基于双DDS跳变的捷变频率发生器的设计

Zhou Yan1 Liu Zushen2

(1. North University of China, Taiyuan 030051; 2. The 41st Institute of CETC, Bengbu 233006)

Abstract: As a measurement instrument, the frequency agile generator plays an important role in the field of radar,

communication and electronic countermeasure, etc. DDS makes it possible to output the high speed and fine resolution signal, so that it suits frequency agile synthesis. Recent years, frequency agile synthesis generally used the method of frequency multiplication and filtering the output of DDS. But after frequency multiplication, the phase noise and spur of broad band signal would be deteriorated. In this paper, the characteristics of direct digital frequency synthesis (DDS) in frequency agile signal synthesis are analyzed. Present the dual-DDS hopping scheme of broad band frequency-hopping signal synthesis. Using this scheme, the frequency agile generator is designed, and its output, as the carrier signal of a RF signal generator, is the fine hopping signal with 300MHz bandwidth.

Keywords: DDS; frequency agile generator; frequency agile synthesis; frequency-hopping

1 引 言 捷变频率发生器是雷达、通信、电子对抗等研究中极为重要的仪器。捷变频率合成常用方法: 直接模拟法、间接数字(数字锁相环PLL)法、直接数字合DDS具有频率转换时间短、频率分辨率成(DDS)法。高等优点, 适用于捷变频率合成。 由于数字锁相环法相能合成比DDS法杂散更低的信号, 国外常采用多重锁相环法合成捷变频率[10], 跳频速度可达3MHz, 但该方法为了达到快速切换和小频率步进的目的增加了结构复杂度, 相位噪声也受到限制。近年来, 国内常采用DDS倍频滤波法实 现捷变频率合成。文献[2]提出了一种DDS经多次倍频滤波合成300 MHz带宽信号的方法, 但多次倍频导致相位噪声恶化, 相位噪声测试结果仅为 −95 dBc/Hz[2]。而文献[3]介绍了一种DDS与微波直跳接合成的结合的方法, 输出宽带跳频信号频段高、变时间小于5 μs, 但结构复杂, 相位噪声受参考时钟电路倍频次数影响, 有所恶化[3]。 为避免多次倍频导致的相位噪声恶化、频率转换时间延长、杂散信号幅度与频率分辨率成倍放大等问题, 本文提出了一种双DDS跳变法, 通过双路DDS输出的跳变信号混频的方法实现捷变, 同时可达到优化相位噪声、改善杂散的目的, 可应用于某型本文于2009年12月收到。 第6期 基于双DDS跳变的捷变频率发生器的设计 · 591 · 号射频捷变信号源中载波发生模块的设计。 率为fSPUR=fCLK−fOUT[14], 杂散信号电平计算公式如下: SW=20lg[

fOUTsin(πfSPURfCLK)[14] ]fSPURsin(πfOUTfCLK)

2 捷变频率合成的性能分析 捷变频率发生器的重要性能指标有: 跳频带宽、跳频速率、频率分辨率、相位噪声、杂散抑制等。跳频带宽指频率合成输出的跳频信号总的频带宽度。跳频速率, 指单位时间内跳频次数, 单位跳/秒。频率分辨率指捷变频率合成中能够输出的最小步进频率, 即能精确控制输出的最小频率间隔。DDS对于合成短波、超短波等相对频率不高的信号, 在频率切换速度、分辨率和任意波形输出等方面具有明显优势, 适用于捷变合成。 相位噪声是随机噪声对载波信号调相产生的连续谱边带, 越靠近载频越大。DDS等效于分频比N= fCLK/fOUT的分频器, 相对参考频率源会有20logN dB的理论相噪改善。DDS输出信号相位噪声计算公式: ψ(f)≈ψS(f)−20log(fCLKfOUT)+δ[4] (1) 式中: ψ( f )为DDS输出信号的相位噪声, ψS( f )为参考频率源的相位噪声, δ 为热噪声与耦合噪声引起的相位噪声恶化因子, 最大为10 dB。 杂散信号指合成频率的输出工作带宽内以幅度或频率调制形式存在的不需要的信号或信号成分。杂散电平是杂散信号与输出主谱信号幅度之比的dB表示。DDS杂散主要来源: 相位截断、幅度量化和DAC非线性。 相位截断引起的第r次杂散信号的电平计算公式如式(2): SW≈−6W−20logr

