基于多环锁相宽带细步进频率合成器的设计

摘要：为了满足宽频段、细步进频率综合器的工程需求，对基于多环锁相的频率合成器进行了分析和研究。在对比传统单环锁相技术基础上，介绍了采用DDS+PLL多环技术实现宽带细步进频综，输出频段10～13 GHz，频率步进10 kHz，相位噪声达到-92 dBc／Hz@1 kHz，杂散抑制达到-68 dBc，满足实际工程应用需求。
关键词：多环技术；锁相环；宽带；细步进；低杂散

    现代军事电子对频率源的综合性能提出了越来越高的要求。宽频段覆盖、细频率步进、低相位噪声和低杂散水平成为了频率合成器的重要发展趋势。为实现上述目标，基于多环锁相的综合频率合成方式成为了当前高端频综的主流设计方法。文中采用多环锁相技术实现的宽带频综，通过合理的频段选择方案、细步进杂散规避等关键设计技术的运用，较传统单环锁相式频率源具备更低的相位噪声、更小的频率步进和低杂散等特点。

1 多环锁相宽带频综设计原理
1．1 单环锁相频率合成器
    锁相环(PLL)是一个负反馈的相位控制系统，基本的锁相环路包括鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和可变分频器几个基本部分组成。其原理图如图1所示。

    图1中，可变分频器一般可集成在锁相环芯片内部，通过程序进行控制。一般锁相环频率合成器的带内相位噪声计算方法为：
   
    式中，PNSYNTH为频率合成器带内相位噪声，PNTOT为锁相环芯片底噪。
    为保证能够得到较高的频率分辨率，一般只能通过降低鉴相频率实现，造成N值加大，由(1)式可知，相位噪声将恶化。因此，对于单环锁相频率合成器，相位噪声和频率分辨率是相互制约的指标。
1．2 直接数字频率合成器
    直接数字频率合成器(DDS)由相位累加器，波形存储器，数模转换器，低通滤波器和参考时钟五部分，如图2所示。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字K进行线性累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码，进过数模变换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得到连续变化的所需频率的波形。

    DDS利用了相位反馈控制原理控制频率输出，不需要外部辅助频率捕获，易于集成，可实现很高的频率分辨率，但是工作频率有限，杂散水平较难控制。因此，将PLL和DDS组合起来，综合运用两者的优势，可以既保证高频率输出，又能实现很高的频率分辨率。
1．3 多环锁相频率合成器
    多环锁相频率合成器有多种组成结构，包括PLL组合、DDS+PLL等，其中DDS+PLL的结构因频率分辨率高和低相噪等优点，应用最为广泛。本文中选用的实现结构的设计思想是，利用DDS产生基带信号，经与PLL两次混频扩频，产生宽频带的高分辨率参考信号，进入锁相环倍频拓宽输出频率范围，同时利用的PLL良好的窄带载波跟踪特性对DDS参考信号的杂散分量进行跟踪滤波器，最终实现低相噪宽带细步进频综输出。

2 多环锁相宽带频综设计方案
2．1 设计目标
    下面以1个工程实例为目标，介绍基于DDS+PLL多环锁相技术设计宽带频综的工作原理。该工程实例的主要技术指标要求为：
    输出频率：10～13 GHz；
    频率步进：10 kHz；
    输出功率：>12d Bm；
    相位噪声：≤-90 dBc／Hz@1 kHz；
              ≤-90 dBc／Hz@10 kHz；
    谐波抑制：<-15 dBc；
    杂散抑制：<-65 dBc；
2．2 设计方案
    经分析，同时满足细频率步进和低相位噪声、低杂散是设计难点。文中采用DDS+PLL多环锁相频率合成技术实现，工作原理如图3所示。

