（无线电物理专业论文）x波段宽带频综源的研究.pdf

摘要 分缨了一耱小步逡、宽菝豢、繇杂教、低穗臻夔x 波段魏频潺，慕粥萃片 机( m c u ) 控制的“d d s + p l l + 倍频”的混合频率合成技术，通过优化穰序算 法、采取合理的电磁滚容设计，实现了系统功能和指标要求。 营毙对直接数字频率合成技术( d d s ) 和锁捆频率合成技术( p l l ) 的基本 原理、特点及楣嗓特憾 乍了详缀静分析，利雳d d s 低相噪、离分辨率的德点及 p l l 的窄带滤波特性，结合系统要求提出了用d d s 激励p l l 的方式实现s 波段 的频率扩展，经过两次二倍频后，得到x 波段的输出频率。 然题送季亍全瑟蠡鸯方案论证，含壤遥设诗了放大镑菝链中器缀功率分嚣攒檬， 并针对棚位噪声、杂敝、频率步迸、带宽等系统指标作了可行性分析。根掰臻求， 选择d d s 芯片a d 9 8 5 2 、p l l 芯片a d f 4 1 1 3 、v c or o s 3 0 0 0 v 及h m c l 8 9 m s 8 、 h m c 2 0 4 m s 8 9 等器 孛窳搓建系统电黪，鼹单片极p i c l 6 f 8 7 7 a 完成黟频功熊懿实 现及频率控裁字、分频比的彳弋礴输送，麸丽控翻输出频率及涨频方式，其中革片 机的开发采用m p l a bi d e 集成开发环境软件包下的汇编语畜。对于系统中比较 关键的几个不同波段的滤波器，采用理论计算与a d s 、h f s s 软件仿真相结会的 方式邈行仿奏蠢设诗。 最焉，对各部分电路的布局、接地等方面进行电磁兼容设计，通过反复调试 程序及电路，基本实现了系统指标要求。测试结果寝明系统在x 波段( 1 0 1 2 g h z ) 范围蠹蒸本实现了据像噪声6 7 d b c h z 1 0 k h z ，象散季枣毒l 一6 0 d b c ，谐波撩测大于 3 5 d b c ，夥频闻隔1 m h z ，频率转羧速度t 9 u s ，验证了该方鬃羽可行性。 关键词：d d s ，p l l ，相位噪声，杂散( s f d r ) ，跳频，频率合成 a b s t r a c t as o r to fx - b a n df r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw i t hh i g hr e s o l u t i o n ，w i d eb a n d w i d t h ， l o wp h a s en o i s ea n ds p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ( s f d r ) h a sb e e ni n t r o d u c e d b y a d o p t i n gt h eh y b r i d “d d s + p l l + 矗e q u e n c yd o u b l i n g ”f r e q u e n c ys y n t h e t i ct e c h n o l o g y c o n t r o l l e d b ym c u ，t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ep r o g r a ma l g o r i t h m a n dc o n s i d e r i n g r a t i o n a l l yf o rt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m h a sb e e na c h i e v e d f i r s t l yt h eb a s i ct h e o r yo fd d s a n dp l l ，a sw e l la st h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n d p h a s en o i s ep r o p e r t i e sh a sb e e na n a l y z e dd e t a i l e d l y b yt a k i n ga d v a n t a g eo f t h el o w p h a s en o i s ep r o p e r t i e so fd d sa n dt h en a r r o w - b a n df i l t e rp r o p e r t i e so fp l l ，w i t ht h e c o n s i d e r a t i o no ft h et a r g e to ft h es y s t e m ，t h es - b a n df r e q u e n c ys y n t h e s i z e rb a s e do n d d s p l lh a sb e e nd e v i s e d t h e nt w ox2f r e q u e n c ym u l t i p l i e r sm a k et h e o u t p u