量必须使扫频瞬时振荡频率稳 定，必要时应加稳频措施： 4 扫频信号的中心频率范围应足够宽，并可以任意调节，以适用于各 种不同的测量对象。频率偏移的范围( 频偏) 越宽越好，且可以任意 调节，以满足不同测量对象在测试中对频偏的要求； 5 扫细线性要求良好。扫频线性是指扫频信号频率的变化规律和预定 的扫频规律之间的吻合程度： 6 有良好的扫频控制功能。包括起止扫频、中心频率可任意调整的 f 扫频、不同的扫描方式、可变的扫描速度、歇标、稳幅和调制 等各种工作方式，这就要求扫频信号源具有可程控接口，这一点随 着现代测试仪器向高度智能化方向发展就显得越来越重要。 1 1 2 常用扫频信号源 扫频信号源根据产生扫频的方式不同可分为直接扫频和差频扫频 两种。在低频时利用函数发生器便可产生直接扫频信号。此外，利用 各种电抗元件的谐振特性也可实现直接扫频。差频扫频常用于扫频输 出频率高以及相对频率覆盖比比较大的场合。常用扫频信号源按照扫 频振荡器不同来区分有如下几种： 1 1 2 1变容二极管扫频信号源 将变容二极管接入振荡器的振荡回路后，随着变容二极管上所加 反向电压的变化，振荡器的振荡频率办发生相应变化。因此，变容二 极管扫频振荡器也就是压控振荡器( v c o ) 。如果在变容二极管上加一周 期性的扫频信号，则振荡器的振荡频率将随扫描信号作周期性变化从 电子科技大学硕士学位论文第章扫频信号源简介 第一章扫频信号源简介 1 1扫频信号源的技术指标及其分类 1 1 1扫频信号源的技术指标要求 扫频信号源简称扫频源又叫扫频信号发生器，它除了具有一般频 率源的基本要求例如频率、幅度、源阻抗、稳定性及不希望的调制特 性等外，还必须满足如下几个主要技术要求： 1 在预定的频带内有足够大的输出功率，以便有较大的动态调整范 围； 2 要求有最低的寄生振荡信号和不需要的谐波输出，以减少测量的误 差； 3 为了进行精确的点频测量和窄带测量必须使扫频瞬时振荡频率稳 定，必要时应加稳频措施： 4 扫频信号的中心频率范围应足够宽，并可以任意调节，以适用于各 种不同的测量对象。频率偏移的范围( 频偏) 越宽越好，且可以任意 调节，以满足不同测量对象在测试中对频偏的要求； 5 扫细线性要求良好。扫频线性是指扫频信号频率的变化规律和预定 的扫频规律之间的吻合程度： 6 有良好的扫频控制功能。包括起止扫频、中心频率可任意调整的 f 扫频、不同的扫描方式、可变的扫描速度、歇标、稳幅和调制 等各种工作方式，这就要求扫频信号源具有可程控接口，这一点随 着现代测试仪器向高度智能化方向发展就显得越来越重要。 1 1 2 常用扫频信号源 扫频信号源根据产生扫频的方式不同可分为直接扫频和差频扫频 两种。在低频时利用函数发生器便可产生直接扫频信号。此外，利用 各种电抗元件的谐振特性也可实现直接扫频。差频扫频常用于扫频输 出频率高以及相对频率覆盖比比较大的场合。常用扫频信号源按照扫 频振荡器不同来区分有如下几种： 1 1 2 1变容二极管扫频信号源 将变容二极管接入振荡器的振荡回路后，随着变容二极管上所加 反向电压的变化，振荡器的振荡频率办发生相应变化。因此，变容二 极管扫频振荡器也就是压控振荡器( v c o ) 。如果在变容二极管上加一周 期性的扫频信号，则振荡器的振荡频率将随扫描信号作周期性变化从 电子科技大学硕士学位论文第一章扫频信号源简介 而实现扫频。利用变容管来产生的扫频信号源常用于高频频段，直到 微波频段，其优点是实现简单、输出功率适中及扫频速度快等，因而 得到了广泛的应用，但是其缺点是扫频宽度小于1 个倍频程，特别是 宽带扫频时线性不太理想，需要增加扫频线性校j 下电路。 1 1 2 2 磁调电感扫频信号源 磁调电感是利用铁磁物质作磁芯的电感，在不同的磁场强度下， 由于其导磁率不同而产生了电感的变化。由磁调电感产生的扫频振荡 早期常用于高频频段，其特点是实现简单，但扫频线性较差，很难做 到一个倍频程，特别是稳定性较差。