CN115208384B - 一种低杂散dds扩频装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低杂散DDS扩频装置及方法，包括：频率发生器、M路功分器、DDS电路、M‑1个混频分频电路、混频电路，频率发生器输出端与M路功分器连接，M路功分器的M路输出端分别和M‑1级混频分频电路、混频电路的LO输入端连接，DDS电路的输出端连接至第一级混频分频电路的IF输入端，每一级混频分频电路的输出端依次连接到下一级混频分频电路的IF输入端，第M‑1级混频分频电路的输出端接至混频电路的IF输入端，混频电路输出端输出最终的扩频输出信号。本发明能够将DDS频率扩展到更高频段，同时利用分频器的特性优化DDS杂散，使扩展后的DDS电路具有高频段、低杂散同时兼具固有的细布进、捷变频等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种低杂散DDS扩频装置及方法。
背景技术
DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速跳频等优点，被广泛应用于雷达、导航、通信等设备中。但是DDS电路输出频率受到奈奎斯特采样定律的限制，因此其输出频率一般低于1/3时钟频率。同时DDS自身具有相位累加器的截断误差，相位幅度转换误差，DAC输出误差和DAC非线性误差，造成其输出杂散指标不如锁相环纯净。因此其低输出频率和高杂散的特点限制了DDS在高性能频率合成器设计中的使用。传统的DDS扩频电路使用在直接扩频电路中时，混频产生的杂散信号滤除时对滤波器要求很高，同时DDS近端杂散无法通过滤波器滤除，造成最终输出杂散偏大。
2018年，王栋等人申请的专利《基于级联混频的宽带细步进捷变频频率合成装置及方法》介绍了一种DDS的扩频方案，该方案可以将DDS输出频率进行搬移扩频，扩频以后具有捷变频的优点，但是DDS的近端杂散无法滤除。而使用DDS输出做锁相环的输入参考信号方式可以对DDS的近端杂散有所抑制，但是受制于锁相环的锁相时间，跳频速度慢。2015年，赵明等人发表的论文《一种利用锁相环及DDS电路产生频率综合的方法》中介绍了一种DDS作为锁相环参考输入的方案，该方案可以有效的利用锁相环的窄带滤波特性滤除DDS的近端杂散，滤出范围取决于锁相环环路带宽，环路带宽越窄对近端杂散的抑制越大。
考虑到锁相环的稳定性，环路带宽无法无限制的变窄，也就是说有些离主信号很近的近端杂散无法滤除，同时环路带宽变窄极大的牺牲了DDS的快速跳频的优势。传统的方案在参考频率时钟的驱动下，DDS的累加器就把频率控制字FW与寄存器输出的值进行累加，然后在波形存储器中通过查找地址所对应的值，经过DAC以后就可以输出相应的频率信号。由于奈奎斯特采样定律的限制以及相位截断误差和DAC误差等，造成DDS输出频率低，杂散大的问题。
发明内容
针对传统DDS扩频电路无法同时兼顾杂散指标和快速跳频的难题，本发明提出了一种低杂散DDS扩频装置及方法，通过加入分频器实现对DDS近端杂散的优化，极大的降低了滤波器的设计难度，具有宽带、细步进、快速跳频、低杂散等特点。
本发明采用的技术方案如下：一种低杂散DDS扩频装置，包括：频率发生器、M路功分器、DDS电路、M-1个混频分频电路、混频电路，其中M大于等于2，频率发生器输出端与M路功分器连接，M路功分器的M路输出端分别和M-1级混频分频电路、混频电路的LO输入端连接，DDS电路的输出端连接至第一级混频分频电路的IF输入端，每一级混频分频电路的输出端依次连接到下一级混频分频电路的IF输入端，第M-1级混频分频电路的输出端接至混频电路的IF输入端，混频电路输出端输出最终的扩频输出信号。
进一步的，还包括单刀N掷开关，所述单刀N掷开关为N选1开关，其输入端接至频率发生器输出端，输出端接至M路功分器的输入端，其中，N与频率发生器所产生不同频率信号的数量有关。
进一步的，所述M-1级混频分频电路组成相同，包括混频器、开关滤波器、N分频器，混频器的IF输入端作为混频分频电路的IF输入端，混频器的LO输入端作为混频分频电路的IF输入端，混频器的输出端经开关滤波器接至N分频器的输入端，N分频器的输出端作为混频分频电路的输出端。
进一步的，所述混频电路包括混频器和开关滤波器，混频器的IF输入端作为混频电路的IF输入端，混频器的LO输入端作为混频电路的IF输入端，混频器的输出端接至开关滤波器输入端，开关滤波器的输出端作为混频电路的输出端。
进一步的，所述频率发生器产生的本振信号频率等间隔，其间隔与DDS电路产生信号的带宽相等。
进一步的，所述频率发生器产生的本振信号选取方法为：
其中，N为正整数,为分频器分频比；n为正整数，最大值为N；BW为DDS输出频率范
