P波段小步进频率合成器的研制

摘要：文中介绍了一种用于雷达信号模拟器的P波段小步进频率合成器的研制，该频率源主要功能是模拟产生宽频带、多体制、高密度和动态可控的雷达信号环境。
关键词：频率源；调相：开环

   为了适应现代电子战的要求，就需要产生一个与现代战场实际环境相类似的宽频带、多体制、高密度和动态可控的雷达信号环境，从而模拟现代战中的复杂电磁环境。该雷达信号环境模拟器频率合成器可以提供一个复杂、真实的雷达信号。并与其他电子系统配合可以形成综合电磁威胁环境。

1 P波段小步进频率合成器的设计
1．1 主要功能及技术指标
    (1)主要功能
    ◇具有正常工作模式和直接VCO模式。
    模拟器设有功能切换，能够使模拟器从正常的闭环状态切换到直接VCO状态下，使模拟器处于开环工作条件下的工作模式，在此工作模式下，模拟器能够使频率捷变时间大大缩短，小于2μs，并保持频率分辨率为0．5MHz。
    ◇具有频率捷变功能，频率转换时间非常短，在10μs左右。
    通过外加频率控制字，能够使信号在两频率点来回跳变，频率转换时间在闭环状态下为10μs左右，在开环状态下，时间小于2μs。
    ◇能实现正弦波和三角波调频，调频范围从100Hz到1MHz。
    在闭环工作状态下，正弦波时，调制信号的频率范围为0．1～1MHz，调频带宽大于100MHz；三角波调频时，调制信号的频率范围为200～500Hz，调频带宽大干100MHz。
    ◇能实现BPSK、QPSK数字相位调制。
    在闭环工作状态下模拟器具有BPSK、QPSK数字相位调制功能，调制信号的码速范围为100Hz～10MHz，调相精度达到±1°。
    ◇频率分辨率为0．5MHz。
    ◇设有工作状态和故障显示。
    在外接的信号控制接口提供有一输出信号指示，在正常工作状态下为低电平，当处于开环状态或失锁状态时，信号变为高电平，用于提供工作状态和故障指示。
    (2)主要技术指标
    本系统的主要技术指标如下：
    ◇频率范围：0．5～1GHz
    ◇频率转换时间：
    正常工作模式下：≤10μs
    直接VCO模式下：≤2μs
    通过对VCO预置电压使锁相电压更快的进入锁相环的快捕带，从而缩短跳频时间。
    ◇置频步长(或频率分辨率)：
    正常工作模式下：≤0．5MHz
    直接VCO模式下：≤1％的波段中心频率
    ◇频率稳定度：
    正常工作模式下，优于1×10-7／日直接VCO模式下，优于1×10-5／日
    ◇相为噪声：≤-80dBc／Hz@10kHz
    ◇谐波电平抑制：优于-30dBc
    ◇输出功率≥10dBm
    ◇调频功能，具备三角波、正弦波调频，
    正弦波调频：调制频率范同：0．1～1MHz
    调频带宽>100MHz
    三角波调频：调制频率范围：200～500Hz调频带宽>100MHz
1．2 工程方案设计
    由于雷达信号环境模拟器频率综合器的技术指标要求很高，为达到低相噪、低杂散、高的频率分辨率、短的频率转换时间的目标，在方案设计中采用由PE3336组成粗步进的主锁相环结合小步进的DDS的全数字化频率合成方案，实现了频率的捷变。中、大规模集成电路的应用使设备量大大减少，同时可靠性却大大提高，体积也非常灵巧。为实现调频功能，PE3336的主锁相环的环路带宽设计成可控的两种环路带宽；为提高频率转换时间，还采取了对VCO先进行预制的措施，使VCO振荡在所需信号的频率附近，对VCO的预制采用数字的方式，并在VCO的控制电压输入前设置了开关以使环路能工作在开环状态，使整个频率综合器工作在直接VCO模式下；整个系统采用一个外部100MHz的参考时钟，系统中所需的其它时钟都由它来产生，外部的参考时钟采用具有恒温装置的高精度晶体振荡器，保证了整个系统的置频精度和频率稳定度。
    在本频率综合器中我们采用最新技术的频率合成方法。其中DDS的时钟频率由以前的50MHz提高到现在的1GHz，跳频时间小到几毫秒量级，频率分辨率小于0．1Hz。
    在倍频电路、分频电路、混频电路、放大电路及滤波电路中采用先进成熟的设计方法及思路，并辅助于最新的电路设计软件一使产品达到低杂散、低相噪、低功耗、高稳定。
    系统原理图如图1所示。