故在现代的扫频源设计与生产中， 这种扫频技术已逐渐趋于淘汰。 1 1 2 3 返波管扫频信号源 返波管是一种超高频电子束器件，它能产生超高频正弦振荡，其 振荡频率可在很宽的范围内调节，频率覆盖范围般可达一个倍频程， 甚至有的返被管可达五个倍频程。返波管基本上应用在微波频段，工 作频率从几g h z 到十几g b z ，其优点是输出功率可以做得较大，般在 1 0 m w 以上。 1 1 2 4固态扫频信号源y i g 磁调谐扫频信号源 y i g 是一种铁氧体材料一一亿铁石榴石( y t t r i u mi f o ng a r n e t 简 称y i g ) 的英文缩写。利用y i g 的扫频振荡器与其它扫频振荡器相比 较具有如下优点： 1 扫频宽度宽，可达几个倍频程。 2 扫频线性好，无需任何线性化措施即可达到优于0 5 的扫频线性。 3 由于y i g 磁调谐振荡器是一种无源器件，因而耗能小、寿命长、可 靠性高。 因此，以y i g 扫频振荡器为主振荡器的固态扫频信号源，可以用 一机多插件的结构来覆盖极宽的频率范围。例如美国h p 公司的 h p 8 3 5 0 a 扫频信号源，采用低频差频、高端倍频的方法，一机连续覆 盖了1 0 m h z 2 6 5 g h z 的全部频段，另外，h p 8 3 5 0 b 型微波扫频源也 采用了3 0 多个高频插件，覆盖频率为1o m h z 4 0 g h z 。再如美国安立 公司( a n r i t s uc o r p o r a t i o n ) 生产的6 9 3 9 7 b 合成扫频信号发生器单个 同轴输出频率的覆盖范围可达0 1h z 至6 5 g h z 的超宽频段。国内信息 产业部电子第四十一研究所生产的a v l 4 8 3 型宽带微波合成扫频信号 电子科技大学硕士学位论文第一章扫频信号源简介 发生器的生产频率范围也可以达到0 0 1 h z 4 0 g h z 。总之，在现代先进 的扫频测量装置中，特别是微波段的扫频测量仪器罩，y i g 扫频振荡 器获得了广泛地应用。y i g 扫频振荡器的不足之处在于扫描速度较慢。 此外，因为y i g 属于电流型器件，故而工作温度的变化以及电路中任 何电流性干扰均会恶化振荡器的输出频谱。y i g 的这一特性在实际的 系统设计中必须加以考虑。 1 2 微波扫频信号源基本原理 由于作者所研制的扫频信号源工作频率为4 8 g h z ，属于微波c 波段，故下面将简要介绍一下微波扫频信号源的基本原理。 图1 1 微波扫频信号源基本框图 微波扫频信号源的基本原理框图如图卜l 所示。它主要由宽带调 频振荡器、扫描电压控制电路、频标产生和稳幅反馈环路( a l c ) 等几部 分组成，当系统不加入混频与本振电路时，扫频振荡器的信号厂i 正 经滤波器、宽带放大器和输出衰减器直接输出；当接人混频与本振电 路时，由混频器将频率 向上或向下扩展，以展宽扫频信号源的输 出频率覆盖范围。 扫描信号发生器产生基准扫频信号，一路驱动扫频振荡器，产生 的扫频输山，另一路驱动显示器的x 轴，由于两路信号同步，因 此显示器的x 轴变换为频率轴，再用频标电路产生的频率标志便可以 进行频率刻度。 扫频振荡器是扫频信号产生的核心部件，在微波波段常用的扫频 振荡器有变容二极管电调振荡器、返波管电调振荡器和y i g 电调振荡 器等几种。变容二极管电调振荡器的调频范围一般小于2 ：1 ，除非外加 电子科技大学硕士学位论文第一章扫频信号源简介 发生器的生产频率范围也可以达到0 0 1 h z 4 0 g h z 。总之，在现代先进 的扫频测量装置中，特别是微波段的扫频测量仪器罩，y i g 扫频振荡 器获得了广泛地应用。y i g 扫频振荡器的不足之处在于扫描速度较慢。 此外，因为y i g 属于电流型器件，故而工作温度的变化以及电路中任 何电流性干扰均会恶化振荡器的输出频谱。