P波段小步進(jìn)頻率合成器的研制

摘要：文中介紹了一種用于雷達(dá)信號(hào)模擬器的P波段小步進(jìn)頻率合成器的研制，該頻率源主要功能是模擬產(chǎn)生寬頻帶、多體制、高密度和動(dòng)態(tài)可控的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境。
關(guān)鍵詞：頻率源；調(diào)相：開環(huán)

為了適應(yīng)現(xiàn)代電子戰(zhàn)的要求，就需要產(chǎn)生一個(gè)與現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境相類似的寬頻帶、多體制、高密度和動(dòng)態(tài)可控的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境，從而模擬現(xiàn)代戰(zhàn)中的復(fù)雜電磁環(huán)境。該雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器頻率合成器可以提供一個(gè)復(fù)雜、真實(shí)的雷達(dá)信號(hào)。并與其他電子系統(tǒng)配合可以形成綜合電磁威脅環(huán)境。

1 P波段小步進(jìn)頻率合成器的設(shè)計(jì)
1．1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)
(1)主要功能
◇具有正常工作模式和直接VCO模式。
模擬器設(shè)有功能切換，能夠使模擬器從正常的閉環(huán)狀態(tài)切換到直接VCO狀態(tài)下，使模擬器處于開環(huán)工作條件下的工作模式，在此工作模式下，模擬器能夠使頻率捷變時(shí)間大大縮短，小于2μs，并保持頻率分辨率為0．5MHz。
◇具有頻率捷變功能，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，在10μs左右。
通過(guò)外加頻率控制字，能夠使信號(hào)在兩頻率點(diǎn)來(lái)回跳變，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間在閉環(huán)狀態(tài)下為10μs左右，在開環(huán)狀態(tài)下，時(shí)間小于2μs。
◇能實(shí)現(xiàn)正弦波和三角波調(diào)頻，調(diào)頻范圍從100Hz到1MHz。
在閉環(huán)工作狀態(tài)下，正弦波時(shí)，調(diào)制信號(hào)的頻率范圍為0．1～1MHz，調(diào)頻帶寬大于100MHz；三角波調(diào)頻時(shí)，調(diào)制信號(hào)的頻率范圍為200～500Hz，調(diào)頻帶寬大干100MHz。
◇能實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK數(shù)字相位調(diào)制。
在閉環(huán)工作狀態(tài)下模擬器具有BPSK、QPSK數(shù)字相位調(diào)制功能，調(diào)制信號(hào)的碼速范圍為100Hz～10MHz，調(diào)相精度達(dá)到±1°。
◇頻率分辨率為0．5MHz。
◇設(shè)有工作狀態(tài)和故障顯示。
在外接的信號(hào)控制接口提供有一輸出信號(hào)指示，在正常工作狀態(tài)下為低電平，當(dāng)處于開環(huán)狀態(tài)或失鎖狀態(tài)時(shí)，信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑糜谔峁┕ぷ鳡顟B(tài)和故障指示。
(2)主要技術(shù)指標(biāo)
本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
◇頻率范圍：0．5～1GHz
◇頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：
正常工作模式下：≤10μs
直接VCO模式下：≤2μs
通過(guò)對(duì)VCO預(yù)置電壓使鎖相電壓更快的進(jìn)入鎖相環(huán)的快捕帶，從而縮短跳頻時(shí)間。
◇置頻步長(zhǎng)(或頻率分辨率)：
正常工作模式下：≤0．5MHz
直接VCO模式下：≤1％的波段中心頻率
◇頻率穩(wěn)定度：
正常工作模式下，優(yōu)于1×10-7／日直接VCO模式下，優(yōu)于1×10-5／日
◇相為噪聲：≤-80dBc／Hz@10kHz
◇諧波電平抑制：優(yōu)于-30dBc
◇輸出功率≥10dBm
◇調(diào)頻功能，具備三角波、正弦波調(diào)頻，
正弦波調(diào)頻：調(diào)制頻率范同：0．1～1MHz
調(diào)頻帶寬>100MHz
三角波調(diào)頻：調(diào)制頻率范圍：200～500Hz調(diào)頻帶寬>100MHz
1．2 工程方案設(shè)計(jì)
由于雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器頻率綜合器的技術(shù)指標(biāo)要求很高，為達(dá)到低相噪、低雜散、高的頻率分辨率、短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的目標(biāo)，在方案設(shè)計(jì)中采用由PE3336組成粗步進(jìn)的主鎖相環(huán)結(jié)合小步進(jìn)的DDS的全數(shù)字化頻率合成方案，實(shí)現(xiàn)了頻率的捷變。中、大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使設(shè)備量大大減少，同時(shí)可靠性卻大大提高，體積也非常靈巧。為實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能，PE3336的主鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)成可控的兩種環(huán)路帶寬；為提高頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，還采取了對(duì)VCO先進(jìn)行預(yù)制的措施，使VCO振蕩在所需信號(hào)的頻率附近，對(duì)VCO的預(yù)制采用數(shù)字的方式，并在VCO的控制電壓輸入前設(shè)置了開關(guān)以使環(huán)路能工作在開環(huán)狀態(tài)，使整個(gè)頻率綜合器工作在直接VCO模式下；整個(gè)系統(tǒng)采用一個(gè)外部100MHz的參考時(shí)鐘，系統(tǒng)中所需的其它時(shí)鐘都由它來(lái)產(chǎn)生，外部的參考時(shí)鐘采用具有恒溫裝置的高精度晶體振蕩器，保證了整個(gè)系統(tǒng)的置頻精度和頻率穩(wěn)定度。
在本頻率綜合器中我們采用最新技術(shù)的頻率合成方法。其中DDS的時(shí)鐘頻率由以前的50MHz提高到現(xiàn)在的1GHz，跳頻時(shí)間小到幾毫秒量級(jí)，頻率分辨率小于0．1Hz。
在倍頻電路、分頻電路、混頻電路、放大電路及濾波電路中采用先進(jìn)成熟的設(shè)計(jì)方法及思路，并輔助于最新的電路設(shè)計(jì)軟件一使產(chǎn)品達(dá)到低雜散、低相噪、低功耗、高穩(wěn)定。
系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 功能模塊設(shè)計(jì)
2．1 DDS模塊設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)0．5MHz的頻率分辨率，采用了DDS技術(shù)，PE3336的主環(huán)的工作頻率步進(jìn)為10MHz，DDS部分的頻率步進(jìn)為0．5MHz，二者結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寬的頻段覆蓋和高的頻率分辨率。在系統(tǒng)中采用DDS產(chǎn)生180～190MHz的信號(hào)，頻率步進(jìn)為0．5MHz。DDS的基本原理是通過(guò)信號(hào)的相位函數(shù)來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，本身一個(gè)正弦信號(hào)可以表示成
S(t)=cos(2πft+θ0) (1)
其相位函數(shù)：
θ(t)=2πft+θ0
顯然θ(t)是關(guān)于時(shí)間t的線性函數(shù)，并可得到頻率表達(dá)式：

