一種X波段2FSK頻率源的設(shè)計(jì)

賴寒昱+廖海黔+高峯

摘要：2FSK調(diào)制是一種常用的信號(hào)調(diào)制方式，本文利用DDS頻率分辨率高、捷變頻的優(yōu)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的2FSK調(diào)制，再結(jié)合鎖相環(huán)技術(shù)，將DDS信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次混頻，變頻到X波段。通過(guò)合理的選擇本振頻率和多級(jí)濾波處理，優(yōu)化雜散抑制指標(biāo)。用該方法實(shí)現(xiàn)了X波段的2FSK頻率源，該頻率源具有捷變頻、低相噪、低雜散等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：2FSK；DDS；頻率源

中圖分類號(hào)：TN94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）09-0154-02

1 引言

頻率源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，它作為電子系統(tǒng)的“心臟”，在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航、廣播電視、遙控遙測(cè)、儀器儀表等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

數(shù)字頻率調(diào)制是數(shù)據(jù)通信中常見(jiàn)的一種調(diào)制方式，頻移鍵控（FSK）方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并且解調(diào)不須恢復(fù)本地載波，可以異步傳輸，抗噪聲和抗衰落性能也較強(qiáng)[2]。

根據(jù)某項(xiàng)目的需求，設(shè)計(jì)一輸入頻率為X波段，具有2FSK調(diào)制功能的頻率源，該頻率源的頻率分辨率小于1Hz，相位噪聲優(yōu)于-97dBc/Hz@1kHz，雜散抑制優(yōu)于-60dBc。

2 實(shí)現(xiàn)原理

本文設(shè)計(jì)的X波段2FSK頻率源的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

100MHz的參考信號(hào)通過(guò)功分器分為3路，其中一路經(jīng)過(guò)10倍頻并濾波處理后，作為DDS的參考時(shí)鐘，另一路通過(guò)14倍頻并濾波處理后，作為第一級(jí)混頻的本振信號(hào)。最后一路作為鎖相環(huán)的參考頻率。DDS輸出信號(hào)與第一級(jí)混頻的本振信號(hào)進(jìn)行混頻并經(jīng)過(guò)多級(jí)濾波處理后，與鎖相環(huán)輸出的本振信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)混頻，混頻輸出的信號(hào)再次經(jīng)過(guò)多級(jí)濾波處理，輸出所需的X波段信號(hào)。

上位機(jī)將二進(jìn)制碼元發(fā)送到FPGA，F(xiàn)PGA識(shí)別上位機(jī)發(fā)送的“0”、“1”代碼后，將相應(yīng)的頻率控制字發(fā)送到DDS，控制DDS產(chǎn)生相應(yīng)的頻率。DDS輸出的低頻FSK信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次混頻，變頻到X波段，輸出X波段的FSK信號(hào)。

本方案中信號(hào)的頻率分辨率由DDS的頻率分辨率決定，本文中選用的DDS的頻率分辨率小于1Hz，因此該X波段2FSK頻率源能實(shí)現(xiàn)小于1Hz的頻率分辨率。

3 性能分析

3.1 2FSK功能實(shí)現(xiàn)

FSK調(diào)制一般利用一個(gè)頻率表示數(shù)字1，另一個(gè)頻率表示數(shù)字0，用數(shù)學(xué)等式可表示如下：

本文通過(guò)FPGA接收上位機(jī)發(fā)送的二進(jìn)制碼元，當(dāng)收到的碼元為“0”時(shí)，將f1對(duì)應(yīng)的頻率控制字發(fā)送到DDS，控制DDS輸出頻率為f1的信號(hào)，當(dāng)收到的碼元為“1”時(shí)，將f2對(duì)應(yīng)的頻率控制字發(fā)送到DDS，控制DDS輸出頻率為f2的信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了低頻的2FSK信號(hào)的輸出。DDS輸出的信號(hào)首先與第一級(jí)本振信號(hào)進(jìn)行第一次混頻，將頻率上移到L波段。再與鎖相環(huán)產(chǎn)生的第二級(jí)本振進(jìn)行第二次混頻，將頻率從L波段上移到X波段，實(shí)現(xiàn)X波段的2FSK信號(hào)的產(chǎn)生。

