摘? 要: 介紹了一種利用倍頻的方法來改善DDS的上限頻率和雜散電平。首先對DDS的原理和雜散進行分析,在此基礎上提出了DDS倍頻模塊的原理方案。經過實驗調試和測試,得到DDS的輸出頻率為198~220MHz,輸出功率為+8.0~+10.5dBm。
關鍵詞: 直接數字合成(DDS)技術? 晶體管? 倍頻
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近二十年來,隨著數字集成電路和微電子技術的發展,出現了一種新的頻率合成技術——直接數字合成(Direct Digital Synthesize)技術。DDS的出現導致了頻率合成領域的第二次革命。DDS具有相對帶寬很寬、頻率捷變速度快、頻率分辨率高、輸出相位連續、可輸出寬帶的正交信號、可編程、全數字化和便于集成等優越性能。但是它的全數字結構造成了DDS的主要缺點:其一,根據取樣定理,輸出信號的最高頻率將低于參考時鐘的一半,故若要提高輸出頻率將受到器件(如DAC、ROM)的速度限制;其二,DDS輸出信號中雜散寄生分量大,其中輸出高頻尤甚,它無法達到PLL頻率合成的頻譜純度;其三,DDS的功耗與其時鐘頻率成正比,故在供電受到限制的場合且又要求有較高的頻率輸出,DDS就有局限性。如何克服限制DDS廣泛應用的主要缺點,是當前國際上DDS技術研究的主要課題。本文將利用倍頻的方法擴展DDS的頻率上限和改善DDS雜散電平。
1 DDS的基本原理及其雜散來源
DDS的理論依據是奈奎斯特抽樣定理。根據該定理,對于一個周期正弦波連續信號,可以沿其相位軸方向,以等量的相位間隔對其進行相位/幅度抽樣,得到一個周期性的正弦信號的離散相位的幅度序列,并且對模擬幅度進行量化,量化后的幅值采用相應的二進制數據編碼。這樣就把一個周期的正弦波連續信號轉換成為一系列離散的二進制數字量,然后通過一定的手段固化在只讀存儲器ROM中,每個存儲單元的地址即是相位取樣地址,存儲單元的內容是已經量化了的正弦波幅值。這樣的一個只讀存儲器就構成了一個與2π周期內相位取樣相對應的正弦函數表,因它存儲的是一個周期的正弦波波形幅值,因此又稱其為正弦波形存儲器。對于一個連續的正弦波信號,其角頻率ω可以用相位斜率Δφ/Δt表示。當角頻率ω為一定值時,其相位斜率Δφ/Δt也是一個確定值。此時,正弦波形信號的相位與時間成線性關系,即φ=ω×Δt。根據這一基本關系,在一定頻率的時鐘信號作用下,通過一個線性的計數時序發生器所產生的取樣地址對已得到的正弦波波形存儲器進行掃描,進而周期性地讀取波形存儲器中的數據,其輸出通過數模轉換器及低通濾波器就可以合成一個完整的、具有一定頻率的正弦波信號。
DDS的基本原理框圖如圖1所示。它主要由標準參考頻率源、相位累加器、波形存儲器、數模轉換器、低通平滑濾波器構成。在時鐘脈沖的控制下,頻率控制字K由累加器得到相應的相碼,相碼尋址波形存儲器進行相碼-幅碼變換輸出不同的幅度編碼,再經過數模變換器得到相應的階梯波,最后經低通波器對階梯波進行平滑,即得到由頻率控制字K決定的連續變化的輸出波形。其中,參考頻率源一般是一個高穩定的晶體振蕩器,其輸出信號用于DDS中各部件同步工作。因此,DDS輸出的合成信號的頻率穩定度與晶體振蕩器是一樣的。相位累加器是實現DDS的核心,如圖2所示。它由一個N位字長的二進制加法器和一個由固定時鐘脈沖取樣的N位相位寄存器組成。相位寄存器的輸出與加法器的一個輸入端在內部相連,加法器的另一個輸入端是外部輸入的頻率控制字K。這樣,在每個時鐘脈沖到達時,相位寄存器采樣上個時鐘周期內相位寄存器的值與頻率控制字K之和,并作為相位累加器在這一時鐘周期的輸出。
