作者：王仁發(fā);林秩盛;陸南昌;熊燕

數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)是現(xiàn)代收發(fā)信機(jī)的核心，其性能直接影響通信質(zhì)量的好壞，其主要部分是集成鎖相式頻率合成器。集成鎖相環(huán)與微處理器結(jié)合，可由微機(jī)控制完成頻率合成器的全部功能。

本文實(shí)現(xiàn)了一種與常規(guī)雙環(huán)方案完全不同的新雙環(huán)方案。該方案使用較高的鑒相頻率，采用直接數(shù)字合成（DDS）芯片，通過改變DDS的時(shí)鐘頻率和頻率控制字，使參考鑒相頻率產(chǎn)生較小的變化，就能改變環(huán)路的輸出頻率，達(dá)到精確頻率合成的目的。該方案既解決了小頻道間隔與高頻譜純度間的矛盾，又具有高的轉(zhuǎn)換速度;由單片微機(jī)完成計(jì)算和控制。

1 新方案原理

系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖如圖1所示。其中B環(huán)使調(diào)諧器輸出頻率f0作較大變化，A環(huán)為DDS芯片提供時(shí)鐘頻率fc，只要改變A環(huán)總分頻比NA和DDS的頻率控制字，使DDS輸出頻率fd作小變動(dòng)，便可使f0以較小間隔頻率作步進(jìn)改變。

圖1 方案原理圖

設(shè)A、B環(huán)中鑒相頻率分別為100kHz和300kHz（由晶振與fd分別經(jīng)參考分頻器得到），雙模分頻與頻率合成芯片中的程序分頻的總分頻比分別為NA和NB， f0=1700MHz“1850MHz， f′0=850MHz”925MHz， △f0=25kHz，則由環(huán)路鎖定時(shí)的頻率關(guān)系得到△fd=4.16Hz～4.41Hz;所以只要△fd≤4.41Hz，便可使輸出的頻率分辨率達(dá)到25kHz。一般DDS的輸出頻率間隔做到小于0.1Hz，即可滿足本要求。同理，當(dāng)△f0＝±150kHz時(shí)（NB每改變1，f0變化300kHz），△fd＝±（25～26.47）Hz， 只要fd最大改變量為±26.47Hz，便可使△f0覆蓋300kHz。上述表明采用DDS后，完全可使兩環(huán)路使用高的鑒相頻率，可大大提高頻率轉(zhuǎn)換速率。

上述方案中采用的DDS是一種取樣系統(tǒng)，且存在相位舍位誤差、幅度量化誤差、DAC的非線性引起的誤差等，故其輸出為復(fù)合信號(hào)頻譜，包含DDS輸出頻率fd、時(shí)鐘頻率fc及其各次諧波、各種組合頻率以及其它虛假信號(hào)。根據(jù)文獻(xiàn)的推導(dǎo)，實(shí)際DDS的輸出頻率ω為：

B為從相位累加器N中舍去的低位數(shù)，K為頻率控制字;mωp為相位舍位產(chǎn)生的雜散，nωc為時(shí)鐘的各次諧波，lωd為輸出的各次諧波。

其中，fc-fd雜散分量的幅度最大，即輸出信號(hào)的雜散抑制度決定于該fc-fd的幅度和LPF的帶外抑制度。如果fd與fc-fd之間的頻率間隔越大，則主頻與雜波之間的幅度差就越大，這樣就可減小雜波對(duì)DDS的影響。一般的晶振頻率都不是很高，但是利用鎖相環(huán)（A環(huán)）就可以得到想要的頻率，以增加主頻和雜波之間的頻率間隔。

另外，在式（1）中，第一項(xiàng)由相位舍位引起，該雜散可以通過選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率和頻率控制字以減小其影響。由式（2）可以看出，當(dāng)K-int（K/2B）·2B=0，ωp=0，此時(shí)相位舍位不會(huì)使DDS的輸出頻譜產(chǎn)生雜散。因此可以利用鎖相環(huán)（A環(huán)）為DDS提供時(shí)鐘信號(hào)。由于A環(huán)是鎖相環(huán)，因此DDS的時(shí)鐘頻率是可變的，可以通過調(diào)整DDS的時(shí)鐘來抑止其雜散，也可通過改變它來改變DDS輸出頻率， 從而改變整個(gè)輸出頻率。通過軟件編程還可以實(shí)現(xiàn)跳頻的功能。

2 電路的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)電路分為A環(huán)、DDS單元、B環(huán)、二分頻單元、單片機(jī)控制單元共五個(gè)部分。

2．1 DDS電路的設(shè)計(jì)

DDS選用AD公司的AD9850。其頻率控制字K由N位的二進(jìn)制數(shù)組成，輸出頻率由頻率控制字決定：

根據(jù)取樣定律，DDS的最高輸出頻率應(yīng)小于fc/2，實(shí)際應(yīng)用中一般只能達(dá)到0.4fc。

DDS的時(shí)鐘選用A環(huán)的輸出，頻率范圍是80MHz“100MHz。而DDS的最高時(shí)鐘是120MHz，因此滿足時(shí)鐘要求。DDS輸出頻率范圍是15MHz”19MHz，中心頻率為17MHz，頻率改變范圍可以小于0.02Hz，完全滿足輸出頻率間隔為25kHz的信號(hào)要求。帶通濾波器用來抑止DDS輸出的雜散和噪聲。

2．2 A環(huán)

