摘要隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展人們對(duì)微波頻率源提出了更高的要求諸如頻譜純度、頻率范圍以及步進(jìn)等要素都成為關(guān)注的重點(diǎn)其中相噪更是首當(dāng)其沖地成為高性能頻率源的重要標(biāo)志之一文章從具體的需求角度出發(fā)對(duì)微波頻率源的建設(shè)提出了對(duì)應(yīng)的改進(jìn)構(gòu)想并針對(duì)相應(yīng)的構(gòu)想對(duì)相關(guān)相噪進(jìn)行了估算

關(guān)鍵詞微波;頻率源;實(shí)現(xiàn)方案;相噪

中圖法分類號(hào)：TN74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Implementation scheme analysis of microwave frequency source based on DDS

ZHAO Jian

（The 13th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract： With the rapid development of modern electronic technology，people have put forwardhigher requirements for microwave frequency sources，and factors such as spectral purity，frequencyrange and stepping have become the focus of attention.Among them，phase noise is the first tobecome one of the important symbols of high-performance frequency sources.From the perspective ofspecific needs，this paper puts forward corresponding improvement ideas for the construction ofmicrowave frequency sources，and estimates the relative phase noise for the corresponding ideas.Key words ： microwave，frequency source，implementation scheme，phase noise

微波頻率源能夠于多個(gè)參考頻率中產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于各類電子系統(tǒng)之中，在民用和軍用領(lǐng)域都十分常見(jiàn)，如廣播電視、高速（軌道）交通以及飛行器測(cè)控、精準(zhǔn)打擊等領(lǐng)域。微波頻率源自身的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性而直接成為影響對(duì)應(yīng)工作體系性能的直接因素，因此一直以來(lái)都受到國(guó)家的重視。

1? DDS 合成頻率源的特征

從技術(shù)層面看，微波頻率源使用非線性有源器件以及無(wú)源電路等共同參與工作，能夠?qū)⒅绷鞴β兽D(zhuǎn)變成為穩(wěn)定精確的射頻信號(hào)。通?？梢詫⑽⒉l率源分為自激振蕩型微波頻率源和合成型微波頻率源，并且后者相對(duì)而言應(yīng)用更為廣泛，具有頻率穩(wěn)定性高以及相噪低等優(yōu)點(diǎn)，且易于控制。但是，相對(duì)來(lái)說(shuō)技術(shù)難度比較大，成本也尚未得到有效控制。從技術(shù)指標(biāo)角度看，微波頻率源的主要性能指標(biāo)包括輸出頻率范圍、頻率分辨率、相噪、輸出功率及波動(dòng)、跳頻能力、調(diào)制狀態(tài)等，不同的應(yīng)用環(huán)境會(huì)對(duì)指標(biāo)的選擇有不同的側(cè)重。但是從整體上看，基本各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都會(huì)在一定程度上對(duì)噪聲做出要求，因此本文同樣從該領(lǐng)域展開(kāi)分析，考察微波頻率源的實(shí)現(xiàn)。

在此之前，首先對(duì) DDS 頻率合成技術(shù)進(jìn)行必要的了解。DDS 頻率合成技術(shù)，也就是常說(shuō)的第三代技術(shù)[1] 。本質(zhì)上，此技術(shù)以相位作為根本出發(fā)點(diǎn)而展開(kāi)頻率合成，因此能夠產(chǎn)生出多樣化頻率和波形的信號(hào)，對(duì)于初始相位的控制也因此變得簡(jiǎn)單。整體而言，DDS 頻率合成技術(shù)的特征首先表現(xiàn)在帶寬方面，依據(jù)奈奎斯特采樣定理可以確定，DDS 系統(tǒng)在理想狀態(tài)之下，其輸出頻率可以達(dá)到時(shí)鐘頻率的一半水平。換言之，DDS 合成頻率源的頻率上限可以由時(shí)鐘頻率進(jìn)行確定。并且在捷變頻速度方面， DDS 系統(tǒng)同樣具有顯著優(yōu)勢(shì)。DDS 合成頻率源本身屬于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，因此其轉(zhuǎn)換時(shí)間依賴于低通濾波器的時(shí)延。隨著時(shí)鐘頻率的不斷提升，轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)因此縮短，這就決定了 DDS 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間也會(huì)隨之不斷壓縮。