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??? 當頻率合成器正常工作時,在標準頻率參考源的控制下(頻率控制字K決定了相應的相位增量),相位累加器則不斷地對該相位增量進行線性累加,當相位累加器積滿量時就會產生一次溢出,從而完成一個周期性的動作,這個動作周期即是DDS合成信號的一個頻率周期。于是,輸出信號波形的頻率及頻率分辨率可以表示如下:
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式中:fout為輸出信號頻率;fmin為輸出信號分辨率;K為頻率控制字;N為相位累加器字長;fc為標準參考頻率源工作頻率。
由式(1)和(2)可知,DDS輸出信號的頻率主要取決于頻率控制字K,相位累加器字長N決定DDS的頻率分辨率。當K增大時,fout可以不斷地提高,由抽樣定理,最高輸出頻率不得大于fc/2,但工作輸出頻率達40%fc左右時,輸出波形的相位抖動就很大。根據實驗所得,實際工作時輸出頻率小于fc/3較為合適。同時當N增大時,DDS輸出頻率的分辨率也越精細。
從理論上來講,DDS輸出信號的相位噪聲對參考時鐘信號的相位噪聲有20lg(fc/fout)dB的改善。但是DDS的數字化處理也帶來了不利因素,豐富的雜散隨著主頻率一起輸出,使得降低雜散成為一個主要問題。圖3表示了DDS的雜散來源,主要有以下三個方面的因素:
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(1)ξDA(n)是D/A變換器引入的誤差,它是由D/A變換器的非理想特性引起的。DAC的非理想特性有:差分、積分的非線性、D/A轉換過程中的尖峰電流、轉換速率受限等;
(2)ξT(n)是ROM存貯數據的有限字長引起的誤差。由于ROM存儲的位數是有限的D,所以幅值量化過程中將產生量化誤差ξT(n);
(3)ξP(n)是相位舍位引起的誤差。在DDS中,一般相位累加器的位數L遠大于ROM的尋址位數W,因此累加器的輸出尋址ROM時,其L-W個低位就必須舍去,這樣就不可避免地產生相位誤差,稱為相位截斷誤差ξP(n)。該誤差是DDS輸出雜散的主要原因。
2 擴展DDS頻率上限的方法
根據前面的分析可以知道,DDS的輸出頻率較低以及雜散電平高,限制了它在寬帶、高穩定、高純頻譜雷達信號中的應用。為了降低雜散,不能完全利用DDS相對帶寬很寬的優點,只能選擇DDS中一段雜散較低的有限帶寬,通過倍頻擴展其上限頻率。這就是為了獲得寬帶信號波形采用DDS加倍頻的理由。
擴展帶寬的方法有很多,可以利用倍頻器直接倍頻,乘法器倍頻,利用鏡像抑制混頻器分取上、下邊帶,利用DDS正交輸出合成,DDS與混頻器組合,DDS與鎖相環組合,以及多路并行DDS的方法。本文采用的是DDS直接倍頻的方法,下面詳細介紹這種方法。
圖4是DDS直接倍頻的原理方框圖。來自型號為Stel-1175的DDS輸出的0～20MHz較小的信號經前置放大后,通過后面的窄帶濾波器,經過耦合電容加到第一級晶體管倍頻器,調整晶體管的直流工作點,使其工作在丙類工作狀態下,由于晶體管的非線性特性,在其信號輸出端產生多次諧波,再通過帶通濾波器來有效地提取輸入信號的二倍頻信號。通過這樣的四次二倍頻后輸出頻率為198～220MHz。由于帶通濾波器有大的衰減(插損-10dB),輸出信號很小,故在最后加了一級晶體管線性放大器,用以獲得所需幅度的信號。
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與許多倍頻方式相比,晶體管倍頻具有電路簡單、動態范圍大、增益高、雜散諧波電平低等優點,故在DDS倍頻電路中采用了晶體管倍頻的方案。基本原理是利用了晶體管在丙類工作狀態下,導致輸入信號波形的失真,從而產生它的各次諧波分量,然后通過后級選頻回路來提取所需要的諧波分量。在DDS倍頻模塊的晶體管倍頻電路中,選用了2SC3358作為倍頻用的晶體管,它是一種低相噪、高可靠、高穩定性的晶體管,具有較大的動態范圍。下面將扼要分析晶體管倍頻的工作原理。