y i g 的这一特性在实际的 系统设计中必须加以考虑。 1 2 微波扫频信号源基本原理 由于作者所研制的扫频信号源工作频率为4 8 g h z ，属于微波c 波段，故下面将简要介绍一下微波扫频信号源的基本原理。 图1 1 微波扫频信号源基本框图 微波扫频信号源的基本原理框图如图卜l 所示。它主要由宽带调 频振荡器、扫描电压控制电路、频标产生和稳幅反馈环路( a l c ) 等几部 分组成，当系统不加入混频与本振电路时，扫频振荡器的信号厂i 正 经滤波器、宽带放大器和输出衰减器直接输出；当接人混频与本振电 路时，由混频器将频率 向上或向下扩展，以展宽扫频信号源的输 出频率覆盖范围。 扫描信号发生器产生基准扫频信号，一路驱动扫频振荡器，产生 的扫频输山，另一路驱动显示器的x 轴，由于两路信号同步，因 此显示器的x 轴变换为频率轴，再用频标电路产生的频率标志便可以 进行频率刻度。 扫频振荡器是扫频信号产生的核心部件，在微波波段常用的扫频 振荡器有变容二极管电调振荡器、返波管电调振荡器和y i g 电调振荡 器等几种。变容二极管电调振荡器的调频范围一般小于2 ：1 ，除非外加 电子科技大学硕士学位论文第一章扫频信号源简介 线性补偿电路，它的线性调谐范围较窄。y i g 振荡器的调谐范围很宽， 可达到1 0 ：1 ，且调谐的线性度好，在实际中振荡器的扫频范围一般为 一个倍频程或一个波导频段，因此应用较多。返波管振荡器的电调范 围一船都在2 ：l 左右，其优点是输出频率较高，输出功率也可以很高。 目前返波管振荡器的工作频率可从1 g h z 到4 0 0 h z 其至可达到1 1 0 g h z ， 但返波管振荡器的输出功率在扫频带宽内变化很大，最大变化可到 lo d b ，其至更大，因此需要加稳幅措施，而且需要高压，故在一般的 应用场合逐渐被y i g 扫频振荡器所代替。改变电调振荡器的振荡频率 都是通过控制电压或电流来实现的。若用微处理器来程控电压或电流， 即为程控扫频信号源，也即智能化的扫频源。目前先进的扫频信号源 都是用微处理器控制的，它具有智能、快速、灵活、精确、可实现多 种扫频方式和节省人力等许多优点。 扫频控制电路对扫频速度、扫频范围及同步方式等功能进行控制 与选择。扫频信号还分出一部分用于频标发生器，给出等间隔的频率 标记脉冲在显示器上用作频率标识。早期扫频信号源中的扫描控制电 路一般比较简单，其扫频信号源的扫频速率甚至于就是单一的市电频 率。随着数字电子技术的发展和微处理器的应用，扫频控制电路有了 很大变化，控制功能日趋完善，特别是频率参数的精度有了很大的提 高。 为了进一步提高控制领率的精度，采用了锁相技术，一种方法是 在间接式频率合成器里加上自动步进扫频功能。在每个步进点上给出 相当于基准参考源的频率精度。基准参考源一般是晶体振荡器，其精 度可达1 0 1 0 。这种方法在步进点之间扫频不连续，当在一个频 率范围里选取的步进点多时，由于每个点的锁相需要建立时间，导致 扫描速率减慢。 另一种方法采用了滚锁技术：当在每次扫描起始时，把起始频率 锁定在参考源的精度上，然后频率控制电路打开模拟式的取样保持电 路，维持其起始的频率，并供给一模拟的扫描电压，直到连续扫完整 个频率范围。如果把终止频率的误差信号反馈到扫描控制电路，则可 进一步提高该模拟扫描电压的精度。这种方法可使频率合成和模拟式 扫频的优点较好地结合起来。在一般模拟式扫频仪里，频率的精度约 在百分之几。采用了锁相技术的扫频仪，其频率精度可达0 1 甚至达 到参考源的精度。 另外，如果扫频信号源的频率合成技术采用了d d s ( 直接数字频率 6 电子科技大学硕士学位论文第一章扫频信号源简介 合成) ，则其扫频时间、频率精度与频率稳定度等性能都将得到更进一 步提高，且便于计算机控制从而可以很容易地实现各种扫频方式。这 也是本课题最终方案设计新颖处之一。 