CN101895292A - 基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，①采用直接数字式频率合成方法产生M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的中频频标信号：F1、F1+ΔF、F1+2ΔF、…、F1+(M-1)ΔF；②通过频率搬移的方法将①中产生的M个中频频标信号的频率搬移到微波频段，产生M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的微波本振信号：F2、F2+ΔF、F2+2ΔF、…、F2+(M-1)ΔF；③采用直接模拟式频率合成方法产生N个频率间隔为MΔF、带宽为(N-1)MΔF的射频频标信号：F3、F3+MΔF、F3+2MΔF、…、F3+(N-1)MΔF；④将②产生的M个微波本振信号和③产生的N个射频频标信号进行混频，得到M×N个频率间隔为ΔF、带宽为(MN-1)ΔF的频率合成信号，输出频率合成信号：F2+F3、F2+F3+ΔF、F2+F3+2ΔF、…、F2+F3+(MN-1)ΔF。本发明以低成本实现极快频率转换、极低的相位噪声、极低的杂散电平。
Description
技术领域
本发明属于雷达频率合成技术领域，具体为基于直接数字式频率合成与直接模拟式相结合的模块化频率合成方法。应用在雷达频率合成器的设计中，实现大幅提高频率合成器的性能，并对于各个频段的雷达频率合成器通用，从而使硬件实现电路具有良好的通用性和可扩展性，
背景技术
频率合成器是现代电子系统的心脏，也是雷达系统的关键部件，其好坏直接影响雷达系统的性能指标。
频率合成是由一个或几个参考频率源产生一个或多个频率的系统元件的组合。频率合成技术已有近80年的历史，早期的频率合成器主要采用非相干频率合成方法，非相干频率合成利用多个晶体振荡器产生一系列频点，但是随着技术的进步，非相干频率合成技术已经不能满足雷达系统对于频率精度和稳定度的需求，这些新的雷达系统要求的精度和稳定度比非相干频率合成方法所能达到的指标要高几个数量级。为了达到需求，出现了一些列新方法—相干频率合成方法，这些方法使用同一个参考源，产生一些列满足精度和稳定度需求的频点。目前，几乎所有的雷达频率合成器都采用的是相干频率合方法。
目前的频率合成器主要分为间接式频率合成器和直接式频率合成器两大类。
间接式频率合成器也称锁相频率合成器，它利用反馈的原理产生频率步进，它主要包括模拟锁相频率合成器和数字锁相频率合成器。目前很多雷达频率合成器都采用间接式频率合成方法，这种方法主要的缺陷就是频率转换时间、频率分辨率和相位噪声等指标较差。采用间接式频率合成方法实现的频率合成器其频率转换时间一般在几十到几百微秒之间，难以满足目前大多数捷变频雷达对于频率转换时间的要求(一般小于1μS)。并且采用间接式频率合成方法也很难实现小步进频率合成器，其频率分辨率一般只能做到105赫兹量级。另外，采用间接式频率合成方法实现的频率合成器其相位噪声性能较差，难以满足目前高性能雷达系统对于相位噪声指标的要求。
直接式频率合成器以一个高稳定的晶体振荡器作为参考频率源，通过对参考频率源进行分频、混频和倍频得到所需的各种频率信号。当前也有很多雷达频率合成器采用直接模拟式频率合成方法。这种方法虽然弥补了间接式频率合成方法频率转换时间和相位噪声等指标较差的缺陷，但是这种方法也有其自身的缺陷。虽然采用这种方法理论上可以实现较高的频率分辨率、可以实现小步进频率合成器，但是在小步进频率合成情况下系统的杂散电平指标极差，并且系统复杂、设备量大，会导致系统的成本急剧上升，而且会导致系统的体积相对比较庞大，这是不可取的，也不利于现代雷达频率合成器的小型化和模块化应用。