就目前而言，DDS 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間大多保持在 ns 級(jí)，捷變頻速度在頻率源領(lǐng)域可謂首屈一指。在步進(jìn)方面，DDS 頻率源能夠?qū)崿F(xiàn)超細(xì)分辨率，這主要是因?yàn)?DDS 系統(tǒng)的分辨率依賴于內(nèi)部相位累加器的長(zhǎng)度，并且滿足Δfmin=整體而言，DDS 頻率源基本可以滿足當(dāng)前社會(huì)的要求，其完全可以實(shí)現(xiàn)mHz乃至于μHz 數(shù)量級(jí)步進(jìn)。DDS 合成頻率源在相位連續(xù)方面同樣具有優(yōu)勢(shì)，本質(zhì)上看，其改變了相位增量，因此輸出信號(hào)上不會(huì)出現(xiàn)有其他信號(hào)疊加的情況。而在相噪方面，DDS 系統(tǒng)的本質(zhì)相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了分頻器功能，因此對(duì)應(yīng)的相噪必然能夠得到控制。DDS 頻率源的相噪，甚至可以控制到與時(shí)鐘噪聲同一個(gè)量級(jí)的水平。

除此以外，DDS 頻率源的缺點(diǎn)也不容忽視。首先，其工作速度會(huì)受到內(nèi)部變換器和 ROM 的制約，這也成為直接關(guān)系到其工作頻率的重要因素，直接將 DDS 系統(tǒng)的工作頻率約束在幾十 MHz 到幾百 MHz 范圍內(nèi)。并且這種完全由數(shù)字結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，其輸出信號(hào)雜散的問(wèn)題必然比較突出。而且這一問(wèn)題并無(wú)法通過(guò)相關(guān)的技術(shù)調(diào)整來(lái)進(jìn)行控制和解決，其來(lái)源于數(shù)字結(jié)構(gòu)自身的原理，屬于此類頻率源的固有不足。

2? DDS 頻率源相噪的計(jì)算

就目前的技術(shù)而言，單一的鎖相環(huán)無(wú)法解決解決細(xì)頻率分辨率與低相噪的矛盾，而單一的 DDS 又具有輸出頻率較低、雜散分量豐富的局限性，因此多考慮基于 DDS 小步進(jìn)低相噪，并且結(jié)合 PLL 和混頻、倍頻等相關(guān)合成技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于傳統(tǒng)多環(huán)方案缺點(diǎn)的克服。對(duì)于分辨率要求比較高，如要求不高于0.1Hz 的情況，必須使用 DDS 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的頻率源，但是受到 DDS 的限制，如果直接將其轉(zhuǎn)變到 S 或者更高頻段，則必然會(huì)造成輸出相噪和近載頻雜散成倍增加。針對(duì)這一問(wèn)題，可以考慮在 DDS 和混頻跟蹤鎖相環(huán)技術(shù)之上展開(kāi)混合式頻率合成。具體而言，其微波頻率源應(yīng)當(dāng)包括五個(gè)功能模塊，即參考倍頻、本振環(huán) PLL1， DDS、混頻跟蹤環(huán) PLL2以及控制模塊。具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1 。

