（通信与信息系统专业论文）短波发射机高稳频率合成器的设计与实现.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 短波通信多年来被广泛地用于政府、外交、军事、航空、气象、商业等部 门，用以传送语言文字、图像数据等信息。尤其在军事及国家安全部门，它始 终是国家最可信赖的指挥手段之一。近年来，世界各国加紧了对短波通信的研 究，出现了许多新型的短波通信系统。但不论是何种设备，频率合成器都占据 着短波通信设备中较为核心的一个地位。鉴于此原因，本论文对短波发射机高 稳频率合成器的设计与实现进行了较为深入的研究。 随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出的要求越来越高，低相 噪、高纯度、高捷变速率及高分辨率的频率合成器已经成为当今频率合成技术 发展的主要趋势。本文经过对多种频率合成技术的研究比较，最后，通过采用 d d s 专用芯片的实现方案来获得高频率稳定度、低相噪、低杂散的频率源，为 了达到更好的输出效果，方案中采用高稳定晶体振荡器电路为d d s 模块提供参 考时钟源，另外还给出了跟踪滤波器的设计。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有一定的创新与独到之处。 本文首先介绍了课题的研究背景和研究意义。接着介绍了频率合成的概念、 发展，并分别讨论了p l l 频率合成和直接数字频率合成技术各自的特点和差异， 对频谱特性、杂散等特性进行了理论分析。然后根据系统指标合理地采用了直 接数字频率合成技术。整个系统以基于d d s 专用芯片a d 9 9 5 3 的信号发生器为 核心，单片机为控制器、加上采用高稳定晶体振荡器和实用的跟踪滤波器，保 证了整个频率合成系统的高精度、高频带范围和高频谱纯度。论文中详细分析 了频率合成器的系统结构、软硬件设计和具体电路实现。最后完成实验电路板 的制作，电路的调试工作，对输出信号频谱进行了分析并给出硬件实物照片和 测试结果及相关分析。 关键词：短波发射机，d d s ，频率稳定度，跟踪滤波器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o nf o rm a n yy e a r si sw i d e l ya p p l i e dt ot h eg o v e r n m e n t ， t h ed i p l o m a t i c ，t h em i l i t a r y , t h ea v i a t i o n ，t h ew e a t h e r , t h eb u s i n e s sa n ds oo n ， t r a n s m i t t i n gt h ei n f o r m a t i o ns u c h a l ss p e e c h ，l e t t e r s ，i m a g e sa n dd a t a m o r et h a n m a t ，i ti so n eo ft h em o s tr e l i a b l em e t h o d so nm i l i t a r yc o m m a n da n dn a t i o n a ls e c u r i t y s e c t o r i nr e c e n ty e a r s ，c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l ds t e p p e du pt h es h o r tw a v e c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h ，a n dm a n yn e ws h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v e a p p e a r e d b u tn om a t t e rw h a tk i n do fe q u i p m e n t ，f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r sp l a y sac o r e r o l e i ns h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t f o rt h i sr e a s o n ，t h ep a p e rd o e sa i n - d e p t hr e s e a r c ho nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i 曲s t a b i l i t yf r e q u e n c y s y n t h e s i z e ro ns h o n - w a v e t r a n s m i r e r w i mt h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，f r e q u e n c y s y n t h e s i z