潘陽(yáng)卉，程龍寶，楊 振

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

跳頻通信中載波頻率受到偽隨機(jī)碼的控制而進(jìn)行跳變，與其他通信方式相比，具有更好的保密性和抗干擾性，其中高速跳頻抗干擾能力極強(qiáng)，基本認(rèn)為不可破解，廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域。頻率源是跳頻通信中的關(guān)鍵部分，在傳統(tǒng)頻率合成方式中有直接頻率合成(DS)、直接數(shù)字頻率合成(DDS)和間接頻率合成(PLL)[1]。直接頻率合成法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然跳頻時(shí)間和相位噪聲等指標(biāo)都較好，但是往往設(shè)計(jì)的成品體積較大，難以滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。DDS跳頻時(shí)間短、頻率分辨率高，但輸出雜散較多，而PLL輸出雜散好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是跳頻時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此這2種方案常常被結(jié)合使用[2]。乒乓式鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)能夠縮短一半的鎖相時(shí)間，常常被用于高速跳頻系統(tǒng)中[3]，本研究采用乒乓式鎖相結(jié)構(gòu)結(jié)合DDS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了跳頻時(shí)間小于1 μs高速跳頻頻率源的設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性地采用2路DDS基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)的雜散指標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

DDS[4]跳頻時(shí)間非?？?，基本在ns級(jí)，但是其輸出頻率受到奈奎斯特定理的限制，實(shí)際最高頻率輸出較低，因此本文設(shè)計(jì)在低頻段使用DDS。而PLL法，即利用鎖相環(huán)電路進(jìn)行頻率合成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且得到的相位噪聲和雜散等指標(biāo)都較好，本文設(shè)計(jì)采用鎖相環(huán)倍頻電路將DDS得到的低頻段頻點(diǎn)進(jìn)行12倍頻得到最終輸出頻率，因系統(tǒng)需要較高的跳頻時(shí)間指標(biāo)，最終采用乒乓式鎖相倍頻電路，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速跳頻頻率源系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由FPGA控制模塊、乒乓式鎖相倍頻模塊和DDS模塊組成，設(shè)計(jì)時(shí)首先需要對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行規(guī)劃，結(jié)合系統(tǒng)雜散和跳頻時(shí)間等指標(biāo)選擇乒乓式鎖相倍頻電路的鑒相頻率。FPGA控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的骨架，具有對(duì)外通信，對(duì)內(nèi)整機(jī)控制的功能。乒乓式倍頻鎖相環(huán)決定了跳頻時(shí)間等系統(tǒng)的主要指標(biāo)，選定芯片后需要重點(diǎn)對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)DDS的輸出雜散嚴(yán)重的問(wèn)題，對(duì)雜散來(lái)源進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)2路基準(zhǔn)時(shí)鐘為不同頻點(diǎn)提供不同的時(shí)鐘頻率來(lái)保證雜散指標(biāo)。

2 系統(tǒng)頻率規(guī)劃

系統(tǒng)輸出頻率為6.38～7.38 GHz，乒乓式鎖相環(huán)采用超低相位噪聲指標(biāo)的鑒相器件HMC440QS16G，其最大VCO輸入頻率為2.8 GHz。

(1)

式中，Int函數(shù)表示取整，則環(huán)路至少需要外加一個(gè)三分頻器，本方案選用四分頻器HMC365G8。鑒相芯片HMC440QS16G的最大鑒相頻率為1 300 MHz(小于DDS最大輸出頻率1 400 MHz)，需調(diào)節(jié)鑒相芯片的N分頻為二分頻及以上。因此可選的鑒相頻率為797.5～922.5 MHz、532～615 MHz、398.75～461.25 MHz等。

經(jīng)測(cè)試，頻段797.5～922.5 MHz的輸出雜散比較嚴(yán)重，舍棄。

由于鑒相頻率決定了鑒相器的比較速度，鑒相頻率越大，電荷泵[5]對(duì)環(huán)路濾波器的充放電到達(dá)預(yù)制電壓的時(shí)間越短，因此跳頻時(shí)間越短。同時(shí)鑒相頻率的增大也會(huì)優(yōu)化相位噪聲指標(biāo)[6]，最終選擇鑒相頻率為532～615 MHz。