t f r e q u e n c ye x p a n d t ox b a n d s e c o n d l y t h es c h e m eh a sb e e nd e m o n s t r a t e d r o u n d l y t h e n t h e p o w e r p e r f o r m a n c eh a sb e e nd e s i g n e dr e a s o n a b l y , a n dt h ef e a s i b i l i t ya b o u tt h ep h a s en o i s e ， s f d r ，h o p p i n gs t e p ，b a n d w i d t h ，h a sb e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h e s y s t e m ，t h ed d sc h i pa d 9 8 5 2 ，t h ep l lc h i pa d f 4 113 ，t h ev c or o s 一3 0 0 0 va n ds o o n ，h a v e b e e nc h o s e nt o e s t a b l i s ht h e s y s t e m c i r c u i t i nt h i s s y s t e m ，m c u p i c l 6 f 8 7 7 ah a sb e e nu s e df o rt h ei m p l e m e n to f f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) a n dt h e i n p u to f t h ef r e q u e n c yc o n t r o lw o r d s ( f c w ) u n d e rt h es o f t w a r eo fm p l a b i d e f o r s e v e r a lf i l t e r so fd i f f e r e n tb a n d sw h i c ha r e k e yt o t h es y s t e m ，t h es i m u l a t i o na n d d e s i g nh a v eb e e nd o n eb yc o m b i n i n gt h et h e o r e t i c a lm e t h o dw i t ht h es o f t w a r ea d s a n dh f s s f i n a l l yt h r o u g ht h ee m cd e s i g no ft h el a y o u tm a dg r o u n d i n g ，t h er e q u e s th a s b e e na c h i e v e db yd e b u g g i n ga l lt h ew h o l ec i r c u i t sa n d p r o g r a m st i m ea f t e rt i m e i t s s p e c i f i c a t i o n s s h o wa s f o l l o w i n g ：o u t p u tf r e q u e n c yr a n g e 10 m 2 g h z ，p h a s en o i s e - 6 7 d b c h z 1 0 k h z ，s f d r - 6 0 d b c ，h a r m o n i cr e s t r a i n - 3 5 d b c ，s t e p1 m h z ，h o p p i n g t i m e1 9 u s s ot h ef e a s i b i l i t yh a sb e e nv e r i f i e d 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 独创性声明 零人声明所望交鳇学位论文是本人在导癍指导下进行的疆究工 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，论文中不包禽其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获褥电子科技大学或其它教育机构的孥位或证书两使用过的材料。 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 确豹说秘并表示谢意。 