随着大规模集成电路和微电子技术的发展，出现了一种新的频率合成方法—直接数字频率合成方法。直接数字频率合成(简称DDS)是根据正弦函数的产生，从相位出发，由不同的相位给出不同的电压幅度，即相位-正弦幅度变换，最后滤波，平滑输出所需要的频率。它完全不同于目前所熟悉的间接式和直接式频率合成，因为它是数字处理的。直接数字频率合成的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能够在数字处理器的控制下精确而快速地变换，而且它还具有极微小的频率调谐和相位分辨率能力。但是目前这种频率合成技术还有许多问题尚未很好地解决，其中最突出，也是最重要的问题就是相位噪声和杂散。由于相位截断和数模转换器位数的限制导致了直接数字频率合成器频谱纯度较差、输出杂散电平较大。另外，受目前数字集成电路材料和工艺水平的限制，直接数字频率合成器的工作频段比较低、输出带宽也比较窄。目前，工艺成熟、性能可靠、在工程上能够实用的直接数字频率合成器的最高输出频率也只能达到L波段。所以，单纯的直接数字频率合成器无法实现更高频率的微波频率合成器，并且其输出信号带宽也相对较小、难以实现宽带频率合成，另外其输出信号杂散指标也很难做的很好。所以，尽管直接数字频率合成方法解决了频率转换时间和频率分辨率的问题，但是它依然有许多目前技术水平条件下无法解决的问题，使得单纯的直接数字频率合成技术的应用领域和范围还具有很大的局限性。
发明内容
本发明要解决的问题是针对上述几种频率合成方法存在的频率转换时间、频率分辨率、相位噪声、杂散电平、带宽、体积和成本等指标之间相互影响和制约的缺陷，提供一种新的频率合成方法，使上述各项指标能够兼顾并得到进一步的优化，从而大幅提高整个频率合成器的性能。
本发明的技术解决方案是将直接数字式频率合成与直接模拟式相结合进行频率合成，从而扬弃各自的缺陷，优化了频率合成的指标。
本发明的技术方案内容如下：
①采用直接数字式频率合成方法产生M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的中频频标信号，所产生的中频频标信号为F1、F1+ΔF、F1+2ΔF、…、F1+(M-1)ΔF；
②通过频率搬移的方式将①中产生的M个中频频标信号的频率搬移到微波频段，产生M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的微波本振信号，混频产生的微波本振信号为F2、F2+ΔF、F2+2ΔF、…、F2+(M-1)ΔF；
③采用直接模拟式频率合成方法产生N个频率间隔为MΔF、带宽为(N-1)MΔF的射频频标信号，所产生的射频频标信号为F3、F3+MΔF、F3+2MΔF、…、F3+(N-1)MΔF；
④将②中产生的M个微波本振信号和③中产生的N个射频频标信号进行混频得到M×N个频率间隔为ΔF、带宽为(MN-1)ΔF的频率合成信号，M×N个频率合成信号是F2+F3、F2+F3+ΔF、F2+F3+2ΔF、…、F2+F3+(MN-1)ΔF，这就是采用本方案的频率合成方法产生的频率合成器输出信号频率。
对于①中通过采用数字频率合成方式产生的M个中频频标信号，为了保证其频谱纯度，需要通过开关滤波组件对中频频标信号的杂散电平加以滤除。由于数字频率合成技术的特点是窄带杂散性能非常好而宽带杂散性能较差，所以在大步进频率合成时ΔF较大，带宽(M-1)ΔF也较宽，此时对M个中频频标信号应采用M选1开关滤波组件进行杂散抑制，即对产生的每一个频标信号都要单独进行滤波。而在小步进频率合成时ΔF比较小，带宽(M-1)ΔF相对也比较窄，此时产生的频标信号杂散性能好，没有必要对产生的每一个频标信号都单独进行滤波，此时可以根据数字频率合成器的输出杂散特性将M个频标信号分成少量的几组，对每组内的多个频标信号只采用一个公共滤波通道就可以了，这样就可以有效的减少开关滤波组件的路数，从而降低系统的体积和成本。另外，为了保证M个中频频标信号的频率搬移到微波频段后产生的微波本振信号频带内无低阶交互调杂散分量存在，必须保证中频频标信号的带宽(M-1)ΔF小于其最低频率F1。
对于②中产生的M个微波本振信号，为了保证其频谱纯度，需要通过滤波器对微波本振信号的杂散电平加以滤除，而且为了后级处理的需要，还要对微波本振信号进行功率放大和调整，另外为了降低前后级之间的耦合和相互影响，还需要通过隔离器来增加前后级之间的隔离度。
