基于跳頻收發(fā)系統(tǒng)中的跳頻頻率合成器設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　跳頻技術(shù)作為軍事通信的主要抗干擾手段，近幾十年來(lái)，在軍事通信裝備中得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了高數(shù)據(jù)率抗干擾的短波跳頻系統(tǒng)，其跳頻速度達(dá)到幾千跳／秒，具有很強(qiáng)的抗多徑、抗衰落能力。在不用自適應(yīng)均衡的情況下，可提供上千比特／秒的數(shù)據(jù)傳輸能力，所以高速短波跳頻技術(shù)是軍用短波跳頻系統(tǒng)發(fā)展的方向。

　　在短波高速跳頻系統(tǒng)中，跳頻頻率合成器的研究是關(guān)鍵技術(shù)之一。從頻率合成技術(shù)的發(fā)展過(guò)程看，頻率合成的方法主要有三種：直接頻率合成(DFS)、鎖相環(huán)式頻率合成(PLL)、直接數(shù)字頻率合成(DDS)。這三種基本的頻率合成方法各有特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，采用單獨(dú)一種方法往往難以滿足頻率合成器的所有技術(shù)指標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)頻率合成器時(shí)，可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，組合使用這些基本方法，以達(dá)到最佳的效果。這里的跳頻頻率合成器設(shè)計(jì)采用了DDS和PLL相結(jié)合的方法。

　　1 跳頻頻率合成器硬件設(shè)計(jì)

　　1．1 方案選擇

　　DDS和PLL相結(jié)合構(gòu)成的跳頻頻率合成器有幾種方式：DDS激勵(lì)PLL方案、PLL內(nèi)插DDS組合方案和頻率轉(zhuǎn)換快捷的組合方案等。本設(shè)計(jì)采用的是第一種方案，如圖1所示。PLL設(shè)計(jì)成N倍頻環(huán)，DDS輸出直接作為PLL的參考信號(hào)。

　　該方案主要性能如下：

　　(1)輸出頻率：f0=NfDDS；

　　(2)輸出頻率分辨率：fr=NfDDSr(FDDSr為DDS的頻率分辨率)；

　　(3)輸出頻率fo的建立時(shí)間：T=TDDS+TPLL。式中：TDDS是改變DDS輸出頻率fDDSr所需的時(shí)間；TPLL是fDDS改變后，鎖相環(huán)重新鎖定所需的時(shí)間。為了使鎖相環(huán)能很快地鎖定，在鎖相環(huán)的快捕帶寬范圍內(nèi)變化fDDS，這樣TPLL就是快捕時(shí)間。通常快捕時(shí)間很短，即使變化范圍超出鎖相環(huán)的快捕帶寬范圍，由于這是在上一次鎖定的基礎(chǔ)上重新進(jìn)行的鎖定過(guò)程，所以，鎖定時(shí)間也會(huì)很短。這樣，輸出頻率fo總的建立時(shí)間T就小，可以滿足快速跳頻的需要。

　　1．2 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

　　圖2為超短波跳頻收發(fā)系統(tǒng)中跳頻頻率合成器設(shè)計(jì)原理圖。系統(tǒng)對(duì)跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)要求：工作頻率為410～468 MHz，頻率間隔25 kHz，可實(shí)現(xiàn)全頻段跳頻和分頻段跳頻，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100μs。

　　設(shè)計(jì)中，DDS的核心器件采用美國(guó)AD公司的AD9850；鑒相器采用美國(guó)國(guó)半(National Semiconduc-tor)的集成鎖相電路LMX2306；VCO選用的是AM-PLIFONIX公司的集成模塊TOM9307，它的輸出信號(hào)頻率為300～600 MHz；控制靈敏度為20 MHz／V。