e ri sr e q u i r e d t oh a v eh i 【g h e rp e r f o r m a n c ea n dl o ws p u r i o u sl e v e l ，p u r e o u t p u ts p e c t r u m ，f a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n gs p e e da n dh i g h r e s o l u t i o na g i l ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e rf 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 h a sb e c o m et h em a i nt r e n do f d e v e l o p m e n t a f t e rc o m p a r i n gk i n d so ft e c h n i q u eo ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , f i n a l l t h ep a p e rc h o o s et h ed d sa s i ci m p l e m e n t a t i o ns c h e m et oo b t a i nh i g hf r e q u e n c y s t a b i l i t y , l o wp h a s en o i s e ，l o ws p u r i o u sf r e q u e n c ys o u r c e ，i no r d e rt oa c h i e v eb e t t e r o u t p u t ，i tu s e sh i 曲s t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i tf o rt h ed d s m o d u l ep r o v i d e st h e r e f e r e n c ec l o c ks o u r c e ，t h ed e s i g no ft r a c k i n gf i l t e ra l s oi sg i v e d t h es c h e m ei s i n n o v a t i v ea n do r i g i n a ln o to n l yi nt h et e c h n o l o g yb u ta l s oi ns o m em o d u l ec i r c u i t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et o p i co ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e t h e ni n t r o d u c e st h es y n t h e s i z e r sc o n c e p t ，d e v d o p m e n 4a n dd i s c u s s e sap l l f r e q u e n c ys y n t h e s i sa n d d 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 st e c h n o l o g ya n dd i f f e r e n c e s i nm e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，i ta l s oh a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ef r e q u e n c y s p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i ca n ds p u r i o u ss u p p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e na c c o r d i n g t ot h e t a r g e ts y s t e m ，t h ep a p e rr e a s o n a b l ec h o o s e st h ed 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 t h e w h o l es y s t e mt a k e ss i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d sa s i ca d 9 9 5 3 嬲t h ec o r e ，s i n g l e i i 武汉理工大学硕士学位论文 c h i pa sc o n t r o l l e r , c o u p l e dw i t hh i g hs