3.2 相位噪聲分析

對(duì)于倍頻電路中的相位噪聲的理論計(jì)算公式如下：

式中PN為基底噪聲，N為倍頻次數(shù)。

而對(duì)于混頻電路，混頻后的信號(hào)相位噪聲是輸入混頻器的兩路信號(hào)噪聲功率譜的線性疊加[3]，即：

通過(guò)推導(dǎo)可以算出：

本文中參考晶振信號(hào)的相噪為ζ（f0）為-145dBc/Hz@1kHz。DDS產(chǎn)生的信號(hào)的相位噪聲由DDS芯片的性能決定，ζ（f2）為-142dBc/Hz@1kHz。鎖相環(huán)環(huán)路帶寬內(nèi)相位噪聲主要由參考信號(hào)的相噪，鑒相器的本底噪聲中較差的決定。本文中該鎖相環(huán)電路偏離載波頻率1kHz處的噪聲基底由參考晶振偏離1kHz處的相位噪聲確定。鎖相環(huán)的VCO輸出的信號(hào)頻率在7.7GHz以下，最高倍頻次數(shù)為77，通過(guò)計(jì)算可得ζ（f4）為-107 dBc/Hz@1kHz。將上述數(shù)據(jù)代入公式可以算出，理論上該頻率源的相位噪聲約為-107dBc/Hz@1kHz。由于工程中引入一些附加噪聲，本文中的頻率源經(jīng)過(guò)測(cè)試的最高點(diǎn)的相位噪聲優(yōu)于-97dBc/Hz@1kHz。

3.3 雜散抑制分析

本文中的頻率源的雜散主要來(lái)源之一就是兩次變頻引進(jìn)的高階交調(diào)信號(hào)，為了很好的用濾波器濾出混頻雜散，盡量讓混頻的交調(diào)信號(hào)應(yīng)該在濾波器的帶外，因此在選擇頻率混頻尤其關(guān)鍵。

本方案采用上混頻的方式，混頻輸出的主要雜散信號(hào)為：

通過(guò)合理的選擇本振和中頻信號(hào)的頻點(diǎn)，再通過(guò)多級(jí)濾波器對(duì)混頻輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，最終頻率源輸出信號(hào)的雜散抑制優(yōu)于-60dBc。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，完成了X波段2FSK頻率源的設(shè)計(jì)，用信號(hào)分析儀FSUP對(duì)頻率源的雜散抑制和相位噪聲進(jìn)行測(cè)試。頻率源的2FSK調(diào)制效果圖和相噪、雜散的測(cè)試結(jié)果如圖2所示，該頻率源的尺寸為280mm×170mm×60mm，通過(guò)掃頻設(shè)置可以看出，該頻率源產(chǎn)生了兩個(gè)不同的頻率，分別代表二進(jìn)制碼元“0”和“1”。圖中可以看出，該頻率源的雜散抑制指標(biāo)優(yōu)于-60dBc，相位噪聲指標(biāo)優(yōu)于-97dBc/Hz@1kHz。

本文提出了一種獲得低相位噪聲、低雜散的X波段2FSK頻率源的有效途徑，通過(guò)DDS產(chǎn)生低頻的2FSK信號(hào)，再結(jié)合直接倍頻和鎖相環(huán)設(shè)計(jì)，將DDS信號(hào)進(jìn)行兩次混頻和多級(jí)濾波處理，產(chǎn)生頻率分辨率高、低相位噪聲、低雜散的X波段的2FSK信號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣伯川.基于DDS和PLL技術(shù)的數(shù)字調(diào)頻源的研制[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[2]劉高平.利用SOC技術(shù)實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制器[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006，（25）3：322-325.

[3]杜勇.一種捷變頻寬帶微波頻率合成器的設(shè)計(jì)[J].電子科技，2017，（30），8：133-135.endprint