【正文】 寬帶頻率綜合器設(shè)計與應(yīng)用畢業(yè)論文目次1 緒論 2 2 3 4 52頻率合成器的基本知識 7 7 7 8 8 9 12 鎖相環(huán)路的線性分析 13 143相位噪聲的分析 14 14 15 16 17 18 18 18 20 QVCO 20 204寬帶頻率綜合濾波器詳細(xì)設(shè)計 21 21 23 23 DDS和單片機(jī)電磁兼容的問題 28 28 29 29 30 R分頻器和N分頻器的設(shè)置 32 32 32 X波段放大倍頻模塊的設(shè)計和實現(xiàn) 33 C波段濾波器和X波段濾波器的設(shè)計 33 34 X波段頻率合成器的調(diào)試 34 365系統(tǒng)仿真 36總結(jié) 39致 謝 40參考文獻(xiàn) 41 1 緒論近幾年用戶對通信儀器的需求大大刺進(jìn)了通信系統(tǒng)的系統(tǒng)演變和市場擴(kuò)大。用戶要求逐步提升移動通信服務(wù)質(zhì)量，使得移動通信運(yùn)營商提高了儀器的投資。同時通信運(yùn)營商要求通信設(shè)備生產(chǎn)商提供靠譜點、效率高的通信儀器，于是通信設(shè)備生產(chǎn)商也提高了了在通信測試儀器方面的投資。隨著3G等移動通信在中國的不斷發(fā)展和應(yīng)用，射頻測試儀表設(shè)備有著廣闊的市場前景，在該領(lǐng)域進(jìn)行自主開發(fā)具有很深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。頻率合成器是用高精度晶體振蕩器作為基準(zhǔn)，通過合成技術(shù)能產(chǎn)生一系列具有一定頻率間隔的高清度頻率源，分直接合成和鎖相環(huán)合成兩種。它被大范圍應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域中,被譽(yù)為電子設(shè)備的“心臟”,對接收機(jī)的性能有重要的影響。隨著軍事發(fā)展的需要,信號偵收頻段在擴(kuò)展,需要研制寬頻帶、小步進(jìn)微波頻率合成器?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭是爭奪電子頻譜控制權(quán)的戰(zhàn)爭。在空間通信、雷達(dá)測量、遙測遙控、射電天文、無線電定位、衛(wèi)星導(dǎo)航和數(shù)字通信等先進(jìn)的電子系統(tǒng)中都需要有一個頻率高度穩(wěn)定的頻率合成器。 電子干擾使雷達(dá)、通信面臨著新的挑戰(zhàn)。通信在電子戰(zhàn)中跳頻體制成為一種重要的軍事通信手段。跳頻通信系統(tǒng)必須裝備與跳頻速度相適應(yīng)的頻率合成器。一個性能優(yōu)良的頻率合成器應(yīng)同時具備輸出相位噪聲低、頻率捷變速度快、輸出頻率范圍寬和捷變頻率點數(shù)多等特點。頻率合成理論大約是在30年代中期提出來。最初產(chǎn)生并進(jìn)入實際應(yīng)用的是直接頻率合成技術(shù)。六十年代末七十年代初，相位反饋控制理論和模擬鎖相技術(shù)的在頻率合成領(lǐng)域里的使用，掀起了頻率合成技術(shù)發(fā)展史上的一次變革，相干間接合成理論就是這場革命的孕育結(jié)果。接著數(shù)字化的鎖相環(huán)路部件如數(shù)字鑒相器、數(shù)字可編程分頻器等的涌現(xiàn)及及在鎖相頻率合成技術(shù)中的應(yīng)用產(chǎn)生了數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)。由于不斷引進(jìn)和借鑒如吞脈沖計數(shù)器、小數(shù)分頻器、多模分頻器等數(shù)字技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，數(shù)字鎖相頻率合成技術(shù)已相當(dāng)成熟。目前頻率合成主要有三種方法：直接模擬合成法、鎖相環(huán)（PLL）合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻（乘法）、分頻（除法）、混頻及濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時間快（小于100ns），但是體積大、功耗大，目前已基本不被采用。直接數(shù)字合成（DDS）是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法。直接數(shù)字頻率合成(DDSDirect Digital Synethsizer)技術(shù)于1971年首先被提出。鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算。