一種S波段低相噪捷變頻率合成方法

【摘要】闡述相位噪聲在各種通信中的重要性，通過對頻率合成方式的優缺點分析，選擇能夠實現一種S波段低相噪捷變頻率合成的方法，根據設計指標要求，提出自己的實現方式以及在實際設計中的注意事項。

【關鍵詞】直接頻率合成；開關濾波器組

1.引言

在各種高性能、寬動態范圍的頻率變化中，相位噪聲是一個主要的限制因素。在數字通信系統中，相位噪聲影響IQ圖，相位噪聲高會產生錯誤的比特位，因而增加了誤碼率，系統中的狀態越多，系統對相位噪聲越敏感；在衛星通信中，載波信號的相位噪聲還影響載波跟蹤精度[1]。另外頻率捷變速度，也是頻率合成的一個考慮因素。本文根據理論分析和相關計算，設計了一種S波段低相噪捷變頻率源，以滿足項目設計需要。

2.頻率合成方案選擇

頻率合成方法選擇首先根據設備的調制方法和雜散要求，其次在滿足同樣需求的合成方法中又要根據難易程度和成本不同來選擇。通信設備整機要想獲得很低的誤碼率和提高頻譜利用率，高穩定、低噪聲的頻率源是必不可少的。選擇頻率源方案時我們有兩種方案可供選擇：一是直接合成，二是間接合成即鎖相方案。兩種方案各有優缺點，直接合成具有變頻時間短、相位噪聲低的特點，但雜散較大，設備比較復雜。間接合成即鎖相特別是數字鎖相方案實現起來相對簡單，雜散小，但相噪差于前者，變頻時間長。對于有些移動通信設備系統，要求具有自動捷變頻功能，頻率變換時間在微秒級，數字鎖相方案實現頻率捷變顯然不太適合，就需要采用直接頻率合成方案。

3.直接式頻率合成原理

直接合成頻率源又可分為兩種方式：一種是非相干合成法，另一種是相干合成法。非相干合成法和相干合成法最主要的不同是，合成過程中所用的基準頻率源的數量不同[2]。非相干合成方法使用多個晶振參考頻率源，所需的各種頻率信號由這些參考源提供。相干合成方法只使用一個晶振參考頻率源，所需的各種頻率信號都由它經過分頻、混頻和倍頻后得到。寬帶倍頻鏈是這種頻率合成器的關鍵，它采用了多次放大和倍頻，這種倍頻鏈使輸出信號的相位噪聲以20lg n（n為倍頻次數）的數量惡化，倍頻將出現大量的寄生信號（晶振基波與各次諧波以及其組合頻率），所以倍頻后必須插入頻率特性非常好的濾波器。

4.S波段低相噪捷變頻率合成方法

根據項目頻率相參要求，選擇全相參直接合成頻率源實現方案。全相參直接合成頻率源是以一個高穩定的晶體振蕩器作為參考頻率源，所需的各種頻率信號都是由參考源經過分頻、混頻和倍頻后得到，因而合成器輸出頻率的穩定度與參考源相一致。根據以前工作中的相參直接合成頻率源模塊化研究成果，提出如下方案，其實現框圖如圖4-1所示。

設計指標要求：頻率2090MHz～2029MHz，頻率步進10MHz，共21個頻率點；相位噪聲譜密度優于-115dBc/1Hz（1kHz處），帶內雜散小于-60dB。

4.1 晶體振蕩器設計

設計指標要求相位噪聲譜密度優于-115dBc/ 1Hz（1kHz處），則選擇的80MHz溫補晶振的相位噪聲譜密度優于-145dBc/1Hz（1kHz處），通常考慮到系統設計留有10dBc/1Hz的余量，所以最終選擇的80MHz溫補晶振的相位噪聲譜密度優于-155dBc/1Hz（1kHz處）。

4.2 倍頻器設計

倍頻器是利用諧波來工作的，根據其工作原理可以有兩種類型；一種是非線性電抗（電容型的），如變容二極管和階躍恢復二極管（SRD）。變容二極管作變頻器時，倍頻次數較低，效率也較低，變容管的典型倍頻效率為1/n2（n為倍頻次數）。后來發展的階躍恢復二極管可制作高達20次的高次倍頻器，且倍頻效率較高，典型倍頻效率為1/n[3]。這種類型的倍頻器通常用于較高的工作頻率。另一種是非線性電導型的，如肖特基勢壘二極管、晶體三極管和FET等。