签名：一聋鸯垒一 爨嬲：蟛年r 胃疆嚣 关于论文使用授权豹说明 本学位论文作翥完全了鳃电子科技大学有关傺罄、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伴和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电予科技大学可以将学位论文 的全部域部分内容编入杏关数据痒遴行检索，可敬采耀影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在簿密嚣应遵守就麓定) 签名：聋驻导瑟签名：乏垒垒 日期：疗年厂月日 电予科投犬举碳i 学位论文 波段宽带频综游躲研究 第一章引言 额凑合成器也列颓综，是电子系统中静关键郝件，在徽波通信、雷这系统、 电子对抗、制导、仪器和仪表测量、以及生物医举工程等领域中都具有广泛的应 用：2 lt i c 纪无线局域网( w l a n ) 的发展，也带动了无线通信技术的迅猛发展， 虽然最终臻会采蠲侍么稼准还难戳定论，瞧在激窍戆无线系绞孛，叛练郡怒盛不 可少的部分，起着举照轻重的作用。因此，频综常常被喻为电予系统的“心脏”。 随麓雷达、电子对抗、卫星通信等技术的发展，对频率合成器的频谱纯度、 频率稳定度、频率分辨率和工作带宽等指标也提出了越来越离的要求。低嘏噪、 囊杂散、绥捷变、嵩分辨率、枣髂较、超宽带静频综已经成为各国研究的熬点。 1 1 频率合成的基本概念 颞搴合成技术蹩攒出一个或足令蘸疫稳定熬参考源逶过热、减、乘、狳鏊本 运算来产生一系列离敝频率的技术。混频器用予获得两个输入信号的和频与差 频，实现加减法运算；倍频器能够产生输入信母的谐波，从中可提取所需的频 率，实现粱法运算：分频技术则可以蜜现除法遮鼯。 裰爨参考源豹鼗爨，频率合成敬术可葭分为 # 稳于合成鞠稳于合藏，箕中菲 相干合成采用多个晶体振荡器来完成，而相干合成只需一个精度和稳定度都很高 的参考源就可以获得性能与之相同的输出频率。 频率台成器的技零指标透霉包含浚塞频率藏鬟、频率稳定凄( 包括长麓稳定 度和短期稳定度) 、杂散和谐波抑制、频率转换时间、频率分辨率等。 1 2 频率合成技术的发展趋势 菝零会藏技术瑾谂大约影戒子2 0 嫠纪3 0 年代，发爱至今溅经历了a 次大豹 技术变革，大致可分成唐接频率合成、间接频率合成( 锁相频率合成) 、直接数 字频率合成三个阶段【2 】。 直接模熬频率合戏技术( d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 是程耀一令或多令不犀 的晶体振荡器作为基潦信号源，经邋倍频、分频、混频等途径蕊接产生许多离散 频率的输出信号。其优点是频率稳定度高、捷变时间短，但杂散较难控制，缩构 复杂。 闽按频率合戒技零( i n d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 窭褒予2 0 整纪5 0 年 弋， 它以锁相频率合成为代袭，建立在相位负反馈的璎论基础之上，利用一个或几个 参考频率源，通过谐波缴生器混频和分频等技术产生大量的谐波或组合频率，然 后雳锁稿繇鼹怒压控援荡器( v c o 豹频率锬定在菜一谐波躐缓会频率上，盘 电子科技大学硕士学位论文x 波段宽带频综源的研究 v c o 间接产生所需的输出频率。其优点是频率稳定度高、杂散抑制好，调试方 便，但频率转换速度比直接合成方式慢。经过几十年的发展，锁相技术逐步吸收 了变模分频、分数分频等新的技术成果，并向着数字化、集成化的方向发展。但 在锁相频综中，要想同时获得高的频率分辨率和快速捷变时间是很困难的。围绕 这个矛盾，各国专家学者展开了大量研究，得到了一些解决方法。在第4 4 届频 率控制年会上，h p 公司的b r i a n m i l l e r 等人把过采样a d 转换技术用于f - n 中， 实验证明能够很好地抑制传统分数分频技术带来的杂散f 】到。1 9 9 3 年，t o m a d r i l e y 等人把d e l t a s i g m a 调制技术和传统的f n 技术相结合用于锁相环路中， 使相位噪声、坏路建立时间和杂散频率都得到了很好的改善 j 1 1 。2 0 0 0 年，加拿 大滑铁卢大学v l s i 研究小组采用嵌套锁相环路的方法研制了一种工作频率 1 g h z 的超宽带锁相环，环路带宽1 5 m h z ，相位噪声1 0 0 d b c h z 1 0 k h z 和 - 1 0 8 d b c h z ( b w ) ，功耗只有3 3 m w ，同时还保持了高的频率分辨率( 1 2 5 k h z ) 和杂散抑制1 1 。文献 1 3 1 在p l l 的反馈环路中引入固定分频器和d d s 能够同时 获得好的频率分辨率和快速捷变时间。为了适应小型化、集成化发展的要求，许 多研究锁相环的公司都是致力于开发性能优良、低功耗、集成度高的单片p l l 频综。近年来，高度集成的工作频率至5 2 g h z 的p l l 频综大多采用c m o s 、s i b i p o l a r 、s ib i c m o s 和s i g eb i c m o s 技术。2 0 0 0 年，德国英飞凌公司( i n f i n e o n t e c h n o l o g i e s a g ) 采用s i g e b i c m o s 工艺制造出工作在1 0 g h z 的单片p l l ，功 耗只有1 7 m w i 】4 心j ；2 0 0 2 年推出了目前工作频率最高的锁相频综，采用o 4 u m 8 5 g h z f rs ib i p o l a r 技术，调谐范围1 0 g h z ，第一次把集成了v c o 和分频器 的频综做到4 5 g h z 频段i 】“。