    这是由多个锁相环组成的电路结构。环路A为直接数字频率合成环路，主要功能是产生步进细调的频综基带，通过DDS产生步进10 kHz、带宽100 MHz的基带频率信号；环路B为锁相点频源，产生S波段低相噪点频，通过与DDS信号混频，把细步进基带频谱搬移到S波段，带宽不变；环路C为锁相频综，产生L波段步进100 MHz的大步进频综，与第一级混频输出信号再次混频，将窄带细步进信号扩频，输出带宽可大幅提高。环路D为通过锁相倍频N倍，实现X波段的宽带细步进频综输出。输出信号与各功能环输出信号的关系为：
     fout=[(fDDS+fLO1)-fLO2]xN     (2)
    该多环电路结构的主要优点是通过对DDS基带信号的多级混频，最终实现了宽频段细步进的覆盖。同时，通过合理的频段分配，将各个锁相环路的倍频次数N控制在相对较低的水平，使相位噪声的恶化量较小，保证了各个锁相环及最终输出信号相位噪声的良好水平。
    输出信号的相位噪声由单环A、B、C的相位噪声和锁相倍频环D的倍频次数决定。A、B、C环中，输出相位噪声由输出频率最高的B环(输出频率3．6 GHz)决定。鉴相器底噪为-233 dBc／Hz@10 kHz，鉴相频率100 MHz，反馈分频比N=3 600／100=36，根据(1)式可以估算，B环输出信号相位噪声为-233+10lg(100x106)+20lg72=-120 dBc(离载波10 kHz处)。环路D最大倍频次数约为6，最终输出相位噪声为-120dBc+20lg6=-104 dBc／Hz。考虑闪烁噪声和电路中其他器件热噪声及工程实现性，实际信号输出满足-90 dBc／Hz@1 kHz@10 kHz的指标要求。

3 多环锁相宽带频综的电路设计与仿真
3．1 DDS电路设计
    环路A采用了采用高性能DDS芯片AD9912。AD9912内置14 bit DAC；支持高达1GPS的采样速率；采用1．8 V和3．3 V电源供电，在器件性能大幅提高的前提下也极大地降低了器件功耗；能够生成高达400 MHz的捷变频率正弦波形，最高频率分辨率达到4μHz。目前AD9912已广泛用于频率合成器、时钟发生器、雷达以及各类测量装置等。
    在环路A的设计中，100 MHz参考信号通过锁相环倍频至1 GHz，提供DDS参考时钟，在频率控制码控制下实现细步进基带输出。
3．2 锁相环电路设计
    锁相环路B、C采用了HITTITE公司的数字锁相环芯片HMC440。该芯片具有很低噪声基底(-233 dBc／Hz@10kHz)和很高的鉴相频率(1 300 MHz)，集成5 bit数控程序分频器，在本方案中的环路B、C使用，用于产生超低相位噪声的fLO1和fLO2。
    末级锁相环路D采用ADI公司锁相环芯片AD4108。该芯片工作频率达8 GHz，控制简单、功耗极低，同时具有良好的噪声基底性能。经软件仿真，末级锁相环路电路参数及输出相噪如图4，5所示。

    整个多环锁相电路结构比较复杂，包含锁相电路及数字控制电路等。为保证输出信号相位噪声和杂散抑制性能，结构设计中采取了多腔体分隔的结构，并注意微波吸收材料的使用，保证各个功能环路工作稳定且整体电磁兼容性能良好。

4 电路调试与测试结果
    由于合理的方案设计和准确仿真，相位噪声等主要指标均可实现。如图6所示，全频段输出信号相位噪声可达到-92 dBc@1kHz；-92 dBc @10kHz。

    由于各功能环路输出中间频率信号较多，杂散控制是调试难点。在测试中发现，有少数频点的近端有杂散较大，主要分布在参考100 MHz整数倍附近的细步进频段，经分析，该类杂散的产生主要是由于环路A中DDS输出信号与参考信号100 MHz及其谐波经链路泄露或空间辐射进入混频器及鉴相器中，产生的高阶交调出现在输出信号近端，由于分布在锁相环路带宽以内，难以消除。该现象的产生说明，多环锁相的细步进频综对模块内部各功能单元的电磁屏蔽与隔离要求非常高。通过调试分析，可通过改变A、C环路输出频率和环路D的倍频次数N的方法规避和解决。根据公式(2)，通过扫频，一旦发现存在近端杂散的频率点，通过改变fDDS、fLO2和末级锁相环倍频次数N的频率组合，同样可以实现相同频率的输出，且fDDS发生改变，与100 MHz的高阶交调杂散分布远离主信号中心，可被末级锁相环路滤波器滤除。图7为经过后期频率控制程序处理前后的杂散分布对比图，可见主信号近端杂散已经明显消除。

    经不断调试改进，各项指标最终测试结果如表1，均满足设计指标要求。

5 结 论
    文中介绍了基于多环结构的锁相宽带频率合成技术，在实现细频率步进和低杂散的指标要求情况下，相位噪声可达到≤-92 dBc／Hz@1 kHz，满足系统对高质量频率合成器的需求，具有较好的应用前景。