频率源综述.pdf

文章编号:1008-8652(2004)01-043-004频率源综述高树廷刘洪升(西安电子工程研究所西安710100)【摘要】简单分析频率源的类型和它们的基本原理,重要技术指标以及优缺点。并对频率源的重要性,技术难点和设计中的要点作了阐述。关键词:频率综合器;相噪;杂散中图分类号:TN 74文献标识码:AReview on Frequency SourceGao ShutingL iu Hongsheng(X ian E lectronic Eng ineering R esearch Institute,X ian710100)Abstract:This paper describes the types,principles,basic specifications of frequency sources as wellas their advantages and disadvantages,and then offers its importance,technical challenges and designapproaches.Keywords:frequency synthesizer;phase noise;spurious1引言频率源的好坏直接影响雷达、导航、通讯、空间电子设备及仪器、仪表等的性能指标。主要发达国家的合成信号源、频谱分析仪、网络分析仪等高价向国内倾销,这些仪表的关键技术在于一个好的频率源。国内早在70年代初,有关单位就展开了频率合成技术的研制工作,并取得了一定成绩。2频率源简介频率源是用来提供各种信号的电子设备。随着电子技术的发展,要求频率源的频率稳定度越来越高,即相位噪声越来越低,所以出现了合成频率源,即频率综合器。该频率源有如下特点:a.输出频率为步进式而不是连续的,目前最小频率步进能做到 Hz;b.输出频率稳定度高,尤其短稳,可达10-12量级;c.自动化,智能化水平高,使用灵活方便。2.1频率源类别及优缺点频率源可分为两大类,自激振荡源和合成频率源。常见的自激振荡源有晶体振荡器、腔体振荡器、介质振荡器、压控振荡器、YIG振荡器和波形产生器等。这些源的输出频率范围、调谐带宽、近端相噪等各有不同,表1给出他们的区别和特点。合成频率源是70年代后发展起来的新型频率源,技术含量高,目前被广泛应用在现代电子系统中。合成频率源主要优点是频率稳定度高,尤其短稳也就是相位噪声低,甚至比原子钟的相噪还低,使用灵活、控制方便、性能优越。缺点造价高、技术难度大。合成频率源一般可分为四大形式,即直接模拟式频综、直接数字342004年3月火控雷达技术第33卷收稿日期:2003-06-09 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(DDS)式频综,间接模拟式频综和间接数字式频综,它们的优缺点由表2给出。表1自激式振荡器性能比较表项目晶体振荡器腔体振荡器介质振荡器压控振荡器YIG振荡器波形产生器频率范围1GHz以下几百M Hz以上 几百M Hz以上全频段1GHz以上几百M Hz以下调谐带宽窄较窄窄较宽宽宽近端相噪好一般较好差较好表2合成频率源性能比较表项目相噪杂散频率步进工作频率跳频速度调制能力体积重量成本直接模拟式很好较难抑制难做小全频段快有限大高直接数字式好很难抑制很小低快方便小较低间接模拟式好好较难做小全频段慢有限较小较高间接数字式较好较好较小较低慢有限小低2.2合成频率源的主要技术指标合成频率源的输出频率范围,输出功率及功率起伏,输出波形和调制状态,功耗、电源、环境条件等与自激振荡源的定义要求一样,下面仅对相噪、杂散、频率步进和跳频时间四项做一简介。相噪相噪就是短期频率稳定度,其物理量纲为rad2?Hz,是输出频率两边富氏频率的函数,所以定义为偏离某频率1Hz带宽内噪声功率谱密度与输出信号功率之比,记为-dBc?Hz。相噪是合成频率源最重要的技术指标,它直接影响现代电子系统的性能,例如影响雷达的改善因子、接收机的检测能力,影响通讯质量等。相位噪声的大小与输出频率有关,按每倍频程变坏6dB,即按20lgN变坏,N为倍频次数。杂散在频率合成过程中产生的不需要的频率分量,又没有被充分的抑制掉,这些不需要的频率分量被称为杂散。一般用偏离输出频率多少频率上的频谱功率表示,记-dBc。它也是合成频率源的一项重要技术指标,杂散越小越好,一般要求-60dBc,优质的频率源杂散能达到优于-80dBc。频率步进合成频率源的输出频率不是连续的,是一个频率点一个频率点合成出来的,把相临两个频率点间隔叫最小频率步进,把起始频率到终止频率叫最大频率步进。目前用DDS技术产生的最小频率步进能达到 Hz.跳频速度也就是频率捷变时间,从得到跳频指令开始到频率转换完为止,这段时间叫跳频时间。这里存在什么叫频率转换完成,一般用相位差定义,把新建立起来的频率相位比基准频率相位差0.1rad时的时间称之为跳频时间。以上四项技术指标是合成频率源中最重要的技术指标,它们的好坏决定了合成频率源的好坏。3合成频率源的基本原理合成频率源的合成方法不同,分直接模拟式、直接数字式、间接模拟式和间接数字式四种,合成方法不同基本原理也不同。3.1直接模拟式基本原理直接模拟式频综其合成方法有很多种,归纳起来都是对基准频率进行各种各样的加减乘除。混频器可视为对频率进行加减,倍频器可视为对频率相乘,分频器对频率相除。通过对频率进行加减乘除产生出各种新频率,再用滤波器和电子开关分别选出所需的频率来,经放大器、滤波器输出。这种方法也是经典方法,相噪好坏主要决定晶振的好坏,目前100 M Hz晶振市场上能买到-169dBc?Hz10kHz的产品。