諧波發生器，需要產生2400MHz、2480MHz、2560MHz的高頻信號，使用的是第一種倍頻器，具體選用的是階躍恢復二極管WY402B，調節兩端的匹配網絡，使2400MHz、2480MHz、2560MHz幅度起伏在較小的范圍內。

4倍頻器產生320MHz的信號只要使用單片放大器ERA-50SM放大后用濾波器取出即可。為了給32分頻器和混頻器提供足夠的功率電平，還需要在功分器前或功分器后加放大器ERA-50SM。

4.3 分頻器設計

設計中需要把320MHz的信號分頻至以10MHz為起始頻率步進為10MHz的一系列信號，可以選用分頻器HMC394LP4。

4.4 混頻器設計

混頻器通常被用于將不同頻率的信號相乘，以便實現頻率的變換?；祛l器的兩個重要組成部分是信號合成單元和信號檢測單元。信號合成單元可以用90o（或180o）定向耦合器實現。信號檢測單元的非線性元件通常采用一個二極管[4]?；祛l器的選用是根據輸入和輸出頻率不同選用不同型號的混頻器，只要保證足夠大的有效輸入和輸出電平滿足要求的最低電平為原則。P頻標前的混頻器選用LRMS-5MHJ，用P頻標和S頻標合成2090MHz～2290MHz的混頻器選用HMC213MS8。

4.5 開關濾波器組設計

本設計中使用了兩組開關濾波器組，一組解決3個S頻標的選擇問題，另一組解決8個P頻標的選擇問題。S頻標3選1開關濾波器組，是在2400MHz、2480MHz、2560MHz的三個信號中選一個，其實還要濾除前面諧波發生器產生的80MHz其他次諧波，選用腔體濾波器，能做到高抑制度和低插入損耗；又要實現頻率捷變功能，就要選用高頻率的微波開關，如果選擇機械式的繼電器做選通開關就滿足不了頻率捷變速度的要求。P頻標8選1開關濾波器組，選出的頻率相隔10MHz，過度帶寬相對窄，就要選用聲表濾波器，選通開關也需要使用微波開關以滿足切換速度。

4.6 頻控電路設計

本設計中頻控電路的作用是每次分別選擇P頻標和S頻標中的一個，混頻合成頻率2090MHz～2029MHz的一個。設計時基于FPGA芯片來控制，這類可編程邏輯器件以其速度高、規模大、可編程，以及有強大EDA軟件支持等特性。Ahera是著名的PLD生產廠商，多年來一直占據著行業領先的地位。Ahera的PLD具有高性能、高集成度和高性價比的優點，此外它還提供了功能全面的開發工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera的產品獲得了廣泛的應用[5]。本設計中選用的FPGA芯片是EPM7128STI100-10，使用5個按鍵開關作為控制開關，對應FPGA的五個控制位20、21、22、23、24。

5.設計結果

根據設計方案，經過具體實施和認真調試，達到了相噪設計指標要求，其中一個頻點的相噪指標曲線如圖5-1所示。

6.結論

直接頻率合成方法可以實現S波段低相噪捷變頻率設計需要，在設計中頻率捷變速度得益于微波開關的選型和使用。采用直接合成頻率源另一個關鍵指標是輸出譜的雜散，通常認為直接合成雜散較大，也是工程實現的難點。對于本方案P頻標的開關濾波器組是關鍵，其對中心頻率左右10MHz雜散的抑制度取決于SAW濾波器，根據現在SAW器件的工藝、材料水平能做到60dB以上，最后合成的頻率雜散小于-60dB。除此之外實現方案的選擇，工程經驗對系統實現高的雜散抑制也至關重要。

本文的頻率合成方案是高端移動通信設備的本振合成的實際應用典范，可以推廣到其他波段的頻率合成。

參考文獻

[1]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安交通大學出版社.

[2]Vadim Manassewitsch著.何松柏，宋亞梅，鮑景富，等.頻率合成原理與設計[M].電子工業出版社.

[3]中國集成電路大全》編委會編.微波集成電路[M].國防工業出版社.

[4][美]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko著.王子宇，張肇儀，徐承和等.射頻電路設計——理論與應用[M].電子工業出版社.

項目名稱：機動多功能航管雷達系統（項目編號：2011BAH24B11）。