用AD9910芯片实现宽带频率合成器的设计与测试分析

描述

引言

随着数字信号处理和集成电路技术的发展,直接数字频率合成(DDS)技术的应用也越来越广泛。DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点。本文设计出一种基于DDS的宽带雷达频率合成器,具有分辨率高、频率带宽极宽、频率转换时间短等特点并且符合要求的杂波与相位指标。

1  宽带频率合成器的设计

根据某课题提出的宽带雷达信号源的设计要求,综合当代雷达发展的需求,提出如下设计指标:

1) 频率范围: 2~ 8 GHz;

2) 频率分辨率: 100 kHz;

3) 输出杂波抑制: ??40 dB;

4) 相位噪声: - 70 dBc/ Hz@1 kHz;- 75 dBc/ Hz@10 kHz;- 80 dBc/ Hz@100 kH z;

根据上述指标设计出宽带频率合成器的方案如图1所示。

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图1宽带频率合成器设计框图

本设计用于实现宽带雷达信号频率的合成,根据所提出的设计指标及要求,本方案采用DDS芯片AD9910,镜像抑制混频器HMC520IR和混频器HMC553对硬件电路进行了设计。

1.1  AD9910性能特点

该芯片是ADI公司生产的性能很好的直接数字频率合成芯片,内置14位数字模拟转换器,支持高达1GSPS采样速率,AD9910的1GSPS工作速度和14位数字模拟转换器的组合允许通信、国防和仪器仪表系统工程师提高输出频率高达400MHz的动态性能。AD9910采用高级DDS专利技术,在不牺牲性能的前提下可极大地降低功耗,该芯片的功耗比现有解决方案相减小70%,在全工作速度条件下功耗仅700mW。AD9910数字频率合成器具有一个更新速率达250MHz的16bit并行端口,它允许设计工程师每隔8ns更新一次32bit的频率控制字。

AD9910将14位数字模拟转换的分辨率和1GSPS时钟速度转化为提高所有这些应用中的SFDR和相位噪声性能。

由于AD9910有高达400MHz的模拟输出、低功耗、好的杂波抑制性能和低的相位噪声,设计中采用AD9910作为任意信号发生器。

1.2  频率合成器方案设计原理

本设计采用DDS+单边调制+混频的方案,由2个DDS组成任意信号发生器,给单边带调制器提供带宽为BWdds的各种正交信号频率为fdds、去调制频率为fref1的锁相本振,得到频率为fRF的单边带调制信号:

DDS

式中:BWdds=400MHz,fref1=9GHz,因此得到的fRF的范围为:

DDS

由式(2)可看出得出的调制信号覆盖率相当于800MHz的瞬时带宽。

得到的单边带调制信号需要经过下变频才能形成指标中所要求的2~8GHz的工作频段。频率为fref2、fref3和fref4的锁相本振源经过开关的切换与频率为fRF的单边带调制信号进行二次混频,得到的中频信号频率为fIF:

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式中:fref2=11.4GHz,fref3=12.4GHz,fref4=13.4GHz,结合式(2)和式(3)可得:

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得到的中频信号经开关切换去倍频,得到频率为fout2的信号,由于有开关控制,倍频所得信号所覆盖的频率范围为:

DDS

在2~8GHz整个频段上,2~4.8GHz是直接混频滤波输出,4.3~8GHz是倍频输出,中间交叠了500MHz,这样就可以在任何频点上满足500MHz瞬时带宽的连续。

4.3~8GHz频率信号由倍频获得,开关的切换时间小于20ns,因而可以满足2~8GHz全频段频率捷变的要求。

1.3  电路板总体设计

在宽带频率合成器系统中既有数字电路又有射频模拟电路,所以电磁兼容性是电路板设计中着重考虑的问题:

1)按照电路类型划分为电源、数字、模拟等区域,减少相互干扰;

2)元件采用表贴件,尽可能紧凑,减小分布参数的影响;

3)采用多层板,中间设屏蔽层,尽量减少过孔带来的寄生电抗;

4)尽量走直线和圆弧线,减少线间相互耦合;

5)添加网格敷铜并保证接地良好;

6)晶体要做好屏蔽,减少对周围器件的干扰。

2  性能分析

2.1杂波指标估计

宽带雷达频率合成器由DDS、镜相抑制混频器、混频器、锁相本振、倍频器、滤波器等构成,杂波信号指标均取决于这些器件的信号输出。

DDS输出信号的杂波电平小于-50dBc,锁相本振的杂波都远离本振频率,可以滤掉,影响这一指标最主要的因素是混频器的输出。在混频器输出信号中,凡是不希望要的谐波、载波、镜相、边带等都属于杂波相关的指标。

单边带调制器选用美国Hittite公司的镜相抑制混频器HMC520IR,图2、图3和图4为所选器件的边带抑制、镜相抑制、载波隔离曲线图。从这几条曲线可以看到,在9GHz附近,边带抑制、镜相抑制和载波隔离都要大于40dB,调制信号因远在带外,可以不考虑。

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图2  HMC520 IR混频器边带抑制曲线

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图3  HMC520 IR混频器镜相抑制曲线

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图4  HMC520 IR混频器载波抑制曲线

在取中频的混频器输出中,Lo和RF信号都远离IF,即使漏过来也可以滤掉,只有多次谐波的混频输出有可能落入带内。所选混频器型号为HMC553,其多次谐波输出情况如图5所示。有可能落入带内的只有2×2次谐波混频输出,从图5可知,其相对于中频输出的功率电平值是-62dBc,因此不影响杂波指标。由此判断,该方案对满足杂波抑制≥40dB的指标是可行的。

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图5HMC553混频器M×N次谐波输出

2.2  相位噪声指标估计

已选DDS的相噪指标为:输出为400MHz时,-125dBc/Hz@1kHzOffset,已选鉴频鉴相器的相噪指标与DDS输出信号的相噪指标相当,当100MHz参考频率时,能实现的最好相噪指标是-153dBc/Hz@10kHzOffset;已选晶振的相噪指标优于-152dBc/Hz@1kHzOffset;因为所有本振都为分频锁相,最大分频比是130,相噪指标要恶化:

20log(130)≈42dB

减去42dB,本振输出信号的相噪还有110dB左右;这样,即使后面还有一次2倍频,恶化6dB,雷达频综电路对实现最终输出信号的相噪指标还是可行的。

3  测试结果

根据以上的设计方案,现已研制出样机。经Agilent公司的频谱仪E4407B测试,得知该频率合成器的性能参数主要有:

输出频率范围:2~8GHz.

相位噪声:≦-75dBc/Hz@10kHz.

分辨率:100kHz.

由图6与图7可知,实际输出频率可以达到指标要求;由图8可知,当在偏离载频10kHz处,相位噪声可达-79.29dBc/Hz,证明该频率合成器设计是正确合理的。

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4  结束语

本文采用ADI公司的AD9910设计了宽带频率合成器,利用DDS保证高的频率分辨率,又保证了整个频率合成器的杂波抑制和相位噪声。经测试表明,该频率合成器能产生低相噪、高分辨率、高稳定度的宽带信号,是一种实用的频率合成器,具有较好的工程应用价值。目前,该频率合成器已经成功地应用在宽带雷达信号源中,并且可以很好的满足信号源的要求。

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