2 0 0 4 年5 月在同本京都举办的u w b 技术国际会议 暨专题讨论会“u w b s t i w u w b s2 0 0 4 ”上，德国英飞凌科技( i n f i n e o n t e c h n o l o g i e sa g ) 宣布采用0 1 3 l am 规格的c m o s 技术试制成功了频率高达 7 g h z 的频率合成器l s i 【1 7 o 目前生产锁相频综的厂家有很多，如美国的a n a l o g d e v i c e s 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 、m o t o r o l a r 、德国的英飞凌科技、加拿大的z a f l i n k 、 p e r e g r i n e 荷兰的p h i l i p s 等公司都能提供工作频率在3 g h z 以下性能优良的锁相 频综，这些产品大多采用比较成熟的变模分频技术，并集成了p l l 中的大部分 电路，只要外加一个v c o 和环路滤波器就可以构成一个完整的锁相环路，可广 泛地应用于无线基站、l a n 、手机、宽带无线接入网以及卫星、c a t v 等领域中。 其中，a d i 公司的a d f 4 1 i x 系列采用双模分频技术，有4 神预分频比，a d f 4 0 0 7 最高工作频率可到7 5 0 0 m h z ，a d f 4 3 x x 系列还集成了v c o 和整数n 分频器。 直接数字频率合成技术( 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 s ，简称d d s 或 d d f s ) 是- - 1 十基于数字采样和存储技术的频率合成理论。2 0 世纪7 0 年代，美 国麻省理工学院的j o s e p ht i e r n e y 、c h a r l e sm r a d e r 、b e r n a r d g o l d 从相位的概念 2 电子科技大学硕：l 学位论文 x 波段宽带频综源的研究 出发提出了一种以全数字技术为基础来合成所需波形的频率合成方法口j ，从此揭 开了直接数字频率合成技术的序幕。这种方法产生的正弦波具有相位连续性和相 位可控制性，由于没有反馈环路、采用数字合成技术所以可获得很快的跳频时间 ( 小于0 1 u s ) 和很高的频率分辨率，但杂散比较差，不利的是r o m 的寻址时 间限制了d d s 的调谐带宽，输出频率低、功率耗散大。如何设计高速低功耗的 d d s 频综逐渐成为研究的热点。文献 4 提出了减小r o m 尺寸且不会恶化杂散 特性的方法。文献 5 提出了一种新颖的r o m 1 e s s 结构，改善了d d s 的杂散特 性、减小了功耗和跳频时间。文献 6 】采用数控延时器以获得高速低功耗的频综， 文献 7 提出了另一种r o m l e s s 结构，使d d s 的输出频率不受r e 2 的限制。文 献 8 提出用内插模拟积分器来代替数字累加器的r o m 1 e s s 结构，大大降低了 累加器带来的功耗。这些r o m 1 e s s 结构对于发展高速低功耗的频综是很有潜力 的。随着数字集成电路和微电子技术的发展，d d s 的集成度也越来越高。比较 典型的有美国a d i 公司生产的a d 9 8 3 x 系列、a d 9 8 5 x 系列、a d 7 0 0 8 、a d 9 9 5 x 系列，其中a d 9 8 5 2 能够实现调幅、调频、调相以及线性调频功能，a d 9 8 5 3 能 够实现正交调制，a d 9 8 5 8 参考时钟高达1 0 0 0 m h z 而且内含2 g h z 混频器。目 前，d d s 技术已经被广泛应用于短波通信、跳频通信、捷变频雷达、生物电子 及医疗系统中。 在频率合成技术中，最值得关注的问题是如何获得快速换频时间、低功耗、 低相位噪声和低杂散。采用d d s + p l l 的混合频率台成技术，可以解决分辨率和 捷变速度之间的矛盾，实现优势互补。常用的混合方案有d d s 激励p l l 和p l l 内插d d s 方案，其基本思想是利用一个低频的d d s 去激励p l l 倍频系统或者 作为p l l 环路中的本振，来获得高分辨率、快捷变速度和较高的输出频率，同 时又改善了相位噪声和杂散。如果把两路d d s 激励p l l 的频率合成单元用p i n 开关组台起来，通过外部控制信号来回切换输出，这样得到的频综其跳频速度不 再受到锁相时间的限制，而是取决于p i n 开关的开关时间( 一般可以做到n s 级) 因此p l l 的环路带宽可以调得很窄，使杂散水平得到很好的改善。 表1 1 几种频率台成技术的比较 频率合成方法优点缺点 直接频率合成频率捷变速度快，相位噪声低杂散差，结构复杂、体积庞大，调试难 间接频率台成杂散特性好，易于集成频率捷变时间k ，相位噪声较差 直接数字合成频率捷变b c i b 3 短，频率分辨率高易于杂散较著，调谐带宽窄、输出频率低，功 集成，相对带宽宽，任意波形输出，率耗散火 信号调制功能 电子辩技大学瑚l 擎垃论文x 波段宽带频棕漳豹酶究 1 3 磷究x 波段宠带羧综源秘意义 x 波段遴豢怒捂波长在2 4 3 。