t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o ra n dp r a c t i c a lt r a c k i n g f i l t e rt oe n s u r eh i g ha c c u r a c y , h i g hf r e q u e n c yb a n dr a n g ea n dh i g hs p e c t r a lp u r i t y p a p e rad e t a i l e da n a l y s i so ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e rs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h es p e c i f i cc i r c u i t 。f i n a lc o m p l e t i o no ft h ep i l o tc i r c u i t b o a r dm a n u f a c t u r e ，c i r c u i td e b u g ，t h eo u t p u ts i g n a ls p e c t r u mw a sa n a l y z e d ，t h e p h y s i c a lh a r d w a r e ，p h o t o sa n d t e s tr e s u l t sa n dr e l a t e da n a l y s i si sp r o p o s e d k e yw o r d s ：s h o r t w a v et r a n s m i t t e r , d d s ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y , t r a c k i n gf i l t e r 1 i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工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 明并表示了谢意。 签名：龃日期：址：卫形 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 黄妻口闩 导师( 签名) 髓怖日期加n 6 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 短波通信技术的发展和研究背景 按照国际无线电咨询委员会的划分，短波是指波长在l o 至1 0 0 米，频率为3 兆赫兹至3 0 兆赫兹的电磁波。利用短波进行的通信称为短波通信，也称高频通 信。实际上，为充分利用好短波近距离通信的优点，短波通信实际上使用的频 率范围为1 5 兆赫兹至3 0 兆赫兹【l 】。 自从上世纪2 0 年代初短波被发现可实现远距离通信以来，短波通信迅猛 发展，一跃成为世界各国中、远程通信的主要手段，在各行各业中，被用以传 送电报和传真、低速数据、语音及图像等信息。卫星通信出现以前，短波在军 事通信、国际通信、防汛救灾以及海难救援等方面发挥了独特的重要作用。 与卫星、地面微波、同轴电缆和光缆等通信手段相比，短波通信有着它显 著的优点：不需要建立中继站即可实现远距离通信，不但建设周期短，还减 少了建设和维护费用；设备简单，既可以固定设置进行定点固定通信，还可 以背负或装入车辆、舰船及飞行器中进行移动通信；电路调度容易并且临时 组网方便、迅速，具有极大的灵活性；抗毁灭能力强。通信设备的体积小， 极容易隐蔽，便于改变工作频率，且破坏后容易恢复【2 】。 这些都是短波通信被长期保留，至今仍然受到全世界普遍重视的主要原因。 然而，短波通信也存在一些明显的缺点：可使用的频段窄，容量小。信号 传输的稳定性差。噪声干扰严重。这些问题的存在，使得它不能够满足人们 日益增长的对数据通信业务的需求，极大地限制了短波通信技术的发展。2 0 世 纪6 0 年代卫星通信兴起，由于与短波通信相比，卫星通信具有信道稳定、可 靠性高、通信质量好以及通信容量大等诸多优点，短波通信受到严重挑战。很 多原属短波通信的一些重要业务，逐渐被卫星通信所取代，各国对它的投入开 始急剧减少，其地位也随之大为降低，短波通信的发展进入低潮。至7 0 年代后 期，有人甚至开始怀疑短波通信存在的价值，认为短波通信已经完成了它的历 史使命。 然而，实践证明，卫星通信的初建费用昂贵、灵活性也有限。事实上，它 武汉理1 ：大学硕七学位论文 并不能满足所有情况下的用户需要，另外一个事实是并不是所有的用户都需要 宽带线路。此外，一旦发生战争，卫星容易遭受敌方攻击，卫星通信的信道也 不易抵御敌方的电磁干扰。而与此相比，短波通信不仅成本低廉、容易实现且 使用灵活，更重要的是它有电离层这个天然的不易被摧毁的中继系统。卫星中 继系统可能发生故障或被摧毁，但是电离层这个中继系统，除非是高空原子弹 爆炸才可能使它中断，何况就算是高空原子弹爆炸，那也仅仅是在有限的电离 层区域内，电离密度短时间地受到影响而已。事实上，从上世纪7 0 年代末开始， 短波通信又重新开始受到重视，许多国家加大了对短波通信技术的研究和开发 的力度，陆续推出了一些性能相当优良的新型设备和系统。