[13] (5) 为避免输出混叠、保证滤波器对该杂散的滤除效果, 因而, 限制了DDS的输出频率。 3 捷变频率发生器的设计 3.1 设计要求 1) 跳频带宽: 300 MHz 2) 跳频时间: <500 ns 3) 频率分辨率: <1 Hz 4) 相位噪声: ≤−120 dBc／Hz @10 kHz 5) 杂散抑制: ≤−60 dB 6) 幅度范围: 30 dB 3.2 设计方案 双DDS跳变方案如图1所示。由杂散分析可知, DDS1生成的小步进跳频信号存在相位截断和幅度量化杂散。所选DDS芯片输出60 MHz带宽时杂散抑制<−63 dB, 滤波后满足系统要求。由相位噪声分析可知, DDS1输出信号相位噪声优于−131dBc/Hz@ 10 kHz(理论上, 混频和滤波不会造成相位噪声的恶化)。受DDS输出频率限制, DDS2输出需经倍频才能达到所需的远离馈通与谐波的频率; 为达混频本振电平, DDS2输出需增幅放大。最后经上混频, 得到300 MHz宽带、高分辨率、低杂散、低相位噪声的跳频信号。与DDS倍频滤波法相比, 大大降低了倍频次数, 优化了相位噪声。 (2) 式中: W为L位相位累加器的有效寻址位数。 幅度量化引起的杂散信号电平计算公式如下: SW≈−6S−14[13] (3) 当频率控制字K非2B的整数倍时(B为累加器舍弃位数), 相位截和幅度量化引起的杂散同时存在, 输出最大杂散信号电平计算公式如下: SW≈−6.02D−1.76[13] 式中: D为DAC位数。 DAC的非线性等非理想特性引起的杂散也导致DAC的非线性对DDS频谱的影输出频谱纯度降低。响主要表现为产生输出频率的谐波分量及谐波分量的镜像分量, 其中, 最靠近输出频率的杂散信号频 式中: S为正弦查找表有效存储字长。 图1 双DDS跳变方案 (4) 1 Dual-DDS Fig. hopping scheme 3.3 设计实例 设计捷变频率发生器, 输出300 MHz跳频信号, 作为某型号射频信号源的捷变载波信号。捷变频率发生器的硬件设计如图2所示。 · 592 · 电子测量与仪器学报 第24卷 图2 捷变频率发生器的结构设计图 Fig. 2 Configuration design of frequency agile generator 频率合成参考电路多采用锁相倍频或参考源直接倍频的方式实现。倍频导致参信号相位噪声恶化, 会直接影响系统的相位噪声。本设计采用锁相再分频的参考时钟电路, 输出1 GHz时钟信号杂散≤−70dB, 相位噪声≤−126 dBc/Hz@10kHz。 300 MHz带宽跳频信号由双DDS跳变方案实现。DDS1的跳频控制信号、DDS2的点频合成控制信号、开关滤波器组的选择控制信号及衰减器控制信DDS1跳频输出流程如图3 所示。 号均由FPGA集成。 串联更高精度的衰减器(Δ0.5 dB或Δ0.25 dB)提高输出电平的精度。 4 实验结果 实验测得捷变频率发生器频率范围680~ 980 MHz。如图4所示, 捷变频率发生器输出相位噪声为−121 dBc/Hz@10 kHz, 与倍频滤波法最优相位噪声−95 dBc/Hz@10 kHz[2]和多重锁相法最优相位噪声−115 dBc/Hz@10 kHz [10]相比有明显改善。图5所示为整个输出频带内杂散最差情况: 本振 射频输入180 MHz时, 输出740 MHz信号, 560 MHz、交调信号落在滤波器通带内, 杂散抑制−61.77 dB。相对倍频滤波法能达到的−60 dB杂散抑制[2]亦有改善。图6显示数字示波器实测捷变频率合成器跳频时间298 ns。与多重锁相法相比[10], 双DDS跳变法用更简单的结构得到更高的捷变速度。 图3 跳频流程图 Fig. 3 Flow chart of frequency hopping 最后, 利用衰减器控制输出电平实现30 dB幅度范围动态变化。一般要求幅度步进为1 dB, 可通过 图4 捷变频率发生器输出相位噪声 Fig. 4 Phase noise of frequency agile generator output 第6期 基于双DDS跳变的捷变频率发生器的设计 · 593 · tor[J]. 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