1 34 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源系统框图 目前国内外的扫频源为了实现超高的扫频线性、极小的扫频步进、 尽量优的s s b 相噪指标、巨多的扫频模式、智能化一软件扫频源以 及超宽的频率覆盖范围，均争先恐后采用先进的频率合成技术。而且 从本质上讲，一台扫频信号源也就是一台频率合成器。 作者所研制的4 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源系统的原理框图如图 1 2 所示，该方案与国内传统扫频源的实现方案相比有定的独到与创 新之处。其中采用了d d s + p l l + 混频+ 倍频等综合频率合成技术，结 合了d d s ( 直接数字频率合成) 与锁相环的优点从而实现了扫频源的超 线性度、超频率稳定与精确度等技术指标要求。其具体工作原理将在 后续章节中叙述，同时鉴于以上的认识一现代高水平的微波扫频源 本质上也就是一台高性能高指标的频率合成器，故我们在以下的几章 中将介绍频率合成相关的基本理论及其实现技术。 图1 - 24 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源系统原理框图 和 电子科技大学硕士学位论文第一章扫频信号源简介 合成) ，则其扫频时间、频率精度与频率稳定度等性能都将得到更进一 步提高，且便于计算机控制从而可以很容易地实现各种扫频方式。这 也是本课题最终方案设计新颖处之一。 1 34 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源系统框图 目前国内外的扫频源为了实现超高的扫频线性、极小的扫频步进、 尽量优的s s b 相噪指标、巨多的扫频模式、智能化一软件扫频源以 及超宽的频率覆盖范围，均争先恐后采用先进的频率合成技术。而且 从本质上讲，一台扫频信号源也就是一台频率合成器。 作者所研制的4 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源系统的原理框图如图 1 2 所示，该方案与国内传统扫频源的实现方案相比有定的独到与创 新之处。其中采用了d d s + p l l + 混频+ 倍频等综合频率合成技术，结 合了d d s ( 直接数字频率合成) 与锁相环的优点从而实现了扫频源的超 线性度、超频率稳定与精确度等技术指标要求。其具体工作原理将在 后续章节中叙述，同时鉴于以上的认识一现代高水平的微波扫频源 本质上也就是一台高性能高指标的频率合成器，故我们在以下的几章 中将介绍频率合成相关的基本理论及其实现技术。 图1 - 24 8 g h z 宽带d d s 锁相扫频源系统原理框图 和 电子科技大学硕士学位论文第二章频率合成综述 第二章频率合成综述 2 1频率合成的概念及其发展 所谓频率合成，又称频率综合，简称频综，就是将一个具有低相 噪，高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、 倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等 四则运算，从而最终产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源。频 率合成技术起源于二十世纪三十年代，至今已有近七十年的历史。频 率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着 现代军事、国防及无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器、 电子测量仪器和电子对抗等电子系统对频率合成器提出了越来越高的 要求。