短波通信除了在军 事领域具有突出的地位外，在民用通信的某些领域，短波通信的应用也显出良 好的发展趋势。特别是近些年来，人们在短波通信设备中大量采用了像数字信 号处理技术、跳频技术、自适应技术以及高速数据传输技术等新技术，使短波 通信很好地弥补了它的缺点，极大地提高着短波通信的质量和数据传输的速率， 增加了许多新的业务功能。新技术还使短波通信的设备更加小型化、操作使用 更加灵活方便，进一步地发挥了短波通信设备简单、造价低廉以及机动灵活等 固有的优点。短波通信东山再起，又重新焕发了青春。 短波通信重新引起了世界各国的高度重视，诸多机构都在不遗余力地对它 进行研究。对于中国这样的大国，无疑，短波通信技术的研究，意义非凡。 1 2 相关领域国内外研究现状。 1 9 9 1 年1 0 月美国国防部制定了“s p e a k e a s y 计划，目的是研制出一个波形可 编程、多频段、多模式的电台能够处理各种调制方式的信号：能够兼容不同频 段的电台、通信制式、语音速率、加密方法、编码方式和组网方式都能够通过 可编程软件实现【3 】，并于1 9 9 6 年9 月成功研制出了电台的样机。 欧洲正在进行的a c t s f i r s t 项目和美国r u t g e r s 大学的研究计划中已 利用软件无线电的思想进行了3 g 系统的针对性研究”】。还有南非的g r i n d 公司 开发的t r 6 0 0 型数字电台，以及美国哈里斯公司研制的a n v r c 9 4 ( e ) 型车 载通信机和马格纳泛斯克公司的a n g r c 2 0 6 ( v ) 型数字电台，另外，还包括 美军方设计的新一代作战用卫星通信终端等都已应用了软件无线电思想进行系 统开发。 国内也研制出了一些短波产品，如北京万瑞公司于2 0 0 8 年推出的w r - g 3 0 3 i 2 武汉理工大学硕士学位论文 是世界上第一部专用于短波的插卡式p c 接收机( p c i 总线) ，可运行在个人计算 机上，完全用软件处理末级中频和全方位式解调的商用接收机；陕西烽火也研 制出了x d d 1 1 g 型短波跳频自适应电台、x d d 1 2 b 型短波数字化抗干扰电台 和x d d 1 8 型手持式短波电台，它们均采用了先进数字信号处理( d s p ) 及微机 控制技术，实现了自动控制通信、自动选择最佳信道、自适应链路建立( a l e ) 、 跳频通信等功能，具有收发短信、有线遥控和d s p 软件在线加载功能。但是与 国外的产品相比，它们在性能指标上仍然存在着差距。 1 3 短波发射机高稳频率合成器的主要技术指标 频率范围：1 5 m h z 3 0 m h z ； 频率间隔：l o h z ； 杂散抑制指标： 5 6 d b ； 频率稳定度：优于lx 1 0 。7 每周； 优于lx l o 。8 每秒； 1 4 本论文主要工作及基本框架 本论文着注于短波发射机部分。 对现代短波单边带发射机，为了在整个短波波段内获得高稳定的载波频率， 频率源应采用频率合成技术。频率合成器在短波发射机内占有着相当重要的地 位。频率合成器频率准确度和频率稳定度指标达不到要求将导致通信系统的性 能下降，严重时甚至使通信中断，很多大功率单边带发射机的频率合成器的频 率标准要求是很高的。 本论文的主要工作是结合新一代的高性能芯片设计一种结构简单，性能优 良的短波发射机高稳频率合成器。整个系统以单片机控制、d d s 专用芯片 a d 9 9 5 3 为核心，并配以跟踪滤波器电路、宽带缓冲放大电路和高稳定晶体振荡 器电路，组成一个功能齐全的短波发射机高稳频率合成器。 本文的主要工作如下： 根据课题要求，深入分析比较了多种频率合成技术，并最终得出本课题 的方案。 熟悉所选择的各集成电路芯片并完成d d s 单元电路的设计，跟踪滤波器 武汉理工人学硕七学位论文 单元电路的设计、宽带缓冲放大器单元电路的设计、控制系统单元电路的设计 和高稳定晶体振荡器电路的设计。 完成p c b 板制作调试，并对各单元电路和整机系统电路进行了测试，并 对测试结果进行了相关的分析。 各章节内容安排如下： 第l 章首先介绍了短波通信技术的发展和本课题的研究背景、国内外现状 和本论文的主要工作。 第2 章介绍了频率合成技术，包括锁相频率合成技术和直接数字频率合成 技术，比较了各种技术方案的特性特点并最终选取本文的频率合成方案。 第3 章主要完成了短波发射机高稳频率合成器的设计与实现。包括d d s 单 元电路、跟踪滤波器单元电路、宽带缓冲放大单元电路和控制单元电路的设计 与印制板的实现。 第4 章主要完成了高稳定晶体振荡器电路设计，包括原理分析、具体设计 过程分析和印制板的实现。 第5 章主要完成了对系统的测试，并对测试结果进行了分析。 第6 章主要是总结本论文的工作，指出其中的不足之处，并对发展趋势提 出展望。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章频率合成技术 所谓频率合成，是指从一个或多个高稳定、高精度的参考频率，经过各种 运算和技术处理，生成大量离散频率的过程【5 】。随着频率合成技术的发展，频率 合成的处理方法，可以是传统的硬件实现办法，可以是锁相技术，还可以是各 种数字技术和计算技术。