該方法結(jié)構(gòu)簡單、集成容易，頻譜純度高，被大幅度運(yùn)用，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于大步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展對電子設(shè)備關(guān)鍵器件頻率合成器提出了越來越高的要求，對頻率合成器的頻譜純度、相位噪聲和跳頻速度等指標(biāo)的要求在不斷提高。依據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的不同，對各項指標(biāo)要求的側(cè)重點也有所不同，利用微波固態(tài)電路基礎(chǔ)知識,采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實現(xiàn)X波段寬帶頻率綜合器。這種方法是利用鎖相PPL構(gòu)成頻率合成器，鎖相頻率合成技術(shù)是利用鑒相器、環(huán)路慮波器，壓控振蕩器以及分頻器的特性，使壓控振蕩器的輸口頻率與基準(zhǔn)參考頻率之間保持嚴(yán)格的比例關(guān)系并得到相同的頻率穩(wěn)定度。這種鎖相頻率臺成器電路簡單，成車低廉，具有極寬的輸出頻率范圍、自好的寄生頻率抑制性能、很高的頻譜純度和輸自頻率易于控制等長處，其主要缺點是頻率變換時間較長所以很難實現(xiàn)快速跳頻．一個鎖相相環(huán)只能一個時間段輸出一個頻，最高工作額率不是很高，此外，假如要求PLL的輸出達(dá)到細(xì)步長就需要很低的鑒相頻率，于是在相同的輸出頻率前提下鎖相環(huán)路的預(yù)分頻比N會增大，輸出信號頻率的相位噪聲惡化比較糟糕，所以利用PLL實現(xiàn)高分辨率比較目難。鎖相頻率臺成技術(shù)的關(guān)鍵在鎖相環(huán)路的信號跟蹤．相位噪聲指標(biāo)、環(huán)路的穩(wěn)定性和捕捉性能的分析上．而不放在組臺頻率的抑制上。 這幾年隨著GSM、GPRS 3G和正在提出標(biāo)準(zhǔn)的4G等移動通信技術(shù)以及無線本地環(huán)路( WLAN)等無線接入技術(shù)的發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)、多普勒脈沖雷達(dá)在現(xiàn)代軍事、國防、航空航天科技領(lǐng)域應(yīng)用過程中的得到前進(jìn)與發(fā)展，世界各國尤其看重頻率合成器的發(fā)展。不斷增長的社會需要以及微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)的不斷進(jìn)步都促進(jìn)了頻率合成技術(shù)的發(fā)展，在鎖相環(huán)頻率合成方面產(chǎn)生各生產(chǎn)頻率合成芯片的公司如ADI、NSC、Motorola．PSC及Cypress等陸續(xù)推出各自的品牌產(chǎn)品，使得PLL頻率合成技術(shù)有了很大發(fā)展。 鑒相器不在運(yùn)用傳統(tǒng)的電壓型，而是運(yùn)用電流型電荷泵技術(shù)，這樣使得鑒相器的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)檎`差電流而不是誤差電壓。本技術(shù)的優(yōu)勢在于鎖相環(huán)路濾波設(shè)計時可以運(yùn)用無源環(huán)路濾波器，于是得到的結(jié)論是鎖相環(huán)仍然可以滿足理想二階環(huán)路濾波器的性能，同時它又能改善由于環(huán)路濾波中存在有源器件造成對相噪的影響，根據(jù)實際情形不一樣可以改善3～8dB的相位噪聲。還有一種技術(shù)是小數(shù)（分?jǐn)?shù)）分頻技術(shù)(FractionalN)。他可以使得在程序分頻值N較大時依舊可使輸出相噪有很高技術(shù)指標(biāo)。另一種A調(diào)制頻率合成彌補(bǔ)了小數(shù)分頻技術(shù)的不足 現(xiàn)在已有許多性能良好的的單片PLL頻率合成器，比如有美國Motorola公司的MC145191/2/3美國Qualm的Q3236，美國National Semiconductor的LMX1600系列，LMX2315/2LMX2306/16/26 ，LMX2330：ADI公司的ADF41XX系列，以及Peregrine半導(dǎo)體公司的PE3291/3292芯片等。如上集成鎖相環(huán)優(yōu)點是體積小，還有工作頻率可達(dá)到很高。各個公司還在互聯(lián)網(wǎng)上傳了許多設(shè)計資料和本公司產(chǎn)品的仿真軟件，于是大幅度降低了系統(tǒng)設(shè)計者的工作量。同樣這些芯片的價格也很低。面對那么多優(yōu)勢，現(xiàn)在的大部分頻率合成方案都選擇了性能優(yōu)異的PLL芯片。 