一种S波段低相噪捷变频率合成方法
【摘要】阐述相位噪声在各种通信中的重要性，通过对频率合成方式的优缺点分析，选择能够实现一种S波段低相噪捷变频率合成的方法，根据设计指标要求，提出自己的实现方式以及在实际设计中的注意事项。
【关键词】直接频率合成；开关滤波器组
1.引言
在各种高性能、宽动态范围的频率变化中，相位噪声是一个主要的限制因素。在数字通信系统中，相位噪声影响IQ图，相位噪声高会产生错误的比特位，因而增加了误码率，系统中的状态越多，系统对相位噪声越敏感；在卫星通信中，载波信号的相位噪声还影响载波跟踪精度[1]。另外频率捷变速度，也是频率合成的一个考虑因素。本文根据理论分析和相关计算，设计了一种S波段低相噪捷变频率源，以满足项目设计需要。
2.频率合成方案选择
频率合成方法选择首先根据设备的调制方法和杂散要求，其次在满足同样需求的合成方法中又要根据难易程度和成本不同来选择。通信设备整机要想获得很低的误码率和提高频谱利用率，高稳定、低噪声的频率源是必不可少的。选择频率源方案时我们有两种方案可供选择：一是直接合成，二是间接合成即锁相方案。两种方案各有优缺点，直接合成具有变频时间短、相位噪声低的特点，但杂散较大，设备比较复杂。间接合成即锁相特别是数字锁相方案实现起来相对简单，杂散小，但相噪差于前者，变频时间长。对于有些移动通信设备系统，要求具有自动捷变频功能，频率变换时间在微秒级，数字锁相方案实现频率捷变显然不太适合，就需要采用直接频率合成方案。
3.直接式频率合成原理
直接合成频率源又可分为两种方式：一种是非相干合成法，另一种是相干合成法。非相干合成法和相干合成法最主要的不同是，合成过程中所用的基准频率源的数量不同[2]。非相干合成方法使用多个晶振参考频率源，所需的各种频率信号由这些参考源提供。相干合成方法只使用一个晶振参考频率源，所需的各种频率信号都由它经过分频、混频和倍频后得到。宽带倍频链是这种频率合成器的关键，它采用了多次放大和倍频，这种倍频链使输出信号的相位噪声以20lg n（n为倍频次数）的数量恶化，倍频将出现大量的寄生信号（晶振基波与各次谐波以及其组合频率），所以倍频后必须插入频率特性非常好的滤波器。
4.S波段低相噪捷变频率合成方法
根据项目频率相参要求，选择全相参直接合成频率源实现方案。全相参直接合成频率源是以一个高稳定的晶体振荡器作为参考频率源，所需的各种频率信号都是由参考源经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频率的稳定度与参考源相一致。根据以前工作中的相参直接合成频率源模块化研究成果，提出如下方案，其实现框图如图4-1所示。
设计指标要求：频率2090MHz～2029MHz，频率步进10MHz，共21个频率点；相位噪声谱密度优于-115dBc/1Hz（1kHz处），带内杂散小于-60dB。
4.1 晶体振荡器设计
设计指标要求相位噪声谱密度优于-115dBc/ 1Hz（1kHz处），则选择的80MHz温补晶振的相位噪声谱密度优于-145dBc/1Hz（1kHz处），通常考虑到系统设计留有10dBc/1Hz的余量，所以最终选择的80MHz温补晶振的相位噪声谱密度优于-155dBc/1Hz（1kHz处）。
4.2 倍频器设计
倍频器是利用谐波来工作的，根据其工作原理可以有两种类型；一种是非线性电抗（电容型的），如变容二极管和阶跃恢复二极管（SRD）。变容二极管作变频器时，倍频次数较低，效率也较低，变容管的典型倍频效率为1/n2（n为倍频次数）。后来发展的阶跃恢复二极管可制作高达20次的高次倍频器，且倍频效率较高，典型倍频效率为1/n[3]。这种类型的倍频器通常用于较高的工作频率。另一种是非线性电导型的，如肖特基势垒二极管、晶体三极管和FET等。
谐波发生器，需要产生2400MHz、2480MHz、2560MHz的高频信号，使用的是第一种倍频器，具体选用的是阶跃恢复二极管WY402B，调节两端的匹配网络，使2400MHz、2480MHz、2560MHz幅度起伏在较小的范围内。