频率合成的参考频率可由高稳定的参考振荡器产生。 频率合成所产生的一系列离散频率与参考频率有严格的比例关系，且具有同样 的稳定度和准确度。 频率合成技术起源于二十世纪三十年代，至今己有近七十多年的历史，依 次经过了传统的l c 振荡器、直接频率合成、锁相环频率合成、直接数字频率合 成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d s ) 技术【5 】。早期的频率合成技术因为诸多缺陷， 不利于推广。锁相频率合成经过7 0 多年的发展，无论是锁相坏还是p l l 频率合 成技术的理论都已相当成熟，锁相频率合成系统的杂散性能较好，系统相位噪 声性能较好，再加上集成锁相频率合成芯片的性能越来越优良但价格却越来越 低，使得在频率合成系统设计中，p l l 频率合成技术仍属于首选方案之一。直 接数字频率合成技术是近二十年新兴的一种频率合成技术，它具有分辨率高、 切换速度快、相位连续等系列优点。d d s 技术的飞速发展，让它在频率转换 时间、相位连续性、高分辨率、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面， 远远超过了传统频率合成技术的水平。由于d d s 技术具有诸多显著的优点，使 得它在通信领域如移动通信、数字调制以及扩频通信等方面得到了极广泛使用。 频率合成器的使用场合不同，对它的指标要求也不全相同。不过，大体上， 频率合成技术都有如下几项主要技术指标：输出频率范围、频谱纯度、频率稳 定度、频率间隔、频率转换时间等。在方案选取和设计时，应着重从这几方面 进行考虑。 2 2 锁相频率合成技术 锁相环是一个闭环的跟踪系统，它能够跟踪输入信号的相位和频率1 6 1 。 武汉理工人学硕七学位论文 锁相环具有广泛的用途，当中一个重要的应用方向就是利用高稳定的参考 振荡器作系统时钟，通过环路锁定以提供一系列高纯度、高稳定度频谱的频率 源，即锁相频率合成【7 1 。 图2 1 是基本的p l l 频率合成框图。 图2 1 基本p l l 频率合成器 当环路锁定时，有：z = f o ，即输出频率是参考频率的倍：f o = 彳。 这是组成锁相频率合成的一种最简便的方法，但这种方法在实际应用中存在着 一些问题。其中之一是，可编程分频器的最高工作频率往往要比合成器所需的 工作频率低许多，如上图那样将压控振荡器的输出直接加到可编程分频器上是 不行的。另外，锁相频率合成的频率分辨率决定于z ，输出频率只能够按照z 的 增量来变化。要提高合成频率的分辨率就得减小参考频率石，而这与转换时间 的要求是相矛盾的。根据工程中的经验公式： 9 气 乃= 等 ( 2 1 ) jt 本节围绕锁相频率合成介绍了锁相环的结构、工作原理，并对其主要特性 作了简要分析。 2 2 1 锁相环路的工作原理和基本结构 p l l 是一个闭环的相位控制系统，可分为模拟锁相环和数字锁相环，它们 都包括三个基本的组成部分：鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) 【8 1 。其结构框图如图2 2 示，下面以模拟锁相环为例简要介绍各个组成部分的原 理。 6 武汉理下大学硕士学位论文 色 一i ， 毪( 易 ( 1 ) 鉴相器 圉，竺 篓兰兰n 焉 图2 2 锁相环的基本组成框图 鉴相器数学模型如图2 3 所示。它是一个相位比较装置，其核心为乘法器。 鉴相器将系统输入信号( f ) 与系统输出信号( t ) 的相位进行比较，根据两信 jl 屹 以 兀。 沙 r 呼 图2 - 3 鉴相器的数学模型 号的相位差，产生一对应的误差电压( t ) ，从而实现相位到电压的转换。 ( 2 ) 环路滤波器 环路滤波器是一种线性电路，由电阻、电容、运算放大器等组成。环路滤波 器具有十分重要的作用，它能改善控制电压的频谱纯度，很好地提高系统的稳定 度，更重要的是它对环路参数的调整起着决定性的作用，直接影响着输出信号的 稳定度、频谱纯度和锁定时间等关键参数。带宽、直流增益和高频增益是环路滤 波器的三大主要指标，由滤波器的时间常数和滤波器的类型共同决定f 9 】。 ( 3 ) 压控振荡器 压控振荡器是一个将电压变换为相应频率的一种装置，是在环路中受控制 电压控制的被控振荡器。图2 - 4 是v c o 的控制曲线。其振荡频率随输入电压( t ) 线性变化，变换关系为： q ( t ) = 吃+ k “。( f ) ( 2 2 ) 7 武汉理工大学硕七学位论文 配jl 矿 - 0 7 u ， 图2 4v c o 控制曲线 式中q ( f ) 是压控振荡器的瞬时角频率，k 是压控灵敏度，单位是【删j ，】。 在实际应用中，压控振荡器的控制特性的线性控制范围有限，超出这个范围压 控灵敏度会下降。 2 2 2 锁相环路的特性分析 跟踪特性 在前面的分析中，我们都是假设包( f ) 很小，满足线性模型的条件。在此给 出如下结论： a 、锁定时的稳态相差 理想二阶环稳态时的相差为包( ) = a r c s i n 等。 b 、同步带缈 由前面的分析可知，理想二阶环的稳态相差为零。也就是说，在锁定条件 下，缓慢加大固有频差，直至眈达到无限大，可导出环路的同步带为无限大， 即彩= o o ，事实上，这是不可能的。