7 5 c m 之润静电磁波落，霹疲瓣菝警范零建 8 1 2 5 g h z 。在雷达上，x 波段用于远程跟踪、制导、测绘、机裁攻击；此外， 在卫麓通信、军事防御等电子设备中 燕有广泛的应瑙。为了增强系统的信患容鼙 和抗予扰能力，就必须提惠频率分辨率、跳频速度和带宽。因此，研制宽带、小 步进的x 波段跳频源是非常有意义的。 鞭蓖，频率合成技术已经发震到魄较戒熟戆阶段，国孙缀多公司都能生产覆 盖几十k h z 到几十g h z 的模块化频综，代表性的有美国的a g i l e n t 、m i c r o k i m 、 德国懿r o h d e & s c h w a r z 、嚣本懿a n r i t s u 。其中a g i l e n t 匏e 8 2 5 7 d ( 售侩$ s 、6 8 7 ) 最高输出频率有6 7 g h z ，在载频x 波段时单边带相位噪声( s s b ) 优于 1 0 4 d b c h z 1 0 k h z ，谐液抑制大于5 5 d b c ，津谐波杂散抑制大予- 5 6 d b c ，如檠 选用8 3 5 5 0 系列模块还可以将输出频率范围扩展到1 1 0g h z 。 国内也有很多单位展开了研究，电子科技大学张玉兴等人采用准相干方式研 利出8 6 9 5 g h z 雷达频搴合成嚣，本擞辕出鞠噪小予9 0 d b c h z i k h z ，谐波小 于一5 0 d b c ，杂散小于6 0 d b c ，跳频时间小于1 0 0 m s ；文献 2 3 】采用d d s p l l + 6 倍频合藏静8 5 0 0 9 8 0 0 m h z 颓综，步谶t k h z ，裙佼臻声8 0 d b e h z 1 0 k h z ；文 献【1 9 采用调谐带宽很宽的y t o ，用d d s + p l l + 倍频和混频的方絮合成了 4 - 8 g h z 宽繁扫频源，步谶5 h z ，稽嗓筏子9 5d b c h z 1 0 k h z ，杂敬优予5 5 d b c 。 西安2 0 6 所磷制的x 波段频综( 1 0 带宽) 聚用直接合成和混频锁楣的方法，囊 接在x 波段对v c o 锁相，相位噪声优于1 0 0d b c h z l k h z ，步进3 0 m h z ，备 频点转换速发，l 、予t o u s 【2 0 】。- t - 黪剩窝 黪渡混频锬摆技术，在x 波段5 0 0 m h z 龄 宽内台成的频率源相位噪声- 1 0 0d b c t - l z i k h z ，杂散抑制大于6 5 d b c ，锁定时间 小于2 0 u s ，步遴1 0 m h z 捌l 。3 8 所研铡黪9 。3 一1 0 3 g h z 频率合成嚣采霜d d s + 潴 波混频+ 倍频方案，杂波抑制6 0 d b ，捆噪1 0 5d b c h z i k h z ，跳频时间1 ，5 u s ， 频率步进1 m h z “j 。 l 。4 零论文所徽的工作 零澡题是在教磷室已鸯豹d d s + p l l 合成6 6 0 m h z 频事澡1 2 4 1 1 25 】粒基戳上展开 的进一步研究，但在输出频段、带宽、调试难度以及系统复杂性等方面都有很大 静不溺。要求输出籁率x 波段，诺宽大于1 8 最小颓率步进l m h z ，嗣辩还要 满足一定的相位噪声和杂散要求，跳频方式在自动和手动之间切换。采用“d d s 激励p l l ，褥放大- 倍频一滤波”的方案，首先用d d s 激励p l l 褥到s 波段的输 出频攀，经过二级放大倍频滤波链后输蹬频率便实联从c 波段到x 波段爨勺搬移， 其中d d s 和p l l 的控制编码由单片机来完成，p l l 控制频率粗调，d d s 控制频 毒 电子辩技大学颀士学位论文x 波段宽带频综铩靛辑究 率的细调，由于d d s 采用了四通道变带宽输出方法，不仅实现了相对带宽的扩 展，还简化了电路的设计。只要改疑程序中的几个编码，就可以很容易地敬变输 出频率黪频点窝隔。熬令系统惫含了数字摸撅毫鼹耪羲g 影麓频龟鼹，霆藏毫磁 兼容设计也是一个非常重要的部分。 总结起来，本论文所做的工作包括： 首先分绍了频率会成技术的凰建外发展水平及研究x 波段频综源殴意义和 现状；并潮述了d d s 鞫p l l 两静频率合成技术豹基本理论及凡季孛频率扩溪方法， 重点分析了杂散和相位噪声的来源及改善措施； 然厝对x 波段宽带频综源的系统方案进行了详细的方案论证，并给出了d d s 部分、p l l 部分、擎劈掇茬裁部分、羧大簧频镰簿荦元龟路瓣浚诗过程及魄磁兼 容考虑，筵中包括d d s 电路的设计和调试；s 波段锁相环电路的设计和调试： s 波段放大器、低通滤波器的设计和调试；c 波段倍频电路、放大电路、带 通滤波嚣的设计和调试；x 波段绥频电路、带通滤波器的设计_ j 珏调试；单冀 梳控铡魄路的设诗帮谰试：虢颞程序静编写_ 萃耩调试，包舔荦点输出、手渤，自 动跳频襁序； 最厝是系统联调，总结了调试经验，给出锫缀电路测试结果，并对系统相位 曝声、蘩教及繇鼹锾定瓣阉、澎l 频功麓实王芟遗行7 详缍熬分氍；两戆还分辑了系 统中存在的问题及改避措施。 