3 DDS雜散的分析

DDS的雜散抑制度是一個(gè)重要的指標(biāo)[7]，其雜散來(lái)源主要有相位截?cái)?、幅度量化和DAC的非線性3個(gè)方面。本方案中DDS雜散對(duì)系統(tǒng)雜散指標(biāo)影響很大，并且系統(tǒng)的快速跳頻特性使乒乓式鎖相環(huán)電路的環(huán)路帶寬較大，對(duì)通過(guò)濾波器的DDS雜散抑制性能較差，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)保證一定的DDS雜散輸出指標(biāo)。DDS原理圖如圖2所示。

圖2 DDS原理

3.1 DDS理想輸出頻譜

理想DDS相當(dāng)于一個(gè)采樣—保持電路[4]，相位累加器組合波形存儲(chǔ)ROM就是一個(gè)采樣電路，而后面的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路為保持電路。設(shè)DDS輸出頻率為fo，基準(zhǔn)時(shí)鐘為fc，頻率控制字為k，相位累加器字長(zhǎng)為N。

其輸出譜線是由無(wú)數(shù)根位于nfc±fo的點(diǎn)頻組成，而且這些頻點(diǎn)的幅度滿足Sa函數(shù)的形狀，頻率越低幅度越大，如圖3所示。fc比f(wàn)o大得多，幅度最大的雜散也離輸出信號(hào)較遠(yuǎn)，因此容易被后級(jí)濾波器濾除，本系統(tǒng)中采用的濾波器中心頻率572.5 MHz，帶寬85 MHz。

圖3 理想DDS頻譜

3.2 相位截?cái)嘁鸬碾s散

前面分析理想DDS的頻譜時(shí)，假設(shè)相位累加器有N位字長(zhǎng)，ROM的容量為2N，輸出頻率fo滿足：

(2)

N越大DDS的頻率分辨率也就越大，但是當(dāng)N取得很大的時(shí)候，ROM的容量2N必然也會(huì)很大，由于成本和體積的限制，不希望ROM的容量過(guò)大，因此在實(shí)際使用時(shí)只取相位累加器的高M(jìn)位取ROM尋址，此時(shí)ROM的容量就只有2M，這就是相位截?cái)?。在相位截?cái)嗪?，DDS的頻率分辨率不變，因?yàn)橄辔焕奂悠鞯淖珠L(zhǎng)還是N位，當(dāng)K=1時(shí)，完成一次采樣需要的時(shí)間為2N·Tc。則信號(hào)頻率為fo=1/(2N·Tc)，即DDS頻率分辨率依舊為fc/2N，相位截?cái)鄬?shí)際是將采樣后的輸出波形的可輸出點(diǎn)數(shù)減少了。

設(shè)因相位截?cái)嗌崛位，mod表示取模運(yùn)算，Gcd表示取最大公約數(shù)。

b=kmod 2B，

(3)

(4)

(5)

相位截?cái)鄮?lái)的雜散信號(hào)的頻譜分量為：

f=lfc±fo±fn，

(6)

設(shè)：δ=-l+n·a/λ，則

各頻率分量對(duì)應(yīng)的雜散幅度為：

(7)

相位累加器有效尋址位數(shù)每增加一位，雜散性能就提高6.02 dB[8]。N=9，B=3，K=3時(shí)相位截?cái)鄮?lái)的雜散如圖4所示。

圖4 相位截?cái)鄮?lái)的雜散

3.3 幅度量化引起的雜散

相比之下幅度量化帶來(lái)的雜散一般比較小，而且幅度量化帶來(lái)的雜散頻率與相位截?cái)嗪屠硐隓DS輸出雜散是重合的，即沒(méi)有帶入新的雜散，只是增大了雜散的幅度[9]。

3.4 DAC的非線性引起的雜散

DAC的非線性帶來(lái)的雜散分布：

f=αfc+βfo，

(8)