因为v c o 是有一定的压控范围的，其最 大频偏总是有限的，另外环路滤波器的线性工作范围也不是无限大。因此同步 带往往受限于压控振荡器的控制范围。即a o j = k ，其中k = 疋，是环路增 益。 捕捉特性 锁相环在开机、换频( 由开环到闭环) 开始的一段时间，环路总是失锁的。 因此环路有一个从失锁到锁定的过程。通常称这个过程为环路的捕获过程。 a 、捕获过程 武汉理1 ：大学硕士学位论文 捕获带是指保证环路必须进入锁定的最大固有频率差，记为国，。快捕带 是指保证环路只有相位捕获个过程的最大固有频差，记为吼。在二阶环中， 当吃 a c o ，时，会产生稳定的差拍状态，环路不能被锁定；当吃吼时， 环路可以锁定，但在入锁之前只有相位捕获这一个过程；当吼 哝q 时， 压控振荡器的频率将逐渐被牵引向输入频率靠拢，经过一段时间以后，当平均 频差d i2 ( f ) i d r 减小到进入快捕带时，频率捕获过程即告结束，达到锁定状态。 b 、捕获时间 频率捕获时间就是频率捕获所需要的时间。相位捕获时间( 或快捕时间) 就是相位捕获所需要的时间。一般所说的捕获时间，是指频率捕获时间。通常 频率捕获时间总是远大于相位捕获时间。 噪声特性 在锁相环的实际工作中，噪声是客观存在的。各种噪声和干扰的影响会因 锁相环应用场合的不同而不同，本文仅讨论锁相环用于频率合成器当中时，噪 声和干扰对系统的影响。一般来说，噪声分为输入噪声和内部噪声，以及在锁 相环路各单元部件中，存在着的随机噪声。这些噪声与干扰会增加环路捕获的 难度而使坏路输出相位随机抖动【l o 】。当环路用于频率合成器当中时，则会产生 输出相位噪声，使输出信号频谱不纯，短期频率稳定度变差。 a 、环路对各类噪声与干扰的线性过滤 为了简化分析，设在基本环路中，存在着三个主要的噪声源。图2 5 是它的 噪声与干扰的环路线性相位模型【l 。 包( f ) + - 或，( f ) 【，p d ( f ) 眈，( f ) 图2 5 带有噪声源的环路相位模型 其中，幺，( t ) 是输入白高斯噪声形成的等效输入相位噪声：( t ) 是输出谐 波或鉴相器本身的输出噪声电压；幺，( t ) 是压控振荡器内部噪声形成的相位噪 声。设输入信号相位6 | ( t ) - - 0 ，运用线性分析方法，可得环路方程 9 武汉理： 火学硕七学位论文 i 见( j ) = - a 。( s ) 1 0 o ( s ) ：僻( j ) 4 - 包( s ) 巧+ ( s ) f ( j ) 等4 - 幺，( s ) 屹q ) 经合并简化，得出环路总输出相位噪声为 f，1 幺。( s ) = 1 只，( s ) 4 - 鼍笋1 日( s ) 4 - 幺，( s ) 1 一日( s ) ( 2 - 4 ) l 1 、dj 上式右边第一项实际上是括号内噪声通过环路闭环响应的过滤，也就是低 通过滤，故称这类噪声为低通型噪声：第二项实际上是见，( j ) 经过环路误差响应 的过滤，即高通过滤，所以这类噪声被称为高通型噪声。 无论何种类型的噪声，其噪声源皆是相互独立的，可用各自的噪声功率谱 密度表示。设( ，) 、( f ) 、( ，) 分别是巳( f ) 、( f ) 、幺。t ) 的功率 谱密度，则环路输出的总相位噪声功率谱密度& ( f ) 为 ( f ) ：1 ( f ) + 粤b ( 伽f ) 2 + ( f ) 1 一日( ，2 万f ) 2 ( 2 - 5 ) l “d j 由此式可知，环路对参考源的相位噪声以及鉴相器的电压噪声有低通过滤 作用，而对压控振荡器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1 日( 2 刀，) | 的带宽z ( = q 2 万) ，也就是环路的带宽1 。 b 、环路带宽的最佳选择 在工程上，一般只考虑参考源和压控振荡器的相位噪声，而忽略鉴相器的 噪声。由前面的分析可知，环路对参考源的相位噪声相当于低通过滤，故我们 希望环路带宽，：越低越好；而另一方面，环路对压控振荡器的噪声又相当于高 通过滤，所以我们又希望z 越高越好。因此要想使这两种相位噪声都得到相对 合理的抑制，显然选择环路带宽时，需要兼顾好参考源和压控振荡器的噪声功 率谱的交叉点。一个实用的锁相环路，常常对输出信号的随机相位噪声提出很 高的要求。采用低噪声的压控振荡器并且合理地选择环路参数，可有效地提高 锁相环路对随机相位噪声的抑制程度。这就是工程上常用的选择最佳环路带宽 的方法和依据。 2 3 直接数字频率合成技术 直接数字式频率合成( d d s ) 技术是近年来随着数字集成电路和计算机的发 l o 武汉理工大学硕十学位论文 展而迅速发展起来的一种新的频率合成技术【1 2 1 。 d d s 技术是一种把一系列数字量形式的信号通过d a c 转换成模拟量形式的 信号合成技术。这样的方式使其具备了以下优良的工作特点【1 3 】： 极高的频率分辨率 d d s 的分辨率在参考频率固定时，取决于相位累加器的位数，只要累加器 位数取足够大，理论上可以获得任何满足要求的频率分辨精度，这在传统的频 率合成方法上是难以实现的。 频率变化速度快 在d d s 中，一个频率的建立时间通常取决于滤波器的带宽。其主要影响因 素有内部数控振荡器内的工艺结构、数模变换及其它信号处理步骤产生的时延。 