對于DDS，目前生產(chǎn)DDS芯片的公司主要有美國ADI、Qualm、Sciteg、Standford、Harris及Synegy等公司以及法國的Omerga、Dassault公司等。市場上質(zhì)量高的DDS芯片有很多，Qualm公司新生產(chǎn)了DDS系列Q22Q22Q233Q22Q2368，在這之中Q2368的工作頻率130MHz,．雜散76dBc， u s；Sciteq公司生產(chǎn)了一系列的DDS芯片，能正交輸出，雜散45dBc。 各種頻率合成技術(shù)各有優(yōu)勢，但現(xiàn)在的頻率綜合技術(shù)發(fā)展趨勢是利用PLL、DDS、DRO、混頻、倍頻等技術(shù)合理組合起來，如此可以使得頻率合成器的相位噪聲，雜散指標(biāo)、跳頻時間和輸出頻率范圍等技術(shù)指標(biāo)大大提高。設(shè)計的主要工作就是為滿足寬帶調(diào)諧接收機(jī)的要求而展開對X波段寬帶頻率合成器的一些研制工作，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力，包括資料檢索、專業(yè)文獻(xiàn)閱讀、設(shè)計能力和試驗?zāi)芰?。設(shè)計一個寬帶頻率綜合器，使對頻率綜合器的原理有一個比較全面和深入地了解，能夠初步掌握頻率綜合器設(shè)計的基本流程，具備設(shè)計能力。在功能上，它完成如下工作：利用微波固態(tài)電路基礎(chǔ)知識，采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實現(xiàn)X波段寬帶頻率綜合器，接收外部同步源或者使用自帶的參考源以鎖相環(huán)方式實現(xiàn)兩路寬頻本振信號輸出，并分別作為收發(fā)信機(jī)的本振。由于需要支持多種制式，要求該頻綜源具有較大的輸出頻率范圍、優(yōu)良的相位噪聲及雜散諧波性能，后者正是本文實現(xiàn)過程中的難點與重點我將整個設(shè)計計劃分為三個階段1．項目準(zhǔn)備階段。作為寬帶頻率綜合器這樣高難度的領(lǐng)域，項目的準(zhǔn)備階段尤其重要。首先，寬帶頻率綜合器作為一個系統(tǒng)，包括軟件、硬件。這要求有全面的整體分析，系統(tǒng)分析對于確定整個升級方案具有很重要的影響。在需求分析確定后，就要收集和整理資料。參考各方面資料，參考已有成果的的經(jīng)驗與設(shè)計方案。2．方案設(shè)計階段。明確整體需求后，要按照需分析的結(jié)果來進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并對方案進(jìn)行不斷的驗證和修改以達(dá)到滿意的結(jié)果。3．各個模塊器件的選型。集成電路已經(jīng)有50年的發(fā)展史。通信系統(tǒng)設(shè)計的各個方面，有很詳盡的方案。運(yùn)用集成芯片，采用比較成熟的套片綜合完善系統(tǒng)的設(shè)計，不僅可以降低整個系統(tǒng)的損耗，而且還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了價格成本。利用離散的芯片設(shè)計方案，能夠給設(shè)計帶來很靈活的思路，能夠依照設(shè)計要求合理布置各個儀器在接收鏈路中的位置，最大限度的優(yōu)化設(shè)計。因為采用分立芯片，所以每一級芯片之間的阻抗匹配就變得尤其重要，假如匹配不好就會對信號產(chǎn)生不可估計的影響。分立芯片在一定程度上提高了了設(shè)計的難度，而且給設(shè)計的調(diào)試帶來了很大的困難，在調(diào)試中會出現(xiàn)一些不穩(wěn)定因素。而且各個芯片都有或多或少損耗，就噪聲這個設(shè)計會有很大的功耗，達(dá)不到最初設(shè)計的要求。就此，在整個設(shè)計過程中要權(quán)衡利弊，在符合各個產(chǎn)品的要求下，盡量運(yùn)用比較成熟的設(shè)計方法，這樣做可以大大減少設(shè)計難度和調(diào)試難度、減低了各個階段工作量、提高設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性。本課題研究的具體問題時利用微波固態(tài)電路基礎(chǔ)知識,采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實現(xiàn)X波段寬帶頻率綜合器。這種方法是利用鎖相PLL構(gòu)成頻率合成器，鎖相頻率合成技術(shù)是利用鑒相器、環(huán)路慮波器，壓控振蕩器以及分頻器的特性，使壓控振蕩器的輸口頻率與基準(zhǔn)參考頻率之間保持嚴(yán)格的比例關(guān)系并得到相同的頻率穩(wěn)定度。PLL雖然有頻率高、帶寬寬以及頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點,但是存在置頻時間長、分辨力較低等缺點。