參考倍頻模塊主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)于10MHz 信號(hào)實(shí)現(xiàn)倍頻、濾波以及放大處理，從而獲取所需要的 200MHz 參考信號(hào)。放大之后的信號(hào)會(huì)有三個(gè)去向，其一去往本振環(huán) PLL1作為輸入功率使用，其二作為 DDS 的時(shí)鐘信號(hào)，其三則是作為參與 DDS 混頻的本振信號(hào)而進(jìn)入到頻跟蹤環(huán) PLL2中。本振環(huán) PLL1的作用在于將從參考倍頻模塊中獲取到的200MHz 參考信號(hào)鎖相倍頻到3200MHz 的功能，來(lái)將頻譜轉(zhuǎn)移到 S 頻段，并且將產(chǎn)生的結(jié)果送到混頻跟蹤環(huán) PLL2中，作為混頻環(huán)的本振信號(hào)使用。DDS 模塊可以說(shuō)是微波頻率源的核心，該模塊接受來(lái)源于本振環(huán) PLL1的放大信號(hào)，并且能夠支持來(lái)源于單片機(jī)的控制。其能夠?qū)崿F(xiàn)0.1Hz 的頻率步進(jìn)，并且 DDS 輸出信號(hào)與 200MHz 信號(hào)進(jìn)行一次混頻，而后將產(chǎn)出的上混頻信號(hào)輸入到最末一級(jí)的混頻環(huán)中?；祛l跟蹤環(huán) PLL2的功能主要是對(duì)本振環(huán) PLL1輸出的3200MHz 信號(hào)展開(kāi)進(jìn)一步的混頻，并且與 DDS 模塊輸出的上混頻信號(hào)進(jìn)行鑒相，最終產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)并且進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)數(shù)控衰減[2]。

對(duì)于該方案而言，其核心問(wèn)題在于三個(gè)方面，即低相噪、低雜散以及小步進(jìn)的實(shí)現(xiàn)。本文只針對(duì)相噪方面的問(wèn)題進(jìn)行考察，其他兩個(gè)方面暫不多做考慮。

該頻率源的噪聲主要源于四個(gè)方面，即參考倍頻模塊、鎖相環(huán)、環(huán)路濾波中的放大器以及分頻器。如果設(shè)定對(duì)于頻率源的相位噪聲需要控制在-65dBc@1Hz 之內(nèi)，則在理論上可以進(jìn)行如下估算。

首先，10MHz 頻標(biāo)相位噪聲，通?？梢钥刂圃诓怀^(guò)-120dBc@1Hz 范圍之內(nèi)，對(duì)于這一噪聲的控制，主要可以通過(guò)選用穩(wěn)定度和低相噪的 BVA 恒溫晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于參考源模塊輸出的相噪而言，因?yàn)槿ポ敵鲱l率為200MHz，因此相噪惡化20lg20≈26dB，則對(duì)于200MHz 信號(hào)，其相噪大約為-94dBc@1Hz 。這兩個(gè)方面的噪聲，都是比較容易確定和估計(jì)的。而對(duì)于本振環(huán)（ PLL1）輸出相噪、DDS 方面的輸出相噪以及混頻跟蹤環(huán)（ PLL2）的輸出相噪，則需要另外進(jìn)行詳細(xì)估算。

對(duì)于本振環(huán)（PLL1）而言，如果用hittite公司推出的數(shù)字鑒相器予以實(shí)現(xiàn)，選擇 HMC440QS16G 的時(shí)候，則其在偏離載波1kHz 處的相噪基底大約為?230dBc @1Hz ，估計(jì)1Hz 與1kHz 處的相噪基底基本一致，因此這個(gè)環(huán)節(jié)的相噪主要來(lái)源于鑒相器基底相噪以及參考信號(hào)相噪。