主要由集成芯片MC145170外加環(huán)路濾波器（LF）、壓控振蕩器（VCO）、溫補(bǔ)晶振（TXCO）以及放大器組成。

（1） 鎖相環(huán)芯片MC145170

該芯片主要包含可編程÷R、÷N分頻器，8位程序控制C寄存器，單端鑒相器PDA和雙端鑒相器PDB以及鎖定指示器LD。通過選擇不同的外接參考源或改變參考分頻比R便可得到不同的基準(zhǔn)參考頻率fr;改變程序分頻比N的值可得到fv;C寄存器用來控制整個(gè)芯片的工作;鎖定檢測(cè)器LD用來檢測(cè)并指示環(huán)路是否鎖定。單端鑒相器PDA為三態(tài)單端輸出，當(dāng)fv＞fr或fv相位超前時(shí)，輸出負(fù)脈沖;相反，則輸出正脈沖;當(dāng)fv=fr且同相位時(shí)，輸出呈高阻狀態(tài)。雙端鑒相器PDB為雙端輸出，可在外部形成環(huán)路誤差信號(hào)。當(dāng)fv=fr或fv相位超前時(shí)，ΦV 輸出負(fù)脈沖;相反，則ΦR輸出負(fù)脈沖;當(dāng)fv=fr且同相位時(shí)，兩者除了有一極短暫、同相位的負(fù)脈沖外，均保持高電平。

（2） 壓控振蕩器VCO

VCO選用MAX2606，電路如圖2所示。它是一種微型、高性能的中頻壓控振蕩器。頻率范圍是70MHz“150MHz，只需用少量的外圍器件。最需注意的是外接電感LF的選擇，該電感用來調(diào)整VCO輸出頻率。筆者選用電感LF=454nH來獲得80MHz”100MHz的頻率輸出。當(dāng)改變?cè)撾姼袝r(shí)，輸出頻率范圍也會(huì)變化。另外，輸出端連接的電容C2的選擇也很重要。如果C2太大，就不能與MAX2606的內(nèi)部電路匹配，導(dǎo)致整個(gè)環(huán)路不能工作。

（3） A環(huán)環(huán)路濾波器LF

環(huán)路采用MC145170中的鑒相器PDA，在其輸出端PDOUT外接環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器采用無(wú)源比例積分濾波器，如圖3所示。濾波器的參數(shù)由式（4）和式（5）決定。

其中，ωn為環(huán)路等效自然頻率，ξ為等效阻尼系數(shù)，KΦ為鑒相器的鑒相靈敏度，KVCO為VCO的壓控靈敏度，N為反饋環(huán)路總分頻比。在一般情況下，ξ取0.707～1，ωn取由上述公式可計(jì)算出各參數(shù)。

（4） A環(huán)輸出放大器

選用集成芯片MAX2611。MAX2611是一種低噪聲放大器，具有高驅(qū)動(dòng)能力，頻率范圍是DC到1100MHz，在500MHz時(shí)增益為18dB。

2.3 B環(huán)

主要由集成芯片MC145201外加環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和放大器組成;其中MC145201與MC145170類似。

（1） B環(huán)環(huán)路濾波器LF

采用MC145201的單端輸出，環(huán)路濾波器由R、C組成，結(jié)構(gòu)與參數(shù)可參照A環(huán)環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)。

（2） B環(huán)放大器

采用MAX2473芯片，它是一種寬帶、高反向隔離緩沖放大器。利用它隔離負(fù)載對(duì)VCO的影響，同時(shí)提高VCO輸出信號(hào)的功率以便驅(qū)動(dòng)二分頻器。

（3） B環(huán)最終的輸出頻率范圍1700MHz“1850MHz

2.4 二分頻器

采用有源二分頻器芯片（MF220），對(duì)B環(huán)的輸出頻率進(jìn)行二分頻后獲得850MHz～925MHz頻率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1） 實(shí)驗(yàn)圖片（注：1kHz的分辨率是該頻譜分析儀的最高分辨率）如圖4～圖7所示。

可見，環(huán)路鎖定后可獲得優(yōu)良的輸出頻譜和良好的輸出波形。

（2） 頻穩(wěn)度測(cè)量結(jié)果如表1。

一般鎖相理論分析的結(jié)論是：環(huán)路鎖定時(shí)，環(huán)路輸出的頻穩(wěn)度與基準(zhǔn)源的頻穩(wěn)度為同一數(shù)量級(jí)?？梢?，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論分析相吻

系統(tǒng)單元

頻穩(wěn)度（30min時(shí)間段）

晶振

1.67×10-7

A環(huán)輸出

1.03×10-7

DDS輸出

1.18×10-7

B環(huán)輸出

1.37×10-7

二分頻輸出

1.11×10-7

表 1 頻穩(wěn)度測(cè)量結(jié)果

圖5 A環(huán)作為時(shí)鐘時(shí)DDS輸出的頻譜圖

圖8 200跳/s頻譜圖

4 跳頻輸出效果

跳頻系統(tǒng)的兩個(gè)主要指標(biāo)是跳頻帶寬和跳頻速率。一般來說，希望跳頻帶寬要寬，跳頻的頻率數(shù)目要多，跳頻的速率要快。該系統(tǒng)的跳頻速度至少可達(dá)5000跳/s。圖8為200跳/s時(shí)的圖片，由于儀器設(shè)備的限制，不能拍下更高的跳頻速度的圖片。但是可通過監(jiān)測(cè)鑒相器的鎖定指示信號(hào)來判斷在高速跳頻時(shí)是否失鎖。

本系統(tǒng)的方案在很大程度上解決了鎖相環(huán)中鑒相頻率、頻率間隔和頻譜純度之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了頻率的快速跳變和小的步進(jìn)，而且具有較高的頻率輸出。從上述實(shí)驗(yàn)圖片和數(shù)據(jù)可以看出，該新型的DDS+雙鎖相環(huán)頻率合成器組成的數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能。

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