式中，α，β為任意整數(shù)。其雜散的幅度特性根據(jù)不同DAC的特性會(huì)有不同的表現(xiàn)[10]。

本次設(shè)計(jì)在理論分析的基礎(chǔ)上需經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出每個(gè)頻點(diǎn)的在不同基準(zhǔn)頻率下雜散電平特性，為每個(gè)頻點(diǎn)選擇合適的基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)使不同頻點(diǎn)的強(qiáng)雜散都盡量分布在環(huán)路帶寬外，2個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘下雜散都無(wú)法滿足要求的頻點(diǎn)舍去。

因此本方案需要2個(gè)鎖相環(huán)為2路DDS產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘，采用單一的基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入難以滿足雜散要求。

4 乒乓式倍頻鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

4.1 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

本方案采用的鑒相芯片沒(méi)有電荷泵電路[11]，輸出電壓無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)VCO，需要采用雙端輸入有源濾波器。有源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，需合理選擇濾波器階數(shù)，確定合理的環(huán)路帶寬和相位余量[12]。

一般工程上都選用3階及以下的環(huán)路濾波器，低階環(huán)路濾波器基本能滿足需要，并且使用高階環(huán)路濾波器的鎖相環(huán)系統(tǒng)難以穩(wěn)定。本系統(tǒng)采用3階有源環(huán)路濾波器，此時(shí)環(huán)路濾波器不僅起到將輸入電壓進(jìn)行積分的作用[13]，還可以濾除鑒相器輸出雜波和放大器自激雜波。

設(shè)環(huán)路的頻率特性為H(jw)，環(huán)路帶寬BL定義為：

(9)

環(huán)路帶寬參數(shù)與系統(tǒng)相位噪聲和鎖定時(shí)間等指標(biāo)有關(guān)[14]。環(huán)路帶寬越大，所需鎖定時(shí)間越小。系統(tǒng)的相位噪聲來(lái)源于混入輸入信號(hào)的熱噪聲和由環(huán)路部件如鑒相器、環(huán)路濾波器、VCO引起的環(huán)內(nèi)噪聲。環(huán)路對(duì)輸入相位而言是一個(gè)低通濾波器[15]，輸入相位噪聲是分布很廣的高斯噪聲，因此環(huán)路帶寬越小輸入，輸入信號(hào)的熱噪聲引起的相位噪聲越小。環(huán)內(nèi)噪聲主要包括調(diào)頻白噪聲、閃變?cè)肼?、疊加噪聲，除疊加噪聲外其余噪聲主要影響帶外相噪隨環(huán)路帶寬的增加而減少。

相位余量說(shuō)明了鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度[16]，過(guò)小可能會(huì)引起鎖相環(huán)系統(tǒng)震蕩，而過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鎖定時(shí)間增加等問(wèn)題，一般工程應(yīng)用中相位余量選用范圍45°～48°。

本方案設(shè)計(jì)的環(huán)路濾波器如圖5所示，其中環(huán)路帶寬設(shè)為3.5 MHz，相位余量為45°。

圖5 環(huán)路濾波器

4.2 跳頻時(shí)間預(yù)算

整個(gè)系統(tǒng)的最小跳頻時(shí)間由DDS鑒相頻率產(chǎn)生時(shí)間、鎖相環(huán)跳頻時(shí)間和開(kāi)關(guān)切換時(shí)間3部分組成。HMC23 2LP4開(kāi)關(guān)切換時(shí)間為6 ns忽略不計(jì)。

AD9914采用并行編程模式時(shí)，鑒相頻率的產(chǎn)生可分為數(shù)據(jù)寫(xiě)入、等待UPDATA信號(hào)和頻點(diǎn)產(chǎn)生3個(gè)步驟。FPGA將FTW數(shù)據(jù)傳入后，只有UPDATE信號(hào)上升沿被SYNC_CLK采集到時(shí)DDS才會(huì)輸出頻點(diǎn)。

若基準(zhǔn)時(shí)鐘為3 GHz，

T頻點(diǎn)產(chǎn)生≈320·SYNC_CLK≈107 ns。

(10)

UPDATA信號(hào)由外部輸入，其更新周期不可小于鎖相環(huán)鎖定時(shí)間，鎖相環(huán)鎖定時(shí)間遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)間，所以TDDS唯一決定于產(chǎn)生頻點(diǎn)時(shí)間，約為107 ns。