世界各国都非常重视频率合成器的研究与应用，低相位噪声、 高纯频谱、高速捷变和高输出频段的频率合成器已经成为频率合成发 展的主要趋势。 早期的频综器是把一个或多个基准频率通过倍频、分频、混频等 电路措施来实现频率的算术运算，最后合成所需的频率，并用窄带滤 波器选出。因为这种频率合成方法是对频率进行直接的加减乘除，故 而也称为直接频率合成技术d s ( d i r e c ts y n l h e s i s ) ，也即第一代 频率合成技术，它的特点是需要大量的晶体、滤波器、混频器等硬件， 所以难于集成，但其优点是频率捷变的时间短。 在第一代频率合成技术中，如何抑制谐波及组合频率是设计直接 频率合成器首要关注也是很难解决的问题。故在其之后又出现了间接 频率合成，这便是利用锁相环p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 构成的频率合 成器。它被称为第二代频率合成技术。早期的p l l 频率合成器使用模 拟锁相环，后来又出现了全数字锁相环和数模混合的锁相环。数字鉴 相器、分频器加模拟环路滤波、压控振荡器的混合锁相环是目前最为 普遍的p l l 频率合成组成方式。通过对p l l 中的v c o 输出进行可编程 的数字分频后再进行鉴相，则很容易实现多频点的输出。与直接频率 合成不同的是，锁相频率合成的系统分析重点放在p l l 的跟踪、噪声、 捕捉性能和稳定性的研究上，而不放在组合频率的抑制上。p l l 频率合 成技术的优点是具有极宽的频率范围，良好的寄生抑制性能，输出频 谱纯度很高，而且输出频率易于程控。p l l 频率合成的主要缺点是频率 转换时间较长从而实现快速跳频很困难；此外，如果p l l 的输出要想 实现细步长则将会恶化输出频谱的相位噪声，故p l l 实现高分辨率比 电子科技大学硕士学位论文第二章频率合成综述 第二章频率合成综述 2 1频率合成的概念及其发展 所谓频率合成，又称频率综合，简称频综，就是将一个具有低相 噪，高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、 倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等 四则运算，从而最终产生大量具有同样精确度与稳定度的频率源。频 率合成技术起源于二十世纪三十年代，至今已有近七十年的历史。频 率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着 现代军事、国防及无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器、 电子测量仪器和电子对抗等电子系统对频率合成器提出了越来越高的 要求。世界各国都非常重视频率合成器的研究与应用，低相位噪声、 高纯频谱、高速捷变和高输出频段的频率合成器已经成为频率合成发 展的主要趋势。 早期的频综器是把一个或多个基准频率通过倍频、分频、混频等 电路措施来实现频率的算术运算，最后合成所需的频率，并用窄带滤 波器选出。因为这种频率合成方法是对频率进行直接的加减乘除，故 而也称为直接频率合成技术d s ( d i r e c ts y n l h e s i s ) ，也即第一代 频率合成技术，它的特点是需要大量的晶体、滤波器、混频器等硬件， 所以难于集成，但其优点是频率捷变的时间短。 在第一代频率合成技术中，如何抑制谐波及组合频率是设计直接 频率合成器首要关注也是很难解决的问题。故在其之后又出现了间接 频率合成，这便是利用锁相环p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 构成的频率合 成器。它被称为第二代频率合成技术。早期的p l l 频率合成器使用模 拟锁相环，后来又出现了全数字锁相环和数模混合的锁相环。