对于③中产生的N个射频频标信号，为了保证其频谱纯度，需要通过N选1开关滤波组件对射频频标信号的杂散电平加以滤除，而且为了保证N个射频频标信号与M个微波本振信号进行混频后产生的频率合成信号频带内无低阶交互调杂散分量存在，必须保证射频频标信号的最低频率F3大于频率合成信号的带宽(MN-1)ΔF。
对于④中通过直接混频产生的M×N个频率合成信号，它是频率合成器的最终输出，为了保证其频谱纯度，需要通过滤波器对其杂散电平加以滤除，而且为了满足使用方对频率合成器输出信号功率的要求，还需要对其输出功率进行放大和调整，另外为了避免外界干扰信号和端口失配对频率合成器的影响，还需要通过隔离器来增加频率合成器与外界之间的隔离度。
本发明采用FPGA作为硬件系统控制器件，FPGA实时接受外部送来的频率码和跳频触发脉冲，当检测到跳频触发脉冲的上升沿时，根据当前的频率码值向直接数字频率合成器发送对应的并行数据，并送出一个高电平有效的频率更新信号，同时向M选1开关滤波组件和N选1开关滤波组件送出对应的开关控制码，此时直接数字频率合成器的输出信号频率就会以极快的速度从原来的工作频率“跳跃”到新的频率上，整个频率合成器的最终输出频率也会相应的跳变到新的频率上，从而完成频率的快速转换过程。
本发明的频率合成方法具有模块化特征，由于采用的直接数字频率合成器为数字合成工作方式，当采用不同工作频段或不同步进的频率合成器时，对其输出频率和步进参数的变更，只需要对系统中的FPGA控制软件编程进行修改，而不需要改动硬件电路结构，使硬件电路具有良好的通用性和可扩展性。
通过采用上面所讲的频率合成方案能够实现一种高性能、模块化雷达频率合成器，与现有的频率合成方法相比较所具有的有益效果：
本发明的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法解决了目前现有频率合成方法存在的缺陷，有效地兼顾了频率转换时间、频率分辨率、相位噪声、杂散电平、带宽、体积和成本等指标。采用本发明的频率合成方法可以有效的降低各技术指标之间的相互影响和制约，使各项技术指标都得到了进一步的优化，从而大幅提高整个频率合成器的性能。
而且，本发明的技术方案对于各个频段的雷达频率合成器都是通用的，对于采用本方案的频率合成器，无论其工作在哪个频段，其整个系统的组成和各组成部分的电路形式都是相同的，所以采用本发明的技术方案实现了频率合成器设计的模块化。另外，所采用的数字频率合成是一种非常灵活的频率合成方法，它可以在不增加任何硬件电路的情况下只通过软件编程控制就可以实现各种复杂的频率、相位和幅度调制功能，在现代雷达复杂波形信号产生方面具有非常明显的优势。
表1列出了本发明中讲述的方案与传统方案的比较。通过表1可以看出，采用本发明的频率合成方案可以在相对较低的成本下实现极快的频率转换时间(纳秒级)、极高的频率分辨率(可以达到10-6赫兹量级)、极低的相位噪声(相对理论值恶化小于3dB)、极低的杂散电平(小于-80dBc)，并且该方案还可以实现很宽的带宽。
表1 本方案与传统方案的对比表
| 技术方案 | 频率转换时间 | 频率分辨率 | 相位噪声 | 杂散电平 | 带宽 | 成本 |
| 间接式 | 慢 | 较低 | 高 | 较低 | 宽 | 低 |
| 直接模拟式 | 较快 | 低 | 低 | 高 | 宽 | 局 |
| 直接数字式 | 快 | 高 | 较低 | 高 | 窄 | 低 |
| 本发明的方案 | 快 | 高 | 低 | 低 | 宽 | 较低 |
附图说明
图1本发明的硬件框图的优选实施例
图2本发明的硬件系统控制时序图
具体实施方式