二倍頻電路中各級電壓與電流關系如圖5所示。由于晶體管的非線性,在集電極產生基波的各次諧波,讓輸出回路諧振于二次諧波,因此Vc的頻率比基波信號頻率高一倍,同時,VCmin與VBmax仍在同一點相遇。瞬時集電極電壓與瞬時基極電壓的表達式可分別寫成:
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為了比較,圖5中同時用虛線畫出作為放大器時的vc=VCC-Vcmcosωt的曲線。可以看出,在有ic流通的時間內,倍頻器的集電極瞬時電壓上升速度比較快。因此,在同樣的Vcmin值的情況下,倍頻器的集電極損耗功率Pc比正常工作于基波頻率時大得多,亦即集電極效率ηc要低得多。為了避免Pc太大,應減小倍頻器的集電極電流通角θc,以減小Pc,提高ηc。
由于Vcmin相同,因此兩者的電壓利用系數ξ=Vcmn/Vcc也相同。現在從相同的iCmax與rCmin這兩個條件出發,來比較倍頻器與放大器的輸出功率與效率:
由式(5)可見,n次諧波倍頻器的輸出功率正比于n次諧波的分解系數an(θc)。由圖5可以知道:
因此為了倍頻器的輸出功率最大,在n=2時,θc應取60°左右。這時與θc=120°時的放大器輸出功率相比較有:
由此可見,在采用最佳通值角的情況下,二次倍頻器的輸出功率只能約等于它作為放大器時的1/2。
與此同時,由式(8)可以求出它的效率也隨著倍頻次數n的增加而下降。
由以上的討論可以知道,隨著倍頻次數n的增加,它的輸出功率與效率下降。同時,n值越高,最佳的θc值越小。為了減小θc,就必須提高倍頻器的基極反向偏壓-VBB。VBB加大后,基極激勵電壓Vbm也必須加大。對于晶體管電路來說,增加激勵電壓與偏壓,就可能使發射結的反向偏壓超過擊穿電壓V(BR)EBO。基于以上這些原因,這種倍頻器的倍頻次數n通常不能超過3～4。因此,在DDS倍頻模塊中,倍頻次數選為2。
在完成方案和系統框圖的設計基礎上,進一步完成了整個DDS倍頻模塊的方案設計和PCB圖的設計。在完成制板和系統的裝配后,進行了系統的調試,得到了最后的測試結果。測試結果如下:
輸入頻率范圍:12.375～13.75MHz
輸入功率范圍:-25～0dBm
輸出頻率范圍:198～220MHz
輸出功率范圍:+8.0～+11.0dBm/輸入功率為-9dBm時
雜散電平:≤-60dBc
諧波電平:≤-35dBc
相位噪聲:￡(1kHz)≤-90dBc/Hz;￡(10kHz)≤-100dBc/Hz
圖6、圖7給出用ADVANTEST R3465頻譜分析儀測出的幾個頻點的頻譜圖。
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根據上述分析可以知道,當型號為Stel-1175的DDS輸出信號頻率為0～20MHz并且功率為-25～0dBm時,DDS倍頻模塊擴展的DDS上限頻率為198～220MHz,輸出功率為+8.0～+11.0dBm(典型輸入功率為-9dBm時),雜散電平小于≤-60dBc,諧波電平小于≤-35dBc。由上面的指標可以知道,DDS倍頻模塊可以滿足通信、雷達、電子對抗、導航、遙測遙控、電子儀器儀表等領域的工程應用要求。
在電子對抗領域中,DDS倍頻模塊可作為跳頻保密通信系統和高穩定、高純頻譜的雷達系統中的發射機激勵源和接收機的理想本振源,這樣可以提高跳頻速度和展寬跳頻范圍以提高跳頻通信系統和雷達系統的抗干擾能力。
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參考文獻
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