由于d d s 中没有相位反馈控制这一环节，因而频率建立和切换非常快，只与数 字信号处理部分的时延与时钟周期相关。 频率变化时相位连续 当改变其输出频率时，d d s 频率改变就是改变f c w ，它是通过改变频率控 制字实现的。实际上这改变的只是信号的相位增长速率，而输出信号的相位本 身仍然是连续的，这就是d d s 频率捷变时相位连续性的原因。 易于实现各种数字调制 由于d d s 采用全数字结构，d d s 信号的频率、相位及幅度均可通过数字信 号精准地控制，因此d d s 非常易于实现如a s k 、p s k 、f s k 等高精度的数字调 制和正交调制。 集成度高 整个d d s 系统，除滤波器以外，几乎所有的结构部件都属于数字信号处理 部件，因此系统易于集成、功耗低、体积小并且重量轻。 目前使用最广泛的一种d d s 方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高 速d a c 产生己经用数字形式存入的正弦波。正弦输出d d s 是实际应用最广的 一类。目前所见到的国外公司，如a d i 公司、q u a l c o m m 公司等生成的d d s 芯 片绝大多数都采用正弦信号输出。 2 3 1d d s 的基本原理与组成 d d s 技术的理论基础同大多数的数字信号处理技术一样，仍然是香农抽样 定理。香农抽样定理是把任何模拟信号转换成数字信号的基础，它论述的是一 武汉理工大学硕士学位论文 个带限的模拟信号经抽样变成离散值后，可不可以由这些离散值恢复出原始模 拟信号的问题【1 4 】。香农抽样定理告诉我们，当抽样频率大于或等于模拟信号最 大频率的2 倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复出原始信号。而在 d d s 中，这个过程被颠倒了过来。d d s 不是对一个模拟信号进行抽样，而是一 个假定抽样过程已经发生并且抽样的值己经量化完成，如何通过某种映射把己 经量化的二进制值送到d a 及后级的低通滤波器重建原始信号的问题【”】。 d d s 一般由相位累加器、波形存储器、数模转换器及低通滤波器组成，其 基本的工作原理是将波形数据先存储，在频率控制字( f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d s ) k 的作用下，由相位累加器( p h a s ea c c u m u l a t o r ，p a ) 从r o m 中读出波形数据，再 经过d a 和l p f 后输出合成频率【l6 1 。具体的工作过程为：在每一个时钟周期z 内，频率控制字k 与nb i t 的相位累加器累加一次，并同时对2 取模运算，用 运算结果以二进制代码的形式( 正弦表的地址) 去查询r o m 中的正弦函数表， 得到由相位信息转变过来的数字量化正弦幅度值，再经数模转换变为阶梯模拟 信号，最后通过低通滤波器进行平滑而得到纯净的正弦模拟信号。这种频率合 成方法可以获得高精度频率和相位分辨率、快速频率转换时间和低相位噪声的 频率信号，而且结构简单集成度高【1 7 】。 d d s 基本的结构如图2 - 6 所示，其中：k 是频率控制字，n 是相位累加器的 字长，m 是r o m 地址线位数，m 是r o m 数据线位数，即d a c 的位数。f 为 d d s 的参考时钟频率，互= 1 z ；z 为d d s 的输出频率，乙= i z ； 频 率 控 制 字 图2 - 6d d s 的基本结构框图 当相位累加器计数大于2 时，累加器会自动溢出最高位并保留后面的nb i t 位数据于累加器中。显然该相位累加器平均每2 依个时钟周期溢出一次。由此 1 2 武汉理：1 ：大学硕十学位论文 可见d d s 输出信号的频率值由k 和时钟频率z 共同决定着，之间的关系满足 矿 f o = 号z ( 2 6 ) 二 当k = i 时，d d s 的输出频率最小，即为d d s 的最小频率分辨率 1 虬。= 者z ( 2 7 ) 二 综上所述，d d s 相当于一个小数分频器。其最小频率分辨率是频率控制字 为1 时所对应的d d s 的输出频率，只要累加器的长度n 足够大，总能得到所需 的频率分辨率。由于实际使用中的频率控制字k 值很难为整数，因此将会存在 一定的频率误差f 1 8 】。另外由于存储波表的大小受限，远不及相位累加器的位数， 故一般仅取累加结果的高位作为寻址地址送入正弦查询表获得波形幅度值【1 9 】。 在d d s 系统中，从频率寄存器开始到波形存储表的数字部分通常也被称作 数控振荡器( n c o ) 。通过数控振荡器，能让输入的数字频率值产生出相应频率的 数字波形。现对其工作原理讨论如下【2 0 】： 相位累加器 相位累加器是d d s 最基本的组成部分，用来实现相位的累加及存储其累加 结果 1 9 】。设当前相位累加器的值为。，一个时钟周期后变为川，则满足 。= 。+ k ( 1 l 8 ) 一n + i 一一 t 。o ， 可见，。是一等差数列，设。为初始相位值，显然 。= n k + z o ( 2 9 ) 图2 7 是相位累加器的基本结构框图，由一个n 位加法器和一个n 位寄存 器构成，它通常采用n 个d 触发器来构成。 