图1给出了本发明的一个优选实施例。如图1所示，直接数字频率合成器输出的中频频标信号给出了5个。在本实施例中直接数字频率合成器的输出频段选取在P波段，并且其频率间隔ΔF应该等于使用方对于频率合成器输出频率间隔的要求。本实施例中频率间隔ΔF为20MHz，所以直接数字频率合成器输出的P波段中频频标信号的带宽就是80MHz，5选1(M选1)开关滤波组件用来滤除5个中频频标信号的杂散电平。直接数字频率合成器需要的输入参考时钟FDDS是由一个频率为100MHz的高稳定的晶体振荡器经过直接倍频得到的。图1中的参考信号FR是由晶体振荡器经过功分得到的，倍频器将参考信号的频率直接倍频到X波段输出，作为第一级混频器的本振信号。第一级混频器将5个中频频标信号的频率搬移到X波段，经过滤波、放大处理后合成5个频率间隔为20MHz的X波段信号作为第二级混频器的本振信号，其带宽为80MHz。如图1，梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性特性在频率为100MHz的参考信号的激励下产生很窄的脉冲，因而谐波丰富且效率高，然后通过9选1(N选1)开关滤波组件选出9个频率间隔为{MΔF}100MHz的L波段射频频标信号，其带宽为800MHz。第二级混频器将前面产生的5个X波段本振信号和9个L波段频标信号进行混频后可以合成45个频率间隔为20MHz的X波段信号，其带宽为880MHz，然后经过滤波器滤除带外杂散信号，再经过放大器对其输出功率加以调整。这样，就通过基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方案采用图1中所示的硬件电路合成了一路具有45个频点、频率步进为20MHz、带宽为880MHz的低杂散、低相噪X波段信号。其杂散电平优于-80dBc，相位噪声在偏离载波1kHz处达到了-113dBc/Hz，跳频时间小于100ns。
本发明的硬件系统采用FPGA作为控制器件，FPGA是现场可编程门阵列的简称，FPGA器件内部具有大量的可编程逻辑单元，可以通过硬件描述语言编程实现各种控制功能和数据处理功能，它具有体积小、运行速度高、可在线编程等优点，可以作为一种非常灵活的控制系统使用。图2是本发明的硬件系统控制时序图，图中F[5..0]是外部输入的6位频率码，HOP是外部输入的跳频触发脉冲，D[7..0]和A[7..0]分别是FGPA送给直接数字频率合成器的8位并行数据和地址，WR和FUD分别是FPGA送给直接数字频率合成器的写信号和频率更新信号，S1[2..0]是FPGA送给5选1开关滤波组件的3位开关控制码，S2[3..0]是FPGA送给9选1开关滤波组件的4位开关控制码。整个系统工作时，FPGA实时接受外部送来的频率码和跳频触发脉冲，当检测到跳频触发脉冲的上升沿时，根据当前的频率码值向直接数字频率合成器连续发送5个对应的8-bit并行数据，然后FPGA向直接数字频率合成器送出一个高电平有效的频率更新信号，同时向两个开关滤波组件送出对应的开关控制码，此时直接数字频率合成器的输出信号频率就会以极快的速度从原来的工作频率“跳跃”到新的频率上，整个频率合成器的最终输出频率也会相应的跳变到新的频率上，这就是一个完整的频率转换工作过程。
图1所示的硬件实现电路具有良好的通用性和可扩展性，对于不同工作频段的频率合成器我们一般只需要相应的调整各组件和器件的工作频率就可以了，整个硬件系统的结构形式不需要进行改动；对于不同步进的频率合成器，一般也只需要更改直接数字频率合成器输出中频频标信号的频率个数和频率间隔ΔF，以及根据步进大小和直接数字频率合成器输出杂散情况看是否需要调整其后的开关滤波组件的路数，而硬件系统中的其它组件和器件不需要进行改动。由于直接数字频率合成器是采用数字处理方式工作的，所以对其输出频率和步进等参数进行任何更改都可以很容易的通过软件编程实现，不需要对硬件电路进行改动，就本发明的实施例而言，只需要对系统中的FPGA控制软件进行修改就可以了，从这一点也可以看出采用数字频率合成的巨大优势。图1中的直接数字频率合成器[AD9858]的最小频率分辨率大约为0.23Hz，所以图1所示的硬件系统实际上可以实现赫兹级的频率步进，这是目前间接式频率合成器和直接模拟式频率合成器难以达到的指标。
本领域技术人员可以根据不同的设计要求和设计参数在不偏离本发明权利要求所界定的范围内进行各种增补、改进和更换，因此，本发明是广泛的。
Claims (9)
1.一种基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：