这种方法电路复杂,杂散决定滤波器的好坏和电磁兼容性设计的合理程度。跳频时间主要决定电子开关的速度,目前开关速度一般在几十ns到几百ns,小于10ns的电子开关价格昂贵,开关的通断比现在一般都很好,国内产品一般都能达到100dB左右。这种频综如果步进太小,电路就更复杂,滤波器也很难设计,因此体积大,成本高是直442004年3月火控雷达技术第33卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/接模拟式频综的主要缺点。3.2直接数字式(DDS)基本原理直接式数字(DDS)频综是80年代以后发展起来的新型频综,它使用数字技术完成频率和波形的合成,再经过滤波复原出模拟波形。具体讲把波形的幅度参数和相位信息,按规律存储在寄存器里,工作时按要求规律取出信息数据,经D?A变换后,再经过滤波就完成了直接数字式的合成。由于幅度和相位信息用数字量表示,就存在量化精度问题,即不可避免的数字量存在1误差问题,造成某些情况下不可避免的幅度失真和相位失真,所以引起该频综杂散大,采取相应措施,可以大大降低杂散,但必定不能彻底消除,只有输出频率和时钟频率是整数倍关系时才能保证杂散很小。图1DDS原理框图这种用DDS技术做成的频综,相噪好,跳频速度快,频率步进可很小,调制灵活,缺点是杂散大,目前输出频率不高,一般在1GHz以下。基本原理框图如图1所示,从图1中看出,在时钟的控制下相位累加器在频率码控制下进行相位线性累加,再根据累加的相位码在存储器中寻出幅度码,经过D?A变换得到相对应的幅度阶梯波形,再经低通滤波器变为连续波。3.3间接模拟式基本原理间接模拟式频率源主要是利用模拟锁相环锁定VCO来实现频率合成,由于锁相环需要时间,所以间接式频率源跳频时间比直接式慢,一般在10s以上。锁相环可等效为窄带滤波器,所以这种频率源杂散较好。基本原理框图如图2所示。间接模拟式主要使用正弦鉴相器,所以相噪较好,电路比数字式复杂,体积较大,成本较高。由图看出,VCO频率与晶振倍频上来的微波基准混频,将VCO频率平移到中频频段,以方便处理。混频后信号经放大器再与晶振产生的一系列频率标准进行同频鉴相,锁住VCO相位,使VCO输出频率相位跟踪晶振相位,实现对VCO锁定。利用频率控制,同步控制VCO频率和频标频率,实现不同频率锁定和频率捷变。上述为一典型微波混频锁相环,当VCO频率不高时也可以不使用倍频器和混频器,把VCO直接送鉴相器。图2间接模拟式频综原理图3.4间接数字式基本原理间接数字频率源是由数字锁相环构成的,数字锁相环是在锁相环内插入数字分频器和数字鉴相器。分频器种类很多常用的有程控分频器,吞除脉冲分频器和小数分频器。间接数字频率源体积小,成本低,频率步进小,使用方便可靠。可实现大规模集成等优点,大量应用在通信技术中,主要缺点是输出相位噪声较差,因为锁相环内使用了分频器,输出相噪与环内分频器种类和分频次数有关,分频次数N越大,相噪越差,一般按20lgN变坏。因此使用吞除脉冲分频器的锁相环相噪最好在-100dBc?Hz,使用小频分频器相对比吞除脉冲分频器好一些。图3间接数字式频率源原理框图54第1期高树廷等频率源综述 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/间接数字式频率源基本原理框图由图3给出,从图3中看出,VCO频率被除以N,目的是把VCO频率除到鉴相器基准频率fr左右,送到数字鉴相器进行鉴频鉴相,鉴相器输出通过积分滤波电路变成模拟电压控制VCO频率,使VCO锁定。看出当N越大,VCO误差相位也被除了N倍,经鉴相器后等效把VCO相位不稳定度放大了N倍。所以N的大小直接影响输出相位稳定度。4频率源的发展和工程设计概述频率源技术近30年发展很快,尤其是近10年,相噪、杂散几年就降低一个数量级,DDS技术更是如此。在国内该技术发展并不理想,大量的合成频率源,频谱分析仪,网络分析仪每台以几十万到100万元人民币的价格大量进口,还有合成频率源中的关键元器件,如低相噪晶振,微波小体积滤波器,微波单片放大器等都大量进口,近20年发展起来的DDS合成技术更是如此。DDS技术尽管目前还有一些缺点,但它代表了频率合成技术的方向,解决了一些其它合成技术无法解决的技术难题,是频率源数字化的关键步骤。频率源的好坏直接影响微波系统高频系统的性能,是这些系统中的核心部件,例如在雷达系统中,由频率源给雷达系统提供发射激励信号,接收机本振信号,相参基准信号等。因此可以说频率源是现代微波和高频电子系统的心脏,它的性能直接影响电子系统的关键技术指标。频率源的关键技术是低相噪设计、低杂散设计及实现这些设计的电磁兼容保证措施。在具体工程设计中,不论是方案设计还是电磁兼容设计甚至印制板设计、结构设计等等都必须围绕如何降低相噪和杂散来考虑。例如低相噪设计,只靠一个合理的方案和一个满足要求的低相噪晶振还是不行的,还必须考虑合理的电磁兼容措施,正确的印制板设计及精心的调试技术才能全面保证达到低相噪。低杂散设计也是如此,不仅要有一个正确的方案,还必须有正确的电磁兼容措施,合理的元器件选择,如高隔离的混频器,高带外抑制的滤波器,高通断比的电子开关及频道之间的高隔离设计等等。参考文献:1白居宪.低噪声频率合成M.西安交通大学出版社.2高树廷、刘洪升.相位噪声分析及对电路系统的影响C.银川:微波电磁兼容第六届全国学术会议,2002年.(上接第42页)参考文献:1R.F.Harrington.Field 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