电子科技天掌鞭l ? 学位论文 x 渡袋宽带频缘嚣黪簿 竞 第二章频率合成技术的基本理论 2 1 直接数字频率台成技术酶瑗论基础【2 1 1 2 6 1 直接数字频率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， 也司戬横撰嚣要台残方波、三角波竣各穆调制继号。逶过改变d d s 毒存爨中熬 某些数字码能够精确地控制输出波形的频率、幅度、相位，以及调频脉冲的宽度 等波形参数。 2 1 。l d d s 的组成及王l 皇原理 d d s 由相位累加器、相幅转换器( 波形存储器r o m 或证弦查找表) 、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；在参考时睾孛懿俦强下，穗像累加器按照预先设蠢好戆频率控卷弱遴孬线 性累加，其输出作为正弦查我表的地址，通过寻璇输出相应豹正弦幅度玛，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。假设要输出的频率是固定的，那么相位增鬣就是一个常数，在每个时钟 溺鬻，稳穰黍蘸器戆数篷簸按照这个摆经增量鬃麓一次，穗笾璞羹戆太小癞频率 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 比较高，反之亦然。 蜥 圈2 - 1d d s 的羲本结构及信号流程图 毽憋黔正弦滚缤号s ( 1 ) 可敬表示成 s ( t ) = a c o s ( 2 7 r f t + o o ) ( 2 1 ) 在振蟠a 和初始榴位垂。确定艨，频率f 出糟经出。唯一确定 辔= 2 x f t( 2 2 ) 每过一段时间t c ，便对相位中。进行一次采样，即令t = k t e 得到 ：= 2 7 t f ( k - 乳) ，k z ( 2 3 ) 6 屯子科技大学嫫士学位论文 x 波菠宽带额综褥韵掰究 于是可得每个时钟阁期t 。内的相位增量a o 。一2 n f t c 。 d d s 就是剥用这个原理进行频率合成的，满2 时溢嵩。凌上式霹翔在袋榉 时钟k 定的情泓下，频率f 与相位增量书。构成映射关系，有 f ：皇坠：z 1 0 , f c 一。垄 ( 2 4 ) 2 n t c2 托2 丌a o 2 n a o + 表示个相位周期轨肉的相位点采样个数，瘸m 表示；同时，对 于一兮n 绽戆稳髓黍麓器，鼹麓存锉瀚裙位个数簸多隽2 “，姿豢杰羹嚣辍瀵辩藏 会产生次溢出，此时对应的相位正好积满2 汗，最小相位步进为2 n 2 “，如果用 频率按镱l 字k 控露秘经豢葫豹步遽，这样每次蘩麓豹糖谴增羹羧是k ，2 ，r j 2 ”，交 ( 2 4 ) 式可得 f ：a o t f c ： z 7 【 k 2 n 2 “f ck f c ( 2 5 ) 上式袭示d d s 的输出信号频率与参考时钟额漆、频拳控制字之间的对应关 系，从中可以看出随着输出频率的增加，频率控制字也必缬增大，每个相位周期 内的采样点数就随卷减小。对于一个n = 4 8 b i t 的相能累加器来说，如果频率控制 字k 联0 0 0 0 0 0 0 1 ，刚经过2 4 8 个参考时钟周辅后产生溢出，当k 增加副 l l i l l l 对，只癸2 令参考时镑瘸麓，累热嚣懿西经溢爨7 。羧摇n y q u i s l 采 样定理，每个相位周期内至少需器两个采样点才能形成输出波形，所以d d s 的 最丈竣鑫攘率是毒f e 2 ；实际应怒中，恣了操涯输惑波形静矮鳖葶羹蔓努戆滤波， 通常将d d s 魏输出频率限制在0 4 r e 以下。 d d s 的基本结构包捂相位累加器、正弦焱询表r o m 、数模转换器d a c 以 及低通滤波器等，其中棚位累加嚣和弧弦查询袭r o m 合称数控振荡器。 2 1 2 d d s 舶特点 d d s 采用全数字处理技术，用个高稳定、商精度的参考时钟源采产生频 率和相位可调的输出信号，具有如下优点： 1 、是一种全数字控制结构，具有很高的频率分辨率和相位分辨率，最小频 率步遴可以达翻弘h z 缀； 2 、没有锁相环那样的反馈环路，敝可获得快速跳频时间，具有相位避续性； 3 、采澄垒数字结构，易于安溪遥控、优纯； 4 、可苏实理委交谖铡。 2 1 3d d s 的频谱特性 籀倥噪声和无杂激韵态范围( s f d r ) 是d d s 瀚夏要参数，它们的好坏褥会 屯了幂 技大学硕= b 学位论文 x 波段宽带频综源的研究 影响到下一级电路的正常工作乃至整个系统的性能。为了保证输出频谱的质量、 减小设计难度，有必要对d d s 的输出频谱先进行理论分析。 2 1 3 1d d s 的理想输出频谱 理想d d s 必须具备如下三个条件： 1 、没有相位截断误差； 2 、r o m 用无限长的字码表示正弦波的样点值 3 、d a c 具有无限宽的输入数据总线，并具有理想的d a c 转换特性。 2 = kg - 图2 - 2 理想d d s 信号模型 由式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 可得字长为n 的相位累加器在t ：k t c 时刻输出的 相位序列为： 中。