图2 7 相位累加器的基本结构 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 正弦查询表 如前所述，d d s 查询表存储的是相位所对应的二进制数字表示的正弦量化 幅值。在一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高位对r o m 寻址，其输出为 该相位相对应的正弦幅值的二进制序列【2 1 1 。 在一块d d s 芯片中集成大容量的r o m ，可以提高输出信号的精度，但这 样会使成本提高，功耗增大，且可靠性下降。我们可以通过让累加器输出的低 位舍弃来压缩r o m 容量的方法加以改善。 数模转换器( d a c ) d d s 中，d a c 的作用是将相位所对应的二进制形式的波形幅值转换成相应 频率的模拟信号。根据前面的分析讨论，它输出的信号并不能真正连续可变， 而是以分辨率为最小单位的，其输出实际上是一个阶梯模拟信号。 2 3 2d d s 的理想输出频谱 要得到理想的d d s 信号，须满足以下三个条件【2 2 1 ： 相位累加器输出的位数无舍位，也就是用全部的位来寻址正弦查询表。 相幅转换器输出的相位码为无限精度，也就是正弦查询表的幅度量化值位 数要无穷大。 不存d a c 误差，也就是d a c 的位数要无限大，并且d a c 具有理想的模 数转换特性，不存在产生非线性的条件。 因为理想的d d s 在频率合成过程中不存在相位截断误差、幅度量化误差和 d a c 误差，因此整个d d s 相当于一个理想的采样保持电路，其中n c o 相当于 一个理想采样器，d a c 相当于一个理想保持电路。其系统冲激响应为： f 1 0 t t r h ( t ) = ，、 。 。 ( 2 - 1 0 ) 【u e l s e 输入正弦信号s i n ( 2 7 r f o t ) ，因为其频谱分布是在一z 和z 两个频率点上的冲 激，所以经过采样之后，得到的频谱是以采样频率7 ：为周期的原信号频谱的周 期重复。根据奈奎斯特采样定理，采样频率她必须大于或等于两倍的被采样信 号带宽，这样才不会发生混叠现象而无法完整地恢复原信号，因此d d s 的最 f， 高输出频率厶一须小于。在实际中，存在着镜象频率正一，为保证可以 有效地分开输出频率和镜象频率，d d s 的输出丘一一般只能等于z 的 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 3 0 4 0 t 2 3 1 。因此，在采样频率大于两倍的被采样信号带宽时，在 【- 丘2 ，以2 】频带内并没有引入新的频率点。1 t t ( 2 2 9 ) 式可得i l ( f ) 的频谱h ( f ) 为： h ( f ) = z & ( 7 r 屈) e m ( 2 一1 1 ) 其中，s a ( x ) = s i n ( x ) x ，为取样函数。时域卷积对应频域相乘，可见，理 想d a c 只是改变信号输出频谱的幅度和相位，并不增加新的频率点，因此，理 想d d s 情况下输出信号在 o ，正2 】内无杂散。 2 3 3d d s 的杂散特性和相位噪声特性分析 ( 1 ) 杂散特性分析 d d s 的数字化处理技术集中体现了频率分辨率高、频率转换快、输出相位 连续、便于集成可编程等优越性能。与此同时，d d s 的全数字结构也带来了不 利的一些因素，丰富的杂散随着主频率一起输出，使降低杂散设计成为一个系 统必须考虑的问题。d d s 的杂散噪声来源主要有三方面，分别是相位截断误差、 幅度量化误差和由d a c 转换产生的误差。现通过图2 8 ，分别讨论如下【2 4 1 。 相位截断误差幅度量化误差d a 转换误差 图2 - 8d d s 杂散来源模型 相位截断产生的杂散 为了得到一定的频率分辨率，通常相位累加器的位数取得很大，如果相位 累加器的所有位数都用来查询正弦函数表，则正弦函数表的容量会非常大。由 式瓴抽= z 2 可知，只要值取得足够大，就可以得到极高的频率分辨率。但 如果用全部的n 位来寻址r o m ，则需要极大的存储量，这个在实际中难以实现。 因此，实际中常使用相位截断方法，即用相位累加器输出的高w 位来寻址，舍 去其中低的b = n w 位。由此产生的相位截断误差是d d s 杂散的主要来源。 因为d d s 的输出通常都是正弦信号，有明显的周期性，相位截断方法相当于周 1 5 武汉理t 大学硕士学位论文 期性地引入了截断误差，造成输出信号带有一定的谐波分量，而表现在频谱上 就是杂散信掣2 5 1 。 当只取相位累加器输出地址线的高w 位作为寻址r o m 的地址线时，应有 s ( n ) ：s i n ( 2 万 等】筹) ( 2 1 2 ) 其中，算式i x 表示对x 作不大于x 的取整运算。 经转化，上式可表示为： s ( n ) ：s i n ( 2 万掣) ( 2 1 3 ) 其中妒( 刀) 为相位截断误差，并且有： 缈( 以) ：k 刀一2 b 【等】：( k 刀) m o d 2 矗 ( 2 1 4 ) 对s ( n ) 进行展开，有： s ( n ) - s i n ( 2 n 等) _ 2 万等c o s ( 2 万等) ( 2