△θ為相位增量，TC為固定時(shí)間間隔，則以固定時(shí)間間隔TC相位增量△θ產(chǎn)生的正弦信號(hào)為

改變相位增量，通過(guò)相位的累加，就可以產(chǎn)生出所需頻率的信號(hào)，具體的方案是將相位量化并存儲(chǔ)起來(lái)。如采用N位字長(zhǎng)的寄存器來(lái)存儲(chǔ)，即是[0，2π]的相位TC間進(jìn)行N位字長(zhǎng)的線性量化，也即在數(shù)字i和正弦相位θ(i)之間建立如下的一一映射關(guān)系：

如在系統(tǒng)中采用1000MHz的時(shí)鐘，需產(chǎn)生的最小正弦信號(hào)的頻率為0．5MHz，因此，需11位字長(zhǎng)的量化就夠了。完成了相位量化，再建立起數(shù)字相位到數(shù)字正弦幅度的映射，然后將數(shù)字幅度變成模擬波彤，就能直接輸出正弦信號(hào)了。
2．2 鎖相模塊設(shè)計(jì)
這部分是整個(gè)頻率綜合器的核心，它以10MHz為頻率步進(jìn)產(chǎn)生我們所需的射頻信號(hào)，并在環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻，頻率捷變直接VCO等功能。
QPE3336集成了VCO分頻，參考分頻和鑒相等功能，它的VCO輸入信號(hào)頻率的典型值可達(dá)3GHz，它具有高的鑒相增益，Kφ=0．403V／Rad，低的相噪基底，可達(dá)-150dBc／Hz@20kHz，寬的動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。它的控制接口采用16位并行總線，均為TTL／CMOS電平，并設(shè)有失鎖指示，44腳PLCC封裝，體積小，是理想的數(shù)字鎖相環(huán)芯片。
PE3336的控制接口包括了4位參考分頻值輸入R0～R3，12位VCO分頻值輸入，其中M0～M3，為分頻值個(gè)位輸入，A0～A6，為分頻值十位輸入，PREEN是控制VCO的分頻值是否超過(guò)128。
PE3336用于PLL頻率綜合器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