数字鉴 相器、分频器加模拟环路滤波、压控振荡器的混合锁相环是目前最为 普遍的p l l 频率合成组成方式。通过对p l l 中的v c o 输出进行可编程 的数字分频后再进行鉴相，则很容易实现多频点的输出。与直接频率 合成不同的是，锁相频率合成的系统分析重点放在p l l 的跟踪、噪声、 捕捉性能和稳定性的研究上，而不放在组合频率的抑制上。p l l 频率合 成技术的优点是具有极宽的频率范围，良好的寄生抑制性能，输出频 谱纯度很高，而且输出频率易于程控。p l l 频率合成的主要缺点是频率 转换时间较长从而实现快速跳频很困难；此外，如果p l l 的输出要想 实现细步长则将会恶化输出频谱的相位噪声，故p l l 实现高分辨率比 电子科技大学硕士学位论文第二章频率合成综述 较困难。p l l 频率合成器的三个主要指标是相位噪声、鉴相杂散和跳 频速度。 随着数字信号理论、计算机技术、d s p 技术及微电子技术的发展， 在频率合成领域诞生了一种革命性的技术，这便是二十世纪七十年代 出现的d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s is ) 一一直接数字频率合成技术。 1 9 7 1 年，j t i e rf l e y 和c m r a d e r 等人在数字频率合成器一文中首次 提出了一种新型的频率合成技术一一直接数字频率合成( d d s ) 的概念。 从而揭开了频率合成技术发展的新篇章，这标志着频率合成技术迈进 了第三代。d d s 技术是利用数字方式累加相位，再以相位和来查询正弦 函数表得到正弦波的离散数字序列，最后经d a 变换形成模拟正弦波 的频率合成方法。d d s 频率合成技术的优点是具有超高的捷变速度 ( a m 。时，会产生稳定的差 拍状态，环路不能锁定。当。吼时，可以锁定，但在入锁之前只 有相位捕获一个过程。当吼 国。时，压控振荡器的频率将逐 渐被牵引，向输入频率靠拢，经过一定的时间以后，当平均频差 研万腼减小到进入快捕带时，频率捕获过程即告结束。此后进入相 位捕获过程，目。( f ) 变化不再超越2 x ，最终达到锁定状态。 3 1 3 2 2 捕获时间 电子科技大学硕士学位论文第二章p l l 一锁相环频率合成 频率捕获所需要的时间称为捕获时间。相位捕获所需要的时间称 为快捕时间( 或相位捕获时间) 。通常频率捕获时间总是远大于相位捕 获时间，所以一般所说的捕获的捕获时间，就是指频率捕获时间，而 不考虑相位捕获时间的影响。 表3 3 列出了二阶环捕获带和捕获时间的具体计算公式。 表3 - 3 捕获带与捕获时间 最大快捕时间咒 。 乙 2 伽。 世 ： 细。 2 和： 由这些公式计算出的结果，在实际中可能会有一些偏差，所以在 实际工作中还需要具体测试和调试。 3 1 3 3 锁相环路的噤声性能分析 3 1 3 3 1环路对各类噪声与干扰的线性过滤 为分析方便，设基本环路存在着三个主要的噪声源，作出噪声与 干扰的环路线性相位模型，如图3 9 所示。 图3 - 9 计及多个噪声源的环路相位模型 图中：或，( ，) 为输入白高斯噪声形成的等效输入相位噪声； u p d o ) 为输出谐波或鉴相器本身的输出噪声电压； 目。，o ) 为压控振荡器内部噪声形成的相位噪声。 运用线性分析方法，并设输入信号相位只( f ) = 0 ，可得环路方程 f 吼o ) = 一只，。0 ) m ) _ 蹦咖吼眦州s ) 等佩。) 。2 6 经合并运算后，可得环路总输出相位噪声为 9 电子科技大学硕士学位论文第三章p l l 一锁相环频率合成 臼。g ) = l 口。0 ) + 鼍竽1 日g ) + 0 。0 一日0 ) 】 ( 3 - 2 7 ) l a dj 上式右边第一项为括号内噪声通过环路闭环响应的过滤，也就是 一个低通过滤，故将这类噪声称为低通型噪声；第二项为曰。( s ) 经过环 路误差响应的过滤，这是一个高通过滤，所以将这类噪声称为高通型 噪声。 