2 功能模块设计
2．1 DDS模块设计
    在系统中，为实现0．5MHz的频率分辨率，采用了DDS技术，PE3336的主环的工作频率步进为10MHz，DDS部分的频率步进为0．5MHz，二者结合，实现了宽的频段覆盖和高的频率分辨率。在系统中采用DDS产生180～190MHz的信号，频率步进为0．5MHz。DDS的基本原理是通过信号的相位函数来产生信号，本身一个正弦信号可以表示成
    S(t)=cos(2πft+θ0) (1)
    其相位函数：
    θ(t)=2πft+θ0
    显然θ(t)是关于时间t的线性函数，并可得到频率表达式：
    
    △θ为相位增量，TC为固定时间间隔，则以固定时间间隔TC相位增量△θ产生的正弦信号为
    
    改变相位增量，通过相位的累加，就可以产生出所需频率的信号，具体的方案是将相位量化并存储起来。如采用N位字长的寄存器来存储，即是[0，2π]的相位TC间进行N位字长的线性量化，也即在数字i和正弦相位θ(i)之间建立如下的一一映射关系：

    如在系统中采用1000MHz的时钟，需产生的最小正弦信号的频率为0．5MHz，因此，需11位字长的量化就够了。完成了相位量化，再建立起数字相位到数字正弦幅度的映射，然后将数字幅度变成模拟波彤，就能直接输出正弦信号了。
2．2 锁相模块设计
    这部分是整个频率综合器的核心，它以10MHz为频率步进产生我们所需的射频信号，并在环路内实现了调频，频率捷变直接VCO等功能。
    QPE3336集成了VCO分频，参考分频和鉴相等功能，它的VCO输入信号频率的典型值可达3GHz，它具有高的鉴相增益，Kφ=0．403V／Rad，低的相噪基底，可达-150dBc／Hz@20kHz，宽的动态范围等特点。它的控制接口采用16位并行总线，均为TTL／CMOS电平，并设有失锁指示，44脚PLCC封装，体积小，是理想的数字锁相环芯片。
    PE3336的控制接口包括了4位参考分频值输入R0～R3，12位VCO分频值输入，其中M0～M3，为分频值个位输入，A0～A6，为分频值十位输入，PREEN是控制VCO的分频值是否超过128。
    PE3336用于PLL频率综合器的系统框图如图2所示。

    用PE3336芯片组成的频率合成器还应包括低通滤波器、压控振荡器等。如图(2)所示，简单介绍如下：
    (1)低通滤波器
    低通滤波器采用有源滤波器，为防止鉴相泄漏，加上了预滤波器，如图3所示。

    根据PLL理论可知，R1、R2、C、Cc与环路带宽ωn，环路阻尼因子号，VCO的压控灵敏度KVCO，鉴相增益Kφ，及分频比N的关系有：
    
    环路带宽ωn的选取要综合考虑环路的相位噪声，频率转换时间和运算放大器的工作带宽。在此，我们ωn=300kHz，阻尼因子号取在1～2之间，取定这些参数则有源滤波器的元件参数就可以确定了。
    (2)调频工作原理
    在PE3336主锁相环内进行调频的工作原理如图4所示。频率调制是由调制信号电压UΩ加在压控振荡器的控制端，利用载波跟踪环而实现的。

    由锁相环理论可以知道，为实现线性调频必须使环路等效低通滤波器带宽小于最低调制频率Ωmin，在本系统中调制信号最低频率为200Hz，因此需将原300KHz的环路带宽降到100Hz以下。故采用了一个选择开关，当不调频时环路带宽为300kHz，当选择调频时环路带宽变为100Hz。

3 实验结果
    通过对频率源的测试得出如下结论：
    频率范围：0．5～1GHz
    频率转换时间：
        正常工作模式下：6～10μs
        直接VCO模式下：≤2μs
     置频步长(或频率分辨率)：
     正常工作模式下：在频率范围内大步进为10MHz～500MHz，
    小步进为0．5MHz。
    直接VCO模式下：≤1％的波段中心频率
    频率稳定度：
        正常工作模式下，优于1×10-7／日
        直接VCO模式下，优于1×10-5／日
     相位噪声： -85dBc／Hz@10KHz～-80dBc／Hz@10kHz
     谐波电平抑制：优于-25dBc～30dBc输出功率：10～11dBm
     调频功能：具备三角波、正弦波调频，
     正弦波调频：调制频率范围：0．1～1MHz调频带宽>100MHz
     三角波调频：调制频率范围：200～500Hz调频带宽>100MHz
    通过具体测量得出试验数据能满足设计要求有些指标优于设计参数。

4 结束语
    现代雷达频率综合器是一门复杂的电子电路技术。技术难度大，因此对设计人员的设计思路、设计基础有较高的要求。国内雷达整机单位均在研制雷达频率综合器。但大多数是采用直接式频率和成方案。而间接式频率综合器也有其自身的优势，从体积、成本等方面还有潜力可挖。因受到器件及设计思路的和结构方面的原因，国内的频率综合器与国外的相比还有一定差距。为此我们还要进行，更细致、深入的研究，力争赶超国际先进水平。