用PE3336芯片組成的頻率合成器還應(yīng)包括低通濾波器、壓控振蕩器等。如圖(2)所示，簡(jiǎn)單介紹如下：
(1)低通濾波器
低通濾波器采用有源濾波器，為防止鑒相泄漏，加上了預(yù)濾波器，如圖3所示。

根據(jù)PLL理論可知，R1、R2、C、Cc與環(huán)路帶寬ωn，環(huán)路阻尼因子號(hào)，VCO的壓控靈敏度KVCO，鑒相增益Kφ，及分頻比N的關(guān)系有：

環(huán)路帶寬ωn的選取要綜合考慮環(huán)路的相位噪聲，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和運(yùn)算放大器的工作帶寬。在此，我們ωn=300kHz，阻尼因子號(hào)取在1～2之間，取定這些參數(shù)則有源濾波器的元件參數(shù)就可以確定了。
(2)調(diào)頻工作原理
在PE3336主鎖相環(huán)內(nèi)進(jìn)行調(diào)頻的工作原理如圖4所示。頻率調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)電壓UΩ加在壓控振蕩器的控制端，利用載波跟蹤環(huán)而實(shí)現(xiàn)的。

由鎖相環(huán)理論可以知道，為實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻必須使環(huán)路等效低通濾波器帶寬小于最低調(diào)制頻率Ωmin，在本系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)最低頻率為200Hz，因此需將原300KHz的環(huán)路帶寬降到100Hz以下。故采用了一個(gè)選擇開關(guān)，當(dāng)不調(diào)頻時(shí)環(huán)路帶寬為300kHz，當(dāng)選擇調(diào)頻時(shí)環(huán)路帶寬變?yōu)?00Hz。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)頻率源的測(cè)試得出如下結(jié)論：
頻率范圍：0．5～1GHz
頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：
正常工作模式下：6～10μs
直接VCO模式下：≤2μs
置頻步長(zhǎng)(或頻率分辨率)：
正常工作模式下：在頻率范圍內(nèi)大步進(jìn)為10MHz～500MHz，
小步進(jìn)為0．5MHz。
直接VCO模式下：≤1％的波段中心頻率
頻率穩(wěn)定度：
正常工作模式下，優(yōu)于1×10-7／日
直接VCO模式下，優(yōu)于1×10-5／日
相位噪聲： -85dBc／Hz@10KHz～-80dBc／Hz@10kHz
諧波電平抑制：優(yōu)于-25dBc～30dBc輸出功率：10～11dBm
調(diào)頻功能：具備三角波、正弦波調(diào)頻，
正弦波調(diào)頻：調(diào)制頻率范圍：0．1～1MHz調(diào)頻帶寬>100MHz
三角波調(diào)頻：調(diào)制頻率范圍：200～500Hz調(diào)頻帶寬>100MHz
通過(guò)具體測(cè)量得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)能滿足設(shè)計(jì)要求有些指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)代雷達(dá)頻率綜合器是一門復(fù)雜的電子電路技術(shù)。技術(shù)難度大，因此對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)有較高的要求。國(guó)內(nèi)雷達(dá)整機(jī)單位均在研制雷達(dá)頻率綜合器。但大多數(shù)是采用直接式頻率和成方案。而間接式頻率綜合器也有其自身的優(yōu)勢(shì)，從體積、成本等方面還有潛力可挖。因受到器件及設(shè)計(jì)思路的和結(jié)構(gòu)方面的原因，國(guó)內(nèi)的頻率綜合器與國(guó)外的相比還有一定差距。為此我們還要進(jìn)行，更細(xì)致、深入的研究，力爭(zhēng)趕超國(guó)際先進(jìn)水平。