基于DDS+PLL高性能頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：結(jié)合DDS+PLL技術(shù)，采用DDS芯片AD9851和集成鎖相芯片ADF4113完成了GSM 1 800 MHz系統(tǒng)中高性能頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹系統(tǒng)中核心芯片的性能、結(jié)構(gòu)及使用方法，并運(yùn)用ADS和ADISimPLL軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真和優(yōu)化，特別是濾波器的選擇與設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，該頻率合成器具有高穩(wěn)定度、高分辨率、低相位噪聲的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
　頻率合成器是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，隨著通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星定位、航空航天、雷達(dá)和電子對(duì)抗等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率合成器提出了越來越高的要求。頻率合成理論自20世紀(jì)30年代提出以來，已取得了迅速的發(fā)展，逐漸形成了直接頻率合成技術(shù)、鎖相頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)三種基本頻率合成方法。直接頻率合成技術(shù)原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，但是頻率范圍受限，且輸出頻譜質(zhì)量差。鎖相頻率合成技術(shù)(PLL)具有輸出頻帶寬、工作頻率高、頻譜質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，但是頻率分辨率和頻率轉(zhuǎn)換速度卻很低。直接式數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)的頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快、頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低，但目前尚不能做到寬帶，頻譜純度也不如PLL。低相位噪聲、高純頻譜、高速捷變和高輸出頻段的頻率合成器已成為頻率合成發(fā)展的主要趨勢(shì)，傳統(tǒng)的單一合成方式很難兼顧上述各項(xiàng)性能指標(biāo)，達(dá)到現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)頻率合成器的要求。本文采用DDS和PLL相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于(GSM 1 800 MHz系統(tǒng)中的頻率合成器，其中輸出頻帶為1 805～1 880 MHz，分辨率為200 kHz，相位噪聲為-80 dBc／Hz＠1 kHz，頻率誤差為5 kHz，雜波抑制大于50 dB。

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　1．1 設(shè)計(jì)原理

　　DDS直接激勵(lì)PLL的頻率合成技術(shù)，與單純的PLL技術(shù)相比，作為參考源的DDS具有很高的頻率分辨率，可以在不改變PLL分頻比的情況下，提高PLL的頻率分辨率，而且采用DDS激勵(lì)PLL設(shè)計(jì)方法的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用硬件少，通過合理設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器可以較好地改善因PLL倍頻作用而惡化的相位噪聲。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　圖1中，fref是參考信號(hào)，一般由高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，用于保證DDS各個(gè)部件的同步工作。fDDS取代原有的晶振作為鎖相環(huán)(PLL)的激勵(lì)源，其輸出fDDS頻率取決于頻率控制字K。頻率合成器的輸出由VCO提供，PLL芯片中電荷泵的輸出由低通濾波器(LPF2)產(chǎn)生，用于控制VCO的輸出頻率。DDS中K和PLL的分頻比可以通過單片機(jī)中的控制程序加以改變，從而實(shí)現(xiàn)頻率合成。

　　VCO輸出信號(hào)頻率與DDS輸出信號(hào)頻率之間的關(guān)系為：

　　式中：fref為DDS的時(shí)鐘頻率；K為DDS的頻率控制字；M為DDS相位累加器字長(zhǎng)；fref／2M為DDS的頻率分辨率；△fmin為頻率合成器輸出信號(hào)的頻率分辨率。由此可見，以DDS為激勵(lì)源，只要相位累加器的字長(zhǎng)取得足夠大，頻率合成器就能得到較高的頻率分辨率。