无论何种类型的噪声，噪声源皆是相互独立的，故可用各自的噪声 功率谱密度表示。设s 。( f ) ，s o p t ) ( f ) ，s 。，陋) 分别是口。0 ) ，u 。( f ) ，口。小) 的功率谱密度，9 l l j 环路输出的总相位噪声功率谱密度s 。妒) 为： p ) ：i s o , i ( f ) + 鱼业掣忙( ，2 才l 2 + ( 尸l l h ( j 2 r c f ) i 2 ( 3 - 2 8 ) l 几d j 由上式可见环路对参考源的相位噪声和鉴相器的电压噪声有低通 过滤作用，而对v c o 的相位噪声则有高通过滤作用。低通的高端频率 和高通的低端频率就是l h ( j 2 r c f 】的带宽正e 告) ，也就是环路的带宽。 3 1 3 3 2 环路带宽的最佳选择 在工程上一般只考虑输入参考源和压控振荡器的相位噪声，而忽 略鉴相器的电压噪声。由上节分析可知，环路对参考源的相位噪声低 通过滤。故我们希望环路带宽六越低越好；另一方面，环路对压控振 荡器的相位噪声高通过滤，所以我们又希望，：，越高越好。因此要使这 两种相位噪声都得到相对合理的抑制，显然环路带宽选择在参考源和 压控振荡器的噪声功率谱的交叉点是比较有利的。这就是工程上常用 的选择最佳环路带宽的方法。此方法如图3 1 0 所示。 蠢佳环陆带宽 ( a ) 选择交叉点( b ) 相噪求和结果 图3 一l o 最佳厶选择示意图 电子科技大学硕士学位论文第三章p l l 一锁相环频率合成 3 2 锁相环频率合成 锁相环的优良特性使其具有广泛的用途，其中一个重要的应用方 向就是用高稳定的参考振荡器作为系统时钟使环路锁定，以提供一系 列高纯，高稳定频谱的频率源，这就是p l l 频率合成。经过7 0 来年的 发展，锁相环及p l l 频率合成技术的理论已相当成熟，如今国外各大 半导体公司竞相推出自己的集成锁相频率合成芯片，使得p l l 频综芯 片的性能是越来越优良但价格却越来越低。这些都决定了在频率合成 的系统设计中，p l l 频率合成仍属于首选方案之一。 3 2 1基本锁相环频率合成器 基本的锁相环频率合成框图如图3 1 l 。 当环路处于锁定状态的时候，有：斤= 力，即 = f o n 。所以，输出 的频率是参考频率的n 倍：f o = n ，并和参考频率严格的同步。这 样，在反馈支路中加入可编程n 分频器的锁相环路就可以提供从一个 单一参考频率合成得来的大量的频率。 图3 1 1基本锁相环频率合成器 但是，这种合成频率的方法在实际应用中存在一些问题。 其中之一便是：图3 1 1 的v c o 输出是直接加到可编程分频器上的， 而目前由于工艺水平的限制，可编程分频器的最高工作频率可能比所 要求的频率合成器输出的工作频率低很多。因此，这种基本的p l l 频 率合成器在很多场合是不适宜的。另一个问题是：锁相频率合成的频 率分辨率决定于，输出频率只能够按照 的增量来改变。为了提高 合成频率的分辨率就要减小参考频率，而这与转换时间的要求是矛 盾的。根据工程中的经验公式： l ：一2 5 ( 3 - 2 9 ) 再 转换时间与参考频率成反比。所以，这种简单的锁相频率合成器是不 能同时满足这两个条件的。解决这一问题可以采用如下的变模分频p l l 电子科技大学硕士学位论文第三章p l l 一锁相环频率合成 3 2 锁相环频率合成 锁相环的优良特性使其具有广泛的用途，其中一个重要的应用方 向就是用高稳定的参考振荡器作为系统时钟使环路锁定，以提供一系 列高纯，高稳定频谱的频率源，这就是p l l 频率合成。经过7 0 来年的 发展，锁相环及p l l 频率合成技术的理论已相当成熟，如今国外各大 半导体公司竞相推出自己的集成锁相频率合成芯片，使得p l l 频综芯 片的性能是越来越优良但价格却越来越低。