①采用直接数字式频率合成方法产生M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的中频频标信号，即：F1、F1+ΔF、F1+2ΔF、…、F1+(M-1)ΔF；
②通过频率搬移的方法将①中产生的M个中频频标信号的频率搬移到微波频段，产生M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的微波本振信号，即：F2、F2+ΔF、F2+2ΔF、…、F2+(M-1)ΔF；
③采用直接式合成方法产生N个频率间隔为MΔF、带宽为(N-1)MΔF的射频频标信号，即：F3、F3+MΔF、F3+2MΔF、…、F3+(N-1)MΔF；
④将②中产生的M个微波本振信号和③中产生的N个射频频标信号进行混频，得到M×N个频率间隔为ΔF、带宽为(MN-1)ΔF的频率合成信号，输出频率合成信号为；F2+F3、F2+F3+ΔF、F2+F3+2ΔF、…、F2+F3+(MN-1)ΔF。
2.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：对于①中采用直接数字频率合成方法产生的M个中频频标信号，通过开关滤波组件滤除其杂散电平来保证频谱纯度。
3.根据权利要求2所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：进行大步进频率合成时，对M个中频频标信号采用M选1开关滤波组件抑制杂散电平，对产生的每一个中频频标信号都要进行滤波。
4.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：所述中频频标信号的最低频率F1必须大于带宽(M-1)ΔF，以便使M个中频频标信号的频率搬移到微波频段后产生的微波本振信号频带内无低阶交互调杂散分量存在。
5.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：对于②中产生的M个微波本振信号，通过滤波器滤除微波本振信号的杂散电平，并对微波本振信号进行功率放大、调整和采用隔离器增加前后级之间的隔离度，以降低前后级之间的耦合和相互影响。
6.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：对于③中产生的N个射频频标信号，通过N选1开关滤波组件滤除射频频标信号的杂散电平来保证其频谱纯度，所述射频频标信号的最低频率F3要大于频率合成信号的带宽(MN-1)ΔF，从而保证N个射频频标信号与M个微波本振信号进行混频后产生的频率合成信号频带内无低阶交互调杂散分量存在。
7.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：对于④中通过直接混频产生的M×N个频率合成信号，通过滤波器滤除其杂散电平来保证其频谱纯度，并对其输出功率进行放大、调整及通过隔离器增加频率合成器与外界之间的隔离度以避免外界干扰信号和端口失配对频率合成器的影响。
8.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：采用FPGA作为硬件系统控制器件，FPGA实时接受外部送来的频率码和跳频触发脉冲，当检测到跳频触发脉冲的上升沿时，根据当前的频率码值向直接数字频率合成器发送对应的并行数据，并送出一个高电平有效的频率更新信号，同时向M选1开关滤波组件和N选1开关滤波组件送出对应的开关控制码，此时直接数字频率合成器的输出信号频率就会以极快的速度从原来的工作频率“跳跃”到新的频率上，整个频率合成器的最终输出频率也会相应的跳变到新的频率上，从而完成频率的快速转换过程。
9.根据权利要求1所述的基于直接数字式与直接模拟式结合的模块化频率合成方法，其特征是：所述直接数字频率合成器采用数字合成方式，当采用不同工作频段或不同步进的频率合成器时，对其输出频率和步进参数的变更，只需要对系统中的FPGA控制软件编程进行修改，而不需要改动硬件电路结构形式，从而实现频率合成的模块化。
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