采用AD9913的低相噪頻率合成器設計

周存麒

摘要：低相噪頻率合成是通信電路設計中的關鍵技術，在射頻和微波領域應用廣泛。文章闡述了混頻鎖相的原理，通過建立噪聲模型，對影響相位噪聲的主要因素進行了詳細論述，并結合AD9913介紹了一種低相噪頻率合成具體方案，并給出了指標測試結果。本文網絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/164390.htm

關鍵詞：混頻鎖相；低相噪；AD9913

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.011

引言

在現代復雜電磁環境中，要提高接收機的信號截獲能力和動態范圍，需對頻率合成器進行捷變頻和低相噪設計。隨著數字集成電路的高速發展，低噪聲、高性能的數字鎖相環已得到廣泛應用，它具有體積小、成本低和易于調試等優點。

DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、相位連續性、正交輸出、高分辨力以及集成度等性能指標上遠遠超過了傳統頻率合成技術的水平，為系統提供了優于模擬信號源的性能。

對于工作頻率高、變頻間隔相對較小的鎖相合成器，如果采用前置分頻法，則環路分頻比較大，在反饋支路進行頻率下移，可有效減小環路分頻比，有利于改善系統的相位噪聲和動態響應特性。

混頻鎖相合成技術相噪特性分析

鎖相頻率合成主要分為單環鎖相和混頻鎖相兩種。單環鎖相頻率合成是工程中常用的設計方法，其優點是結構簡單、體積小，且容易實現，缺點是當環路輸出頻率較高時分頻比較大，無法實現低相噪設計要求。

混頻鎖相方式增加了頻率搬移電路，通過在反饋支路對輸出頻率進行下移，從而降低了環路分頻比，實現對系統輸出相位噪聲的改善，設計原理如圖1所示。圖中，輸出頻率經取樣本振混頻后得到一個較低的中頻，與參考信號鑒相，鑒相產生的誤差電壓經環路濾波后除去高頻分量和帶外噪聲，去調諧VCO以改變輸出頻率。

在充分考慮參考信號、VCO和鑒相器引入相位擾動的基礎上，忽略一些次要因素，可建立圖1所對應的系統相位噪聲疊加模型，如圖1所示。

將噪聲源進行疊加，經過簡單地推導，可得出系統單邊帶相位噪聲功率譜密度為：

根據相位噪聲最優原則，環路濾波器的轉折頻率ωn應取在式（2）、（3）的交點，其閉環特性為：在環路帶寬內，系統輸出的相位噪聲主要取決于參考信號和數字鑒相器基底噪聲，在環路帶寬外，相位噪聲則主要由VCO決定。

原理框圖

混頻鎖相合成器由DDS電路、混頻電路、壓控振蕩器、鑒相器、環路濾波器、程序分頻器等基本電路構成。具體原理框圖見圖2。

主鎖相環中，3200～3550MHz的輸出信號通過取樣本振下變頻至400～750MHz，分頻后與參考信號鑒相。取樣本振（2.8GHz）由100MHz高穩晶振經倍頻濾波后產生。

本方案中，環路濾波器按500kHz帶寬設計環路參數，因此在近載頻處，對相位噪聲有直接影響的因素是參考信號、倍頻噪聲和鑒相/分頻器本底噪聲，在遠載頻處，相位噪聲則主要受壓控振蕩器的開環特性決定。

AD9913介紹

AD9913是美國ANALOG DEVICES公司生產的新型低功耗直接數字頻率合成器（DDS），它采用先進的DDS技術，結合內部高速高性能的D/A轉換器和比較器，可編程參考時鐘倍乘器形成可編程、可靈活使用的頻率合成功能。AD9913產生高穩定、頻率相幅可編程的正弦波，可作為信號源廣泛應用于通信工程、雷達儀器儀表、高速計算機及導航系統中。

AD9913具有以下重要特性：100MHz模擬輸出和0.058Hz或更高的頻率分辨率；相位噪聲≤-135dBc的每Hz@1kHz偏移（DAC輸出）；出色的動態性能：≥80dB的SFDR@100MHz（±100kHz偏移）；自動線性掃頻能力；極低功耗（50mw，1.8V電源）；可選的PLL REF_CLK倍頻，最高工作時鐘可達250MHz。

AD9913內部集成了DDS模塊、10位DAC、REF_CLK輸入電路、時序和邏輯控制電路以及對外I/O接口模塊等，內部功能方框圖見圖3。

相噪分析

器件選型上，100MHz參考源采用恒溫晶體振器，相位噪聲設計值應不低于-155dBc/Hz/10k，本振由階躍二極管倍頻電路實現，DDS采用AD9913，鑒相/分頻器則采用HMC700。

其中，DDS用100MHz時鐘激勵輸出23.88～25MHz時，其相位噪聲小于-145dBc/Hz/10k，經混頻除4后相位噪聲可達-155dBc/Hz/10k，鑒相/分頻器的本底相位噪聲值為-225dBc/Hz。

由公式（2）可估算出近載頻10k時（M=28，N=40），系統閉環輸出相位噪聲為：

實際測量如圖4所示，合成器的相位噪聲測量結果與計算基本吻合。

雜散抑制

本方案中，合成器雜散的主要來源有以下三個部分。

（1）DDS（AD9913）產生的雜散。通過在DDS輸出端的帶通濾波器將DDS產生的雜散濾除。

（2）混頻產生組合頻率分量。取樣本振與VCO輸出混頻后，除得到有用的中頻信號外，還會產生大量無用的組合分量，這些無用分量如果不加以抑制，會泄漏到合成器輸出端，形成雜散。設計時通過方向性較強的放大器級聯提供反向隔離，同時在混頻器后面設計一個帶通濾波器，濾除混頻后的雜散信號，并在電路上進行良好的屏蔽，以保證系統指標要求。

（3）鑒相頻率泄漏。鑒相頻率來自分頻產生的矩形脈沖，包含著豐富的混波分量，電路中需通過環路濾波器進行抑制，為達到更好阻帶特性，可在環路中附加一個LC低通濾波器來實現。

結束語

本文介紹了一種用于超短波通信設備的C波段低相噪頻率合成器，并詳細分析了其相位噪聲、雜散抑制性能。在調試過程中，作環路濾波器所產生的噪聲對試驗結果有較大影響，使得環路轉折頻率附近有底噪聲干擾現象，通過改進環路濾波器的參數后解決干擾。該合成器已投入工程中應用，實用效果較好。

參考文獻：

[1] AD9913 Datasheet[Z].Analog Device Corp.

[2] HMC440 Datasheet[Z].HITTITE Corp.

[3] 方立軍.一種C波段低相噪鎖相頻率合成器[J].現代電子，2001，73，（4）：41-45

[4] 趙海清.一種新穎的頻率合成器捷變頻方案[J].電訊技術，2002，42，（4）：5-8

[5] 趙彥芬.頻率合成器環路濾波器的設計[J].無線電工程，2006，36，（4）：39-41

[6] 張廣顯，白錫巍.階躍二極管高階倍頻器研制[J].半導體情報，2000，37，（2）：50-52