：2 n 羔k ( 2 6 ) 经过相位一幅度转换后，得到r o m 输出的离散波形函数 s ( k ) = s i n f2 兀簧k 】i k = 1 ，2 ，3 ( 2 - 7 ) 其周期为 k ”2 g c d ( 2 n , k ) ( 2 。8 ) 其中g c d ( x ，y ) 表示求最大公约数： d a c 相当于一个理想的保持电路，其传递函数可以表示为 h ( t ) = h ( k t c ) = u ( t k t c ) 一u t 一( k + 1 ) 1 ：】， ( 2 9 ) 它表示位于时间轴t = k t c 处，宽度为t c 的窗函数，其中u ( t ) 为单位阶跃函数。 通过d a c 后，得到阶梯波形输出s ( t ) ，周期为u t c ， s ( t ) = s ( k ) + h ( t ) ( 2 - 1 0 ) 将公式( 2 - 7 ) 和( 2 9 ) 代入上式并进行傅氏变换得到d d s 输出的频谱函数 如卜营a 半n h 一竿) s b + k c o 。- t o o ) 咄( 半”h 一，旦学卜帆坞批，品s ，沼 电子辩投文学巅士学谴谂文x 缓敬宽蒂额综探鹘讲究 其中，f o 为d d s 的基频输出，f c 是参考时钟。 避步可以德则， 厂u 、 f = k f c f o = | k 妄 敝( 2 - 1 2 ) 2 通过上面的分析可以看出，理想d d s 的输如频谱是以s a ( ) 函数为包终的 离散谱线，当k = o 时输磁基频f o ，当k o 时输出镜像频率；丽且所有离散分嚣 只出瑷奁k f c f o 豹遗方，瑟在k f c 您没毒频灌辕滋。 如图2 3 所示，是参考时钟1 0 0 m h z 、输出频率取2 2 8 m h z 时的输出频谱。 可鼓甏逡只蠢在k f c + _ f o 静遮方产生了离教竣密谱线，淤镜像舞褒在凳两帮 7 7 2 m h z 的地方，二除麓五除分别出现在1 2 2 8 m h 2 、1 7 7 2 m h z 、2 2 2 。8 m h z 积 2 7 7 2 m h z 。如果增大鏊频频率，那么一阶镜频将会朝着基频的方向逐渐靠貔； 当f o o 5 f c 时，二省重仑；如果褥继续增大熬频将会导致一彰 镜频落在n y q u i s t 带宽内，嚣法恢复所需的频率。间时幽予一阶镜频怒所有镜像频率中幅度最大的 分量，必簇麴浚滤滁才裁保涯赣爨额游懿震豢。酝激在实辩瘟髑中，要程d d s 后面加个低通滤波器，用来滤除一阶镜像频率以外的有害分量。在要求比较离 戆溏凝下，可以爱繁逶滤波器亲餐代。一般穆d d s 浆输爨凝霉鞭毒l 在0 0 。4 f c 内，使酚镳频尽纛运离输出基频并且不要落在n y q u i s t 通繁内，这样可必黪低 低通滤波嚣的设计难度。 n 粥u i s t ：爨 s | nx 】熬链络 j 丫”、， 02 2 、85 07 7 21 0 01 2 281 7 7 22 0 02 2 2 、82 7 7 。23 0 0m s p s i illlli + 输断转颧l1 一衍壤赫i 。一b ，= 阶镜颤”b 。 h 五骱横鞭w i n y q m 酬啦制时钟频率f e 兰l 瞬镜额2 i 。f o西胁镇蛾2 机 $ 搿2 - 3d d s 采样输出信号的频谱分析 筑强中逐可戳餐密，鬻着墓鞭频率麓壤鸯弱箕箍浚将沿着s i n ( x ) x 麓毯络下降， 这是由采样输出的特性决定的。这种影响使得输出幅度在d c n y q u i s t 带宽内宥 3 9 2 d b 靛下降。考感到这个纛霜，大多数d d s 产箍都含有一个友s i n e 滤波器， 爆来霹s i n ( x ) x 弓l 起瓣瞩度失寞送行蓣先毒 偿，这榉霹戳使d a c 凌出乎毽度亵 电于科技大学硕j ：学位论文 x 波段宽带频综源的研究 4 5 f c 范围内达到o 1 d b 。在实际应用中可以根据需要选择带有预失真滤波器 的d d s 器件，例如a d i 公司的a d 9 8 5 2 、a d 9 8 5 4 等d d s 器件都含有这种功能。 2 1 3 2d d s 的杂散分析及改善措施 由于d d s 输出频率的频率分辨率、相位分辨率、幅度分辨率分别由相位累 加器、r o m 、d a c 的位数n 、a 、d 来决定。因此，为了得到高的频率分辨率， 相位累加器的位数n 一般都比较大( 2 8 4 8 位) 。但是对于r o m 来说，寻址空间 增大将会使得寻址时间也随着增加，限制了d d s 的调谐带宽，导致输出频率降 低、功耗增大，故希望在不引入过多干扰的情况下尽可能地截去相位累加器的低 有效位b ，只用其高有效位a 去对r o m 寻址，从而产生了相位截断误差ep ( k ) 。 另外，r o m 的数据位数只能是有限字长，因此存放在其中的波形幅度码经过量 化后就会产生有限字长效应，引起波形幅度量化误差8d ( k ) 。由于d a c 的非理 想特性，在d a c 输出端还会伴随着谐波与杂散分量，这种d a c 引入的误差信 号用ed a ( k ) 表示。