这些都决定了在频率合成 的系统设计中，p l l 频率合成仍属于首选方案之一。 3 2 1基本锁相环频率合成器 基本的锁相环频率合成框图如图3 1 l 。 当环路处于锁定状态的时候，有：斤= 力，即 = f o n 。所以，输出 的频率是参考频率的n 倍：f o = n ，并和参考频率严格的同步。这 样，在反馈支路中加入可编程n 分频器的锁相环路就可以提供从一个 单一参考频率合成得来的大量的频率。 图3 1 1基本锁相环频率合成器 但是，这种合成频率的方法在实际应用中存在一些问题。 其中之一便是：图3 1 1 的v c o 输出是直接加到可编程分频器上的， 而目前由于工艺水平的限制，可编程分频器的最高工作频率可能比所 要求的频率合成器输出的工作频率低很多。因此，这种基本的p l l 频 率合成器在很多场合是不适宜的。另一个问题是：锁相频率合成的频 率分辨率决定于，输出频率只能够按照 的增量来改变。为了提高 合成频率的分辨率就要减小参考频率，而这与转换时间的要求是矛 盾的。根据工程中的经验公式： l ：一2 5 ( 3 - 2 9 ) 再 转换时间与参考频率成反比。所以，这种简单的锁相频率合成器是不 能同时满足这两个条件的。解决这一问题可以采用如下的变模分频p l l 电子科技大学硕士学位论文第三章p l l 一锁相环频率合成 频率合成方法。 3 2 2 变模分频p l l 频率合成器 如果在可编程分频器前面加上一个单模( 或双模) 前置分频器， 由于它最高能工作在数千兆左右的频率上，所以能够大大提高锁相频 率合成器的工作频率，如图3 12 所示。由图可知输出频率是提高了， 但是输出频率只能以步进v 疗变化，为了获得与未加前置分频器时同样 的频率分辨率，则参考频率必须降为f , v ，这就使频率转换时间延长为 原来的v 倍，这是很不利的。 图3 1 2 加前置分频器的p l l 频率合成器 在不改变频率分辨率的同时提高频综器输出频率达有效方法之一 就是采用变模分频器( 也称吞脉冲技术) 。变模分频器的工作速度虽然 不如固定模数的前置分频器高，但还是比可编程分频器高。图3 一l3 即 为采用双模分频器的锁相频率合成器框图。 图3 - 1 3 双模分频p l l 频率合成器 双模分频器有两个分频模数，当模式控制为高电平时，分频比为v + l ，反之为v ，变模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，他们 分别预置在n 1 和n 2 ，并进行减法技术。在除n l 和除n 2 分频器为计数 到零时，模式控制为高电平，双模分频器输出频率为f o ( v + 1 ) 。在输入 n 2 ( v + 1 ) 个周期之后，除n 2 分频器计数到零，将模式控制变为低 电子科技大学硕士学位论文第三章p l l 一锁相环频率合成 频率合成方法。 3 2 2 变模分频p l l 频率合成器 如果在可编程分频器前面加上一个单模( 或双模) 前置分频器， 由于它最高能工作在数千兆左右的频率上，所以能够大大提高锁相频 率合成器的工作频率，如图3 12 所示。由图可知输出频率是提高了， 但是输出频率只能以步进v 疗变化，为了获得与未加前置分频器时同样 的频率分辨率，则参考频率必须降为f , v ，这就使频率转换时间延长为 原来的v 倍，这是很不利的。 图3 1 2 加前置分频器的p l l 频率合成器 在不改变频率分辨率的同时提高频综器输出频率达有效方法之一 就是采用变模分频器( 也称吞脉冲技术) 。变模分频器的工作速度虽然 不如固定模数的前置分频器高，但还是比可编程分频器高。图3 一l3 即 为采用双模分频器的锁相频率合成器框图。 图3 - 1 3 双模分频p l l 频率合成器 双模分频器有两个分频模数，当模式控制为高电平时，分频比为v + l ，反之为v ，变模分频器的输出同时驱动两个可编程分频器，他们 分别预置在n 1 和n 2 ，并进行