于鑒相器而言，其頻率如果為200MHz ，則其所產(chǎn)生的相噪見(jiàn)式（1）：

式（1）中，F(xiàn)c 為鑒相頻率，N 為倍頻次數(shù)。則進(jìn)一步可以計(jì)算出結(jié)果見(jiàn)式（2）：

對(duì)應(yīng)的，參考信號(hào)所產(chǎn)生的相噪影響計(jì)算參見(jiàn)式（3）：

式（3）右側(cè)第一項(xiàng)為參考信號(hào)的相位噪聲，R 為分頻次數(shù)，則可以得到如式（4）：

綜上，輸出信號(hào)的相位噪聲，就應(yīng)當(dāng)是上述兩個(gè)方面的疊加，參見(jiàn)式（5）：

進(jìn)一步將前述計(jì)算所得代入，可以確定 LPLL1（f1Hz ）≈-69.9dBc/Hz 。由此可以看出，在這個(gè)領(lǐng)域之中，參考信號(hào)的影響力占據(jù)了決定性地位，而鑒相器基地相噪惡化影響則基本可以忽略。

對(duì)于 DDS 輸出的相噪估算，首先需要從 DDS 的芯片開(kāi)始。在相關(guān)領(lǐng)域中，ADI 公司的 AD9954在應(yīng)用中比較常見(jiàn)，相關(guān)資料顯示，當(dāng)輸出為17MHz 的時(shí)候，其相噪基底大約保持在 L′1（f）=-115dBc/Hz 水平，對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)相位噪聲貢獻(xiàn)見(jiàn)式（6）：

進(jìn)一步依據(jù)線性疊加公式可以確定，DDS 輸出相噪約為 LDDS （f1Hz ）=-112dBc/Hz 。因此，當(dāng) DDS 和200MHz 信號(hào)進(jìn)行混頻之后，一混輸出的相噪主要受到參考信號(hào)相噪的影響[3]。

對(duì)于混頻跟蹤環(huán)（ PLL2）而言，其本質(zhì)上的工作原理與本振環(huán)（PLL1）類似，鑒相器采用hittite公司產(chǎn)品，型號(hào)為 HMC44OQS16G，鑒相頻率為217MHz ，則鑒相器基底相噪對(duì)于輸出信號(hào)相噪的影響計(jì)算參見(jiàn)式（7）：

而與之對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)對(duì)于輸出相噪的影響見(jiàn)式（8）：

同樣依據(jù)線性疊加公式可以確定，混頻跟蹤環(huán)的輸出信號(hào)相噪大約為 LPLL2（f1Hz ）=-70.1dBc/Hz。

綜上所述，該系統(tǒng)獲取到的最終輸出信號(hào)的相噪可以用式（9）進(jìn)行表示：

也就是說(shuō)，該頻率源構(gòu)建方案在1Hz 處的相噪惡化主要集聚在對(duì)頻標(biāo)10MHz 相噪惡化方面，其他相關(guān)環(huán)節(jié)的影響相對(duì)而言有限，因此該結(jié)構(gòu)相噪能夠達(dá)標(biāo)。

3? 結(jié)論

在構(gòu)建一個(gè)微波頻率源時(shí)，相噪是首要考慮因素。雖然相噪并不是唯一決定因素（除此以外諸如低雜散以及小步進(jìn)等同樣需要有所滿足），但是相噪仍然是經(jīng)常被列為首位要素，是關(guān)系到頻率源能否投入應(yīng)用的關(guān)鍵。當(dāng)然，雜散抑制以及頻率分辨率也是需要加強(qiáng)分析的重點(diǎn)。在當(dāng)前時(shí)代背景之下，微波頻率源的構(gòu)建以及其性能的優(yōu)化，關(guān)系到多個(gè)方面應(yīng)用，必須謹(jǐn)慎對(duì)待、不斷改進(jìn)，從而滿足社會(huì)發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李志云，李英，李建波.移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)中基于用戶動(dòng)態(tài)需求的 D2D 數(shù)據(jù)分流方法[ J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021，34（1）：1?6+12.

[2] 丁海春，吳海濤，蘇衛(wèi)國(guó).基于 DDS 的多種調(diào)制方式頻率源的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2020，49（3）：192?194.

[3] 藍(lán)友.寬帶小步進(jìn)頻率源研制[ D].成都：電子科技大學(xué)：2020.

作者簡(jiǎn)介：

趙?。?994—） ，本科，研究方向：微波射頻頻率源。