P波段小步進頻率合成器的研制

為了適應現(xiàn)代電子戰(zhàn)的要求，就需要產(chǎn)生一個與現(xiàn)代戰(zhàn)場實際環(huán)境相類似的寬頻帶、多體制、高密度和動態(tài)可控的雷達信號環(huán)境，從而模擬現(xiàn)代戰(zhàn)中的復雜電磁環(huán)境。該雷達信號環(huán)境模擬器頻率合成器可以提供一個復雜、真實的雷達信號。并與其他電子系統(tǒng)配合可以形成綜合電磁威脅環(huán)境。

1 P波段小步進頻率合成器的設計
1．1 主要功能及技術(shù)指標
(1)主要功能
◇具有正常工作模式和直接VCO模式。
模擬器設有功能切換，能夠使模擬器從正常的閉環(huán)狀態(tài)切換到直接VCO狀態(tài)下，使模擬器處于開環(huán)工作條件下的工作模式，在此工作模式下，模擬器能夠使頻率捷變時間大大縮短，小于2μs，并保持頻率分辨率為0．5MHz。
◇具有頻率捷變功能，頻率轉(zhuǎn)換時間非常短，在10μs左右。
通過外加頻率控制字，能夠使信號在兩頻率點來回跳變，頻率轉(zhuǎn)換時間在閉環(huán)狀態(tài)下為10μs左右，在開環(huán)狀態(tài)下，時間小于2μs。
◇能實現(xiàn)正弦波和三角波調(diào)頻，調(diào)頻范圍從100Hz到1MHz。
在閉環(huán)工作狀態(tài)下，正弦波時，調(diào)制信號的頻率范圍為0．1～1MHz，調(diào)頻帶寬大于100MHz；三角波調(diào)頻時，調(diào)制信號的頻率范圍為200～500Hz，調(diào)頻帶寬大干100MHz。
◇能實現(xiàn)BPSK、QPSK數(shù)字相位調(diào)制。
在閉環(huán)工作狀態(tài)下模擬器具有BPSK、QPSK數(shù)字相位調(diào)制功能，調(diào)制信號的碼速范圍為100Hz～10MHz，調(diào)相精度達到±1°。
◇頻率分辨率為0．5MHz。
◇設有工作狀態(tài)和故障顯示。
在外接的信號控制接口提供有一輸出信號指示，在正常工作狀態(tài)下為低電平，當處于開環(huán)狀態(tài)或失鎖狀態(tài)時，信號變?yōu)楦唠娖剑糜谔峁┕ぷ鳡顟B(tài)和故障指示。
(2)主要技術(shù)指標
本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如下：
◇頻率范圍：0．5～1GHz
◇頻率轉(zhuǎn)換時間：
正常工作模式下：≤10μs
直接VCO模式下：≤2μs
通過對VCO預置電壓使鎖相電壓更快的進入鎖相環(huán)的快捕帶，從而縮短跳頻時間。
◇置頻步長(或頻率分辨率)：
正常工作模式下：≤0．5MHz
直接VCO模式下：≤1％的波段中心頻率
◇頻率穩(wěn)定度：
正常工作模式下，優(yōu)于1×10-7／日直接VCO模式下，優(yōu)于1×10-5／日
◇相為噪聲：≤-80dBc／Hz@10kHz
◇諧波電平抑制：優(yōu)于-30dBc
◇輸出功率≥10dBm
◇調(diào)頻功能，具備三角波、正弦波調(diào)頻，
正弦波調(diào)頻：調(diào)制頻率范同：0．1～1MHz
調(diào)頻帶寬>100MHz
三角波調(diào)頻：調(diào)制頻率范圍：200～500Hz調(diào)頻帶寬>100MHz
1．2 工程方案設計
由于雷達信號環(huán)境模擬器頻率綜合器的技術(shù)指標要求很高，為達到低相噪、低雜散、高的頻率分辨率、短的頻率轉(zhuǎn)換時間的目標，在方案設計中采用由PE3336組成粗步進的主鎖相環(huán)結(jié)合小步進的DDS的全數(shù)字化頻率合成方案，實現(xiàn)了頻率的捷變。中、大規(guī)模集成電路的應用使設備量大大減少，同時可靠性卻大大提高，體積也非常靈巧。為實現(xiàn)調(diào)頻功能，PE3336的主鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬設計成可控的兩種環(huán)路帶寬；為提高頻率轉(zhuǎn)換時間，還采取了對VCO先進行預制的措施，使VCO振蕩在所需信號的頻率附近，對VCO的預制采用數(shù)字的方式，并在VCO的控制電壓輸入前設置了開關(guān)以使環(huán)路能工作在開環(huán)狀態(tài)，使整個頻率綜合器工作在直接VCO模式下；整個系統(tǒng)采用一個外部100MHz的參考時鐘，系統(tǒng)中所需的其它時鐘都由它來產(chǎn)生，外部的參考時鐘采用具有恒溫裝置的高精度晶體振蕩器，保證了整個系統(tǒng)的置頻精度和頻率穩(wěn)定度。
在本頻率綜合器中我們采用最新技術(shù)的頻率合成方法。其中DDS的時鐘頻率由以前的50MHz提高到現(xiàn)在的1GHz，跳頻時間小到幾毫秒量級，頻率分辨率小于0．1Hz。
在倍頻電路、分頻電路、混頻電路、放大電路及濾波電路中采用先進成熟的設計方法及思路，并輔助于最新的電路設計軟件一使產(chǎn)品達到低雜散、低相噪、低功耗、高穩(wěn)定。
系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 功能模塊設計
2．1 DDS模塊設計
在系統(tǒng)中，為實現(xiàn)0．5MHz的頻率分辨率，采用了DDS技術(shù)，PE3336的主環(huán)的工作頻率步進為10MHz，DDS部分的頻率步進為0．5MHz，二者結(jié)合，實現(xiàn)了寬的頻段覆蓋和高的頻率分辨率。在系統(tǒng)中采用DDS產(chǎn)生180～190MHz的信號，頻率步進為0．5MHz。DDS的基本原理是通過信號的相位函數(shù)來產(chǎn)生信號，本身一個正弦信號可以表示成
S(t)=cos(2πft+θ0) (1)
其相位函數(shù)：
θ(t)=2πft+θ0
顯然θ(t)是關(guān)于時間t的線性函數(shù)，并可得到頻率表達式：

△θ為相位增量，TC為固定時間間隔，則以固定時間間隔TC相位增量△θ產(chǎn)生的正弦信號為

改變相位增量，通過相位的累加，就可以產(chǎn)生出所需頻率的信號，具體的方案是將相位量化并存儲起來。如采用N位字長的寄存器來存儲，即是[0，2π]的相位TC間進行N位字長的線性量化，也即在數(shù)字i和正弦相位θ(i)之間建立如下的一一映射關(guān)系：

如在系統(tǒng)中采用1000MHz的時鐘，需產(chǎn)生的最小正弦信號的頻率為0．5MHz，因此，需11位字長的量化就夠了。完成了相位量化，再建立起數(shù)字相位到數(shù)字正弦幅度的映射，然后將數(shù)字幅度變成模擬波彤，就能直接輸出正弦信號了。