而DDS優(yōu)點比較突出，它的頻率分辨力很高高，頻率轉(zhuǎn)換時間也快，能夠輸出較低的相位噪聲,它也有很多不足，例如其輸出頻率就很低低、輸出雜散多。假如我們把上面兩個結(jié)合起來,取長補(bǔ)短,便可綜合他們的優(yōu)勢得到更高的頻率分辨力、更快的頻率轉(zhuǎn)換時間、低相噪和較寬的輸出頻率范圍。常用的 X波段頻率合成器的設(shè)計方案DDS+PLL組合有兩種方式：DDS激勵PLL，DDS內(nèi)插PLL。不管使用哪種方式,都可以得到較高分辨力，較快的頻率轉(zhuǎn)換時間和較寬頻率范圍的輸出頻率。但兩種組合特點依舊有些不同點。PLL內(nèi)插DDS的組合中,由于DDS輸出不經(jīng)PLL倍頻,所以輸出的相位噪聲比較低和雜散性能比較穩(wěn)定,但他又要要求濾除混頻器產(chǎn)生的多余分量,對環(huán)路參數(shù)有很大影響,提高了設(shè)計難度,調(diào)試硬件的時間增長,相對而言前者硬件結(jié)構(gòu)簡單而且容易實現(xiàn),系統(tǒng)穩(wěn)定性高。綜合各方面的考慮本方案采用DDS激勵PLL的方式對X波段頻率合成器進(jìn)行設(shè)計。2頻率合成器的基本知識現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，為確保通信的穩(wěn)定與可靠，對通信設(shè)備的頻率準(zhǔn)確率和穩(wěn)定度提出了極高的要求. 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，要求信號的頻率越來越準(zhǔn)確和越來越穩(wěn)定，一般的振蕩器已不能夠符合系統(tǒng)設(shè)計的需要。晶體振蕩器具有較高準(zhǔn)確度和較高穩(wěn)定度，成為各種電子系統(tǒng)的必選部件。但是晶體振蕩器的頻率變化范圍很小，其頻率值不高，很難滿足各個電子系統(tǒng)的需求，在通信、雷達(dá)、測控、儀器儀表等應(yīng)用領(lǐng)域，常常要求提供一系列高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的頻率源，這就往往需要頻率合成技術(shù)。頻率合成是指以一個或少量的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率，由此導(dǎo)出多個或大量的輸出頻率，這些輸出頻率的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度與參考頻率是一致的。用來產(chǎn)生這些頻率的部件就成為頻率合成器或頻率綜合器。頻率合成器通過一個或多個標(biāo)準(zhǔn)頻率產(chǎn)生大量的輸出頻率，它是通過對標(biāo)準(zhǔn)頻率在頻域進(jìn)行加、減、乘、除來實現(xiàn)的，可以用混頻、倍頻和分頻等電路來實現(xiàn)。其主要技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、頻率間隔、準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率純度以及體積、重量、功能和成本。頻率合成器的合成方法有直接模擬合成法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻、分頻、混頻及濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需的頻率。該方法優(yōu)勢是有很快的頻率轉(zhuǎn)換時間，但是體積大、功耗大，成本高，目前已基本不被采用。鎖相頻率合成器通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運(yùn)算，其結(jié)構(gòu)是一種閉環(huán)系統(tǒng)。其主要優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡化、便于集成，且頻率純度高，目前廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)。直接式頻率合成器中所固有的那些缺點，在鎖相頻率合成器中大大減少。 頻率合成一個或少量的高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為參考頻率,頻率合成器就是用來產(chǎn)生這些頻率的部件.1．頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出的最低頻率fomin和最高頻率fomax之間范圍變化,也可用覆蓋系數(shù)k=fomax/fomin表示。假如覆蓋系數(shù)