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。
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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
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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。
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