鎖相環(huán)鎖定需要的時(shí)間為頻率牽引時(shí)間加上快捕時(shí)間，高增益二階環(huán)的頻率牽引時(shí)間Tp(從初始頻差牽引到快捕的邊沿需要的時(shí)間)[9]為：

(11)

快捕時(shí)間，一般在2π/wn量級(jí)，較難計(jì)算。設(shè)ftol為頻率鎖定誤差容限，fjump為頻率跳變量，工程上一般用經(jīng)驗(yàn)公式(12)預(yù)估跳頻時(shí)間：

(12)

經(jīng)過(guò)ADIsimPLL仿真得到PLL的跳頻時(shí)間如圖6所示。

圖6 跳頻時(shí)間仿真結(jié)果

通過(guò)仿真可知設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)的跳頻時(shí)間的量級(jí)，但是與實(shí)際的結(jié)果還是有較大差距的。因此需要對(duì)鎖相環(huán)路不斷地進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試，得到最佳的結(jié)果。

4.3 相位噪聲的預(yù)算

晶振OXLN202B-S-GT-R@100 MHz的相位噪聲[11]為-160 dBc/Hz/10 kHz，HMC440QS16G的噪聲基底為-153 dBc/Hz/10 kHz@100 MHz，限制整個(gè)頻率源的相位噪聲，所以DDS基準(zhǔn)時(shí)鐘的相噪為：

PN=PNfloor+20lgN+10lgfPFD=

-123 dBc/Hz/10 kHz。

(13)

經(jīng)過(guò)DDS后相位噪聲約優(yōu)化20lg5，為-137 dBc/Hz/10 kHz。這時(shí)輸入噪聲已經(jīng)成為主要影響因素，因此經(jīng)過(guò)乒乓式倍頻鎖相環(huán)后的相位噪聲為：

-137 dBc/Hz/10 kHz+20lg12=-115 dBc/Hz/10 kHz，

(14)

理論上滿足設(shè)計(jì)要求。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)于雜散指標(biāo)使用中電集團(tuán)的AV4036頻譜儀進(jìn)行測(cè)量，輸出頻點(diǎn)6.38 GHz時(shí)最大雜散為-63.48 dBc，如圖7所示。經(jīng)測(cè)試工作帶寬內(nèi)的所有頻點(diǎn)雜散滿足-60 dBc。

圖7 系統(tǒng)雜散實(shí)測(cè)結(jié)果

相位噪聲指標(biāo)用Agilent公司的E5052B相噪儀進(jìn)行測(cè)量，在輸出頻點(diǎn)6.8 GHz時(shí)相噪達(dá)到-106.725 dBc/Hz/10 kHz，-101.498 dBc/Hz/100 kHz，-108.903 dBc/Hz/ 1 MHz，如圖8所示。經(jīng)測(cè)試工作帶寬內(nèi)的所有頻點(diǎn)相位噪聲滿足實(shí)際使用需求。

圖8 系統(tǒng)相位噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果

乒乓式鎖相倍頻電路單環(huán)最大跳頻時(shí)間(6.38～7.38 GHz)為1.76 μs，如圖9所示。實(shí)測(cè)系統(tǒng)最大跳頻時(shí)間小于1 μs。

圖9 單環(huán)鎖相環(huán)跳頻時(shí)間實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)比國(guó)內(nèi)頻率源的研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)的C波段頻率源最大的優(yōu)勢(shì)在于其跳頻時(shí)間參數(shù)，1 μs的最大跳頻時(shí)間能滿足大部分快跳體制通信系統(tǒng)的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

盡可能快的跳頻時(shí)間是近年來(lái)快跳體制通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，本文針對(duì)此特性設(shè)計(jì)了一款寬帶跳頻源。與其他方案相比，本文設(shè)計(jì)中充分考慮了雜散和跳頻時(shí)間性能，經(jīng)測(cè)試證明該系統(tǒng)具有跳頻時(shí)間極小、雜散抑制好、相位噪聲低、體積小、控制簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以為跳頻通信系統(tǒng)提供高性能的頻率源，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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