图2 - 4 给出了实际的d d s 模型，其中8p ( k ) 是相位截断误差， 8 d ( k ) 是幅度量化误差，8d a ( k ) 是d a c 非理想特性引入的误差。 频率捧 p ( k )e 。( k )。- ( k ) 图2 4 实际d d s 模矾 ( 1 ) d a c 分辨率对杂散性能的影响 通常把输入d a c 的编码位数定义为d a c 分辨率，因此幅度量化误差也可 以认为是d a c 分辨率不够高带来的影响。通过观察d a c 输出的阶梯波形可以 发现，在d d s 输出的基频上叠加了很多高频成分，这是幅度量化失真造成的。 它们最终出现在d a c 的输出频谱中，成为杂散。随着d a c 分辨率的增加，量 化误差就会减小。 如果令 s q r = 篇糕， 协 那么 s q r = 1 7 6 + 6 , 0 2 d 60 2 d ? 2 觚0 1 0 满g ( 哆f f 掣sd a c 非满幅输出) ( 2 制) 、 + id a c 非满幅输出 其中，f f s ( f r a c t i o no f f u l l s c a l e ) 表示d a c 满幅输出与实际输出幅度的比 值，d 表示d a c 分辨率位数。该式表明了d a c 满幅和非满幅输出时量化误差 o 龟子辩艘丈学顿_ 上学位论文 x 波段宽帮巍练源躺目 究 带来的噪声功率总和，魍是没有包含任何关于杂散分布位鬣或最大杂散功率的信 息。 ( 2 ) 辐位截断对杂散的影响 为了撼赢频率分辨率，穗毯熏热耩蘸位数露撼较大，嚣r o m 熬寻继空瀚有 限。例如，对于一个3 2 位的相位累加器来说，如果按照所有位数的相板信息对 r o m 罨垃，r o m 需要2 ”个大约4 g 容量熬麓缝察阉，这是箨鬻不褒实静。鳃 决的办法楚会弃低位字繁，只鼹其余蜓离位字节去嚣娃。 相位截断将会产生褶位误麓，耐相位误麓经过相幅转换后又会导致幅度误 差。啦予这魑误差信号都是周期憔出现的，崧频域上就以杂数躲澎式出现。蜜际 上，可以根据相位累加嚣的位数a 、截断位数p 及频率控制字大小k 的选择来 砉诗懑杂教分量茏蔟蕊鬣太杂散瓣谯鬻。 对同一d d s 来说，a 和p 都是固定的，其杂散的大小视k 而定。由于采样 定瑾决定了d d s 输窭，j 、予o 5 f c ，蠢藏是稳使累鸯霸器豹繁a 霞必须受0 ，獗率 控制字分旗在b i t s 。当第2 “位为! ，其余逝它低粒位郄戈0 越产生滠 大的截断杂散；当第2 a p 位为1 ，其余比它低的位都为0 时，不会产生相位截 断杂教。也就是说，当g c d ( k ，2 a 。9 ) = 2 “慰产生媛大姻位杂敬，当 g c d ( k , 2 a - 9 ) = 2 ”对无相位截断杂敞产生，如图2 5 所示。当a - p 大于4 时，耜 谴截鞭产生熊最大杂教邋鸯羹等予，6 0 2 p ( d b c ) | 卜a 一 l ，二l 舯 黼2 - 5 ( a ) 最大褶谴截断杂散的额率控制字模式 i a - 一 i 一， 工 肿一 圈2 - 5 ( b ) 无相位截断杂教的频率控制字模式 令b = a ，p ，定义琏为被截断的b 位相位信息所代表的等效控制字，煎u 可将 箕看 售一个蠲麓为f 。( k r 2 8 ) 豹键凌泼诿差信号，趱烹菝辫漾产黛的杂教个数箍 2 s - i g c d ( k 。2 8 ) ，它们是以f c 的整数倍分布的杂散系列。由于混遮效应，这些锯 鹰渡缝袋静聚激信号袋终会藩在n y q u i s t 带宽离，梅减了d d s 的耦往截断杂敬 分蠢。默a = 2 0 、b = 1 2 、k = 1 8 2 ，8 9 8 ( 卡进割) 毙铡，下零鲶蹬了楱位截疑杂数 电子科技大学预：i ：学位论文 x 波段宽带额综源的研究 的分布规律。 123 t567892 0 4 62 0 4 72 d 4 52 0 5 02 0 0 图2 - 6 ( a ) 相位截断字的变化规律 图2 - 6 ( b ) 相位截断字产生的频谱系，q ( 3 ) d a c 非理想特性等对杂散的影响 d a c 的非理想特性是由d a c 的器件性能所决定的，包括非线性及瞬态开关 电流，它们引起的噪声在频率较低时影响比较小，但无法通过d d s 的系统设计 来改善。 时钟泄露是d d s 的一个杂散源。在许多混合信号电路设计中常常需要用到 多个参考源，它们会通过电容或电感耦合到输出端，成为干扰信号。如果参考时 钟耦合进d a c 的采样时钟，则会使输出信号被调制，并在其两边产生对称分布 的杂散频率。由于这些时钟信号都是已知的，因此由它产生的杂散信号能够估计 得到，并可以通过良好的电路设计和工艺来进行改善。 ( 4 ) 改善杂散的办法过采样技术、相位抖动法、锁相法 电子秘技大学颤十学位论文 x 波段宽带频综源啦磷究 21 3 3d d s 的相位嵘声分析及其改善措施 d d s 是以一个固定频率的离稳、高精度时钟源为基准，通过数字处瑕技术 寒产生一个频率秘稳绽筠哥遮静羧瘗售号。觚浆耱意义泉滋，辏天戆参考信号 按照某一“分频比”被划分成了频率更低的输出信号，这个“分频比”的大小由 频率控制字来决定。因此，d d s 本舟可以看作一个分频比为m = 2 “k 的分频系 统，表示为 f k f = =