基于DDS的锁相频率合成器设计

1 引 言

现代频半合成源对频率精度、分辨率、转换时间和频谱纯度等指标提出了越来越高的要求。甚高频(VHF)频率合成器通常采用多锁相环路(PLL)结构，多环合成器将单环中的巨大分频比用多个环路来负担，同时各环，尤其足主环的鉴相频率大幅度提高，从而满足了鉴相频率高、分频比小和分辨率高等要求。但是由于多环组合的固有特性，尤其是分辨率每提高1个数量级，就要增加一级子环路，使得其频率转换速度低、线路复杂、可靠性差。

直接数字式频率合成技术(DDS)的频率分辨率高、频率转换速度快。DDS／PLL混合频率合成是一项新兴技术。DDS激励PLL倍频的方式能发挥DDS高分辨率的特点，但DDS信号中的相噪与杂散一旦落入环路内将会恶化lg N。

采用DDS内插PLL混频，即DDS输出与PLL反馈回路中的压控振荡器(VCO)输出混频，相当于用DDS取代多环频率台成器中的低(细)频率子环，电路结构简单，在频率转换速度、分辨率等方面性能优良，并且不存在DDS相噪与杂散恶化的问题。本文提出基于该思想的一种VHF段频率合成器设计。

2 方案设计

本方案设计一个VHF段频率合成器，输出信号频率分辨高，相位噪声低。

图1所示为频率合成器的原理框图。该合成器原理如下：压控振荡器(VCO)产生VHF段频率信号，在反馈通道中与直接数字式频率合成器(DDS)输出下混频，经带通滤波、程控分频器后送鉴相／鉴频器，与鉴相频率比较得到的相位误差信号，经低通环路滤波后，其平均值控制VCO输出向设定频率值靠拢并最终锁定。

本方案采用了DDS取代多环频率合成器中的低(细)频率子环，VCO输出频率范围89.6～110.4 MHz，DDS输出频率范围20～20.8 MHz，混频后取下变频69.6～89.6 MHz，经ECL预置分频器10分频至6.96～8.96 MHz，锁相环(PLL)鉴相频率取80 kHz，内部程控分频范围87～112 kHz。

压控振荡器输出频率和其他信号之间的关系由式(1)给出：

fOUT=N×10×fr+fDDS (1)

其中，fOUT为压控振荡器输出频率，fr为鉴相频率，fDDS为直接频率合成器输出频率，N为内部程控分频比。

3 电路设计

根据图1所示方案，设计了频率合成器的具体电路，其电路框图如图2所示。

采用DDS内插式混频关键是处理好高频带通滤波环节。可以采用耦合的LC双谐振电路构成69.6～89.6 MHz的固定带通滤波器(BPF)，如同3(a)所示，但实际调试发现滤波电路的谐振曲线在20 MHz带宽内很难保持水平。

压控振荡器MC1648采用外接LC电路形式，随压控信号输出89.6～110.4 MHz之间的频率，实际上是外接LC电路的谐振点(可变电容)随压控信号变化，而滤波范围为69.6～89.6 MHz，采用相同的LC电路形式，如图3(b)所示，用VCO的电压榨制信号，改变滤波LC谐振电路的容值，使其谐振频率点与VCO的输出频率“同步”，即滤波谐振频率总是与VCO的输出频率相差约20 MHz左右，称之为“滑动”LC谐振带通滤波电路，考虑到混频后两个边频最少相距20 MHz，可适当降低谐振电路Q值(并联合适电阻)，达到69.6～89.6 MHz覆盖，从而灵活解决了高频带通滤波问题。

4 主要性能指标分析

4.1 相位噪声

4.1.1 DDS相位噪声

DDS实际上是一个数字分频系统，理论上输出相噪应该以分频比N=fCLK／fDDS相对于系统时钟相噪优化-lg N(dB)，0

LDDS=LS-20lg N+δ (2)

其中，LDDS为DDS输出的相噪，LS为参考时钟的相噪，δ为DDS相噪恶化因子。

本方案取fCLK=100 MHz，fDDS=20 MHz，δ=10 dB。可得，DDS相噪相对于参考时钟还改善了4 dB。

4.1.2 锁相环路相位噪声

DDS取代多环锁相频率合成器的低频率子环后，环路相位噪声模型如图4所示。

根据环路理论，环路总的相噪为:

式中，LRS，LPD，LLP，LVCO，LDDS分别是环路参考晶振、鉴相器、环路滤波器、VCO、DDS的相噪，Lo是系统总输出相噪，H(jω)是环路有效传递函数，为低通滤波因子。

从式(3)可以看出，输出信号近端相位噪声与环路分频比有20lg N的关系，提高主环鉴相频率fr，可减小环路分频比。本方案采用混频方式，在一定程度上也减小了分频比，对带内相位噪声有一定改善。环路带宽外的相噪则主要由VCO的固有噪声决定。

4.2 杂散抑制

直接数字式频率合成(DDS)的相位截断误差，DAC量化误差及DAC非线性等固有特性，导致其输出杂散丰富，如果直接用DDS输山激励锁相倍频，将导致频谱恶化，而本方案采用的内插式混频方式，DDS输出杂散未经锁相倍频，而仍然保持DDS原来输出的水平。在本方案中，按DDS芯片AD9850资料，输出20 MHz时，杂散优于75 dBc。

4.3 频率步进

在本设计中采用ADI的AD9850单片集成直接数字频率合成器，最高时钟允许125 MHz，频率调谐字为32 b。根据DDS的工作原理，其输出频率fo和参考时钟fs，相位累加器长度N以及频率控制字FSW的关系为：

fo=fs×FSW／2N (4)

在100 MHz时钟下工作时，频率分辨率可达23 MHz，完全可满足系统设计的1 Hz频率细调要求。

4.4 跳频时间

跳频时间包含两部分的计算，一部分是DDS跳频时间，另一部分则是环路的频率稳定时间。

DDS核心技术包括相位累加器。正弦表查值，DAC转换及LPF平滑，按芯片AD9850的资料，频率控制寄存器为40 b，采用并行方式需用5个时钟周期(TS)改变频率控制字，FQ_UD信号有效后，间隔tCF输出新的正弦信号。因此DDS跳频时间至少为：

tDDS=5×TS+tCF (5)

当频率变化时，tCF为18个时钟周期(相位变化时为13个时钟周期)，这里选择100 MHz时钟，则DDS最怏跳频时间约0.23μs。

锁相环路换频时间是包括可变分频器置数时间、VCO调谐时间和环路捕获时间的总和，VCO的调谐时间可控制在10 μs量级，可变分频器置数可小于100μs。

环路捕获时间：

4.5 频率范围

如前所述，本方案中合成器输出频率范围89.6～110.4 MHz，DDS输出频率范围20～20.8 MHz，由式(1)可知，粗调频率步进为10×fr=800 kHz，细调频率步进(频率分辨率)为1 Hz，由DDS决定。

5 实验结果

图5所示是合成器输出100 MHz时的频谱图，从图中可以看出，其杂波抑制优于70 dBc，杂波电平优于-50 dBc@10 kHz，噪声电平与RBW平方根成正比，经计算优于：

6 结 语

采用DDS取代多环锁相频率合成器的低频率子环，获得了高频率输出(VHF段)、高分辨率(DDS量级)、快转换时间等性能，且结构简单。本方案采用DDS内插PLL混频，而不是DDS直接锁相倍频，避免了 DDS相噪与杂散恶化20lg N的缺点，是DDS，PLL结合的另一种方向，实验证明该方案可行，并且采用本设计方案，应用相应的环路器件及处理方法，可以满足更高的合成频率需要。