用AD9910芯片实现宽带频率合成器的设计与测试分析

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。

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：

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

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:

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

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：

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。

图2 HMC520 IR混频器边带抑制曲线

图3 HMC520 IR混频器镜相抑制曲线

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。

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。

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。