4倍频器产生320MHz的信号只要使用单片放大器ERA-50SM放大后用滤波器取出即可。为了给32分频器和混频器提供足够的功率电平，还需要在功分器前或功分器后加放大器ERA-50SM。
4.3 分频器设计
设计中需要把320MHz的信号分频至以10MHz为起始频率步进为10MHz的一系列信号，可以选用分频器HMC394LP4。
4.4 混频器设计
混频器通常被用于将不同频率的信号相乘，以便实现频率的变换。混频器的两个重要组成部分是信号合成单元和信号检测单元。信号合成单元可以用90o（或180o）定向耦合器实现。信号检测单元的非线性元件通常采用一个二极管[4]。混频器的选用是根据输入和输出频率不同选用不同型号的混频器，只要保证足够大的有效输入和输出电平满足要求的最低电平为原则。P频标前的混频器选用LRMS-5MHJ，用P频标和S频标合成2090MHz～2290MHz的混频器选用HMC213MS8。
4.5 开关滤波器组设计
本设计中使用了两组开关滤波器组，一组解决3个S频标的选择问题，另一组解决8个P频标的选择问题。S频标3选1开关滤波器组，是在2400MHz、2480MHz、2560MHz的三个信号中选一个，其实还要滤除前面谐波发生器产生的80MHz其他次谐波，选用腔体滤波器，能做到高抑制度和低插入损耗；又要实现频率捷变功能，就要选用高频率的微波开关，如果选择机械式的继电器做选通开关就满足不了频率捷变速度的要求。P频标8选1开关滤波器组，选出的频率相隔10MHz，过度带宽相对窄，就要选用声表滤波器，选通开关也需要使用微波开关以满足切换速度。
4.6 频控电路设计
本设计中频控电路的作用是每次分别选择P频标和S频标中的一个，混频合成频率2090MHz～2029MHz的一个。设计时基于FPGA芯片来控制，这类可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性。Ahera是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Ahera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等，因此Altera的产品获得了广泛的应用[5]。本设计中选用的FPGA芯片是EPM7128STI100-10，使用5个按键开关作为控制开关，对应FPGA的五个控制位20、21、22、23、24。
5.设计结果
根据设计方案，经过具体实施和认真调试，达到了相噪设计指标要求，其中一个频点的相噪指标曲线如图5-1所示。
6.结论
直接频率合成方法可以实现S波段低相噪捷变频率设计需要，在设计中频率捷变速度得益于微波开关的选型和使用。采用直接合成频率源另一个关键指标是输出谱的杂散，通常认为直接合成杂散较大，也是工程实现的难点。对于本方案P频标的开关滤波器组是关键，其对中心频率左右10MHz杂散的抑制度取决于SAW滤波器，根据现在SAW器件的工艺、材料水平能做到60dB以上，最后合成的频率杂散小于-60dB。除此之外实现方案的选择，工程经验对系统实现高的杂散抑制也至关重要。
本文的频率合成方案是高端移动通信设备的本振合成的实际应用典范，可以推广到其他波段的频率合成。
参考文献
[1]白居宪.低噪声频率合成[M].西安交通大学出版社.
[2]Vadim Manassewitsch著.何松柏，宋亚梅，鲍景富，等.频率合成原理与设计[M].电子工业出版社.
[3]中国集成电路大全》编委会编.微波集成电路[M].国防工业出版社.
[4][美]Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko著.王子宇，张肇仪，徐承和等.射频电路设计——理论与应用[M].电子工业出版社.
项目名称：机动多功能航管雷达系统（项目编号：2011BAH24B11）。