　　AD9850是采用并行傳輸方式從計(jì)算機(jī)接收頻率和相位控制字的，這是因?yàn)榭紤]到并行方式傳輸?shù)乃俣缺却蟹绞娇臁？偣?0位控制字，通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線送到AD9850的輸入寄存器中，需重復(fù)5次。在FQUD信號(hào)上升沿調(diào)入40位控制字，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器。接著在W_CLK信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，把最高的8位數(shù)據(jù)裝入第一個(gè)寄存器，并把地址指針指向下一個(gè)寄存器。這樣，連續(xù)5個(gè)W_CLK上升沿后，就把40位控制字都裝入了寄存器，W_CLK信號(hào)不再起作用，直到收到復(fù)位信號(hào)或FQ_UD信號(hào)的上升沿時(shí)，才重新開(kāi)始新一輪的數(shù)據(jù)裝入。鑒相器LMX2306本身就帶有一個(gè)前置雙模分頻器(8／9分頻)和兩個(gè)可編程分頻器N，R，采用串行輸入的方式。在初始化時(shí)只要給N寄存器、R寄存器和F功能寄存器輸入正確的數(shù)據(jù)，就可以正常工作了。LMX2306的外部環(huán)路濾波器在鎖相環(huán)路中起非常重要的作用，環(huán)路濾波器形式和參數(shù)的選取是鎖相環(huán)設(shè)計(jì)與調(diào)試的關(guān)鍵，在很大程度上決了定環(huán)路的噪聲、捕獲和跟蹤性能等。該環(huán)路濾波器選用二階無(wú)源比例積分濾波器，其二階低通濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　利用美國(guó)國(guó)半公司提供的PLL環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)軟件Loopfilt可方便地計(jì)算出濾波器的參數(shù)，如圖4所示。

　　在實(shí)際電路中，環(huán)路濾波器的參數(shù)選定為：

　　2 跳頻頻率合成器的性能估算

　　在分析跳頻頻率合成器的性能時(shí)，尤其對(duì)于快速跳頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，頻率分辨率和換頻性能是其中兩個(gè)很重要的指標(biāo)。

　　在該方案中，跳頻頻率合成器是由DDS激勵(lì)PLL組成的。因DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘為96 MHz，則AD9850的輸出頻率fDDS=96 MHz／232△0.022 35 Hz。鎖相環(huán)PLL的輸出頻率為：

　　式中：Ntotal為環(huán)路總的分頻比。設(shè)計(jì)中要使最后的輸出頻率fo在410～468 MHz內(nèi)跳變，頻道間隔為25 kHz。由相關(guān)參考文獻(xiàn)中的公式可算得：R=400 Ω，Ntotal=1*00，即B=2 050，A=0，則編程使fDDS在10～11．414 346 MHz內(nèi)變化，那么fo將在410～468 MHz內(nèi)跳變，其頻率分辨率(單位Hz)為：

　　該跳頻頻率合成器總的跳頻轉(zhuǎn)換時(shí)間也應(yīng)該是這兩部分跳頻轉(zhuǎn)換時(shí)間之和。DDS的換頻時(shí)間很短，對(duì)AD9850來(lái)說(shuō)，是ns級(jí)的，幾乎可以忽略不計(jì)。所以整個(gè)跳頻頻率合成器的跳頻轉(zhuǎn)換時(shí)間主要由PLL的跳頻轉(zhuǎn)換時(shí)間決定。

　　在工程上，PLL的跳頻轉(zhuǎn)換時(shí)間可以用PLL環(huán)路的最大快捕時(shí)間TLmax做估算：

　　設(shè)計(jì)中，ωn=15 000×2π；工程上ξ=0.707，則TLmax△75μs。所以，頻率建立時(shí)間TPLL=75μs，跳頻周期可為750μs，跳頻速率最高可達(dá)1 333跳／s，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的1 000跳／s的要求。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　跳頻頻率合成器是跳頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中把DDS和PLL的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了高速跳頻，摒棄了用直接數(shù)字頻率合成DDS輸出頻率不能太高或用鎖相環(huán)PLL合成頻率鎖定時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。