围，即带宽；
为混频电路输出频率范围低端，
为混频电路输出频率范围高端。
本发明还提供了一种基于前述的低杂散DDS扩频装置的扩频方法，由频率发生器产生所需频率的本振信号并发送至M路功分器，对应输出至M-1级混频分频电路和混频电路的LO端，DDS电路输出信号至第一级混频分频电路的IF端，经混频分频电路内部的混频器经LO端与IF端输入的信号进行混频处理，再经开关滤波器滤波后输出至N分频器，N分频器输出至下一级混频分频电路，每一级混频分频电路的IF端输入为上一级混频分频电路的输出，各级混频分频电路内部处理过程与第一级混频分频电路相同，第M-1级混频分频电路输出信号至混频电路的IF端，经混频电路混频滤波后完成扩频输出。
进一步的，通过频率发生器同时产生N种频率的本振信号，经单刀N掷开关选择所需频率的本振信号输入至M路功分器中。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明基于多次混频和分频，能够实现将DDS频率扩展到更高频段上，同时利用分频器的特性优化DDS杂散，使扩展后的DDS电路具有高频段、低杂散同时兼具DDS电路固有的细布进、捷变频等优点。
附图说明
图1为本发明提出的低杂散DDS扩频装置示意图。
图2为本发明实施例中低杂散DDS扩频装置1.6GHz-1.8GHz扩频示意图。
图3为本发明DDS电路扩频后混频级数和杂散优化比的关系图。
附图标记：101-DDS电路，102-频率发生器，103-单刀N掷开关，104-M路功分器，105-混频分频电路，106-混频电路。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
实施例1
为了解决传统DDS扩频电路无法同时兼顾杂散指标和快速跳频的问题，本实施例提出了一种低杂散DDS扩频装置，可以在不牺牲DDS快速跳频优势的情况下兼顾对DDS近端杂散的优化。具体方案如下：
如图1所示，一种低杂散DDS扩频装置，包括：频率发生器102、M路功分器104、DDS电路101、M-1个混频分频电路105、混频电路106，其中M大于等于2，频率发生器102输出端与M路功分器104连接，M路功分器104的M路输出端分别和M-1级混频分频电路105、混频电路106的LO输入端连接，DDS电路101的输出端连接至第一级混频分频电路的IF输入端，每一级混频分频电路的输出端依次连接到下一级混频分频电路的IF输入端，第M-1级混频分频电路的输出端接至混频电路106的IF输入端，混频电路106输出端输出最终的扩频输出信号。
具体的，该低杂散DDS扩频装置还包括单刀N掷开关103，所述单刀N掷开关103为N选1开关，其输入端接至频率发生器输出端，输出端接至M路功分器的输入端，其中，N与频率发生器所产生不同频率信号的数量有关。
进一步的，M-1级混频分频电路105组成均相同，包括混频器、开关滤波器、N分频器，混频器的IF输入端作为混频分频电路的IF输入端，混频器的LO输入端作为混频分频电路的IF输入端，混频器的输出端经开关滤波器接至N分频器的输入端，N分频器的输出端作为混频分频电路的输出端。
相应的，混频电路106包括混频器和开关滤波器，混频器的IF输入端作为混频电路的IF输入端，混频器的LO输入端作为混频电路的IF输入端，混频器的输出端接至开关滤波器输入端，开关滤波器的输出端作为混频电路的输出端。
在本实施例中，频率发生器产生
的本振信号，n为正整数，
需要注意的是，各本振信号频率等间隔，即
，而DDS电路产生信号的带
宽与该间隔相等，DDS产生频率范围为
，其中DDS产生的带宽为
。
混频电路最终输出频率范围表示为
，其中
，
。
在此对该低杂散DDS扩频装置工作原理进行说明，最终扩频输出频率范围为
；每一级混频器的中频频率范围为
，其和最终扩频输出的频率范围是N
倍的关系，因此每一级混频器的中频频率范围为
，每一次N分频DDS的基带杂散优
化20lgN。
由RF和IF频率可以计算得到频率发生器的输出的本振频率范围为
,本振的间隔频率为BW；每一级混频器混频输出都为
；
经过N分频以后，每一级混频器的中频频率范围为
；最后一级混频以后不经过分
频器直接输出，输出频率为
。最终，经过M-1级分频器后，DDS杂散总计优化（M-1）
20lgN（M大于等于2）。
在本实施例中，频率发生器产生的本振信号选取方法为：
其中，N为正整数,为分频器分频比；n为正整数，最大值为N；BW为DDS输出频率范
围，即带宽；
为混频电路输出频率范围低端，
为混频电路输出频率范围高端。
如图2所示为一具体低杂散DDS扩频装置示意图，其中，N取4，M取3，则该装置由频率发生器、单刀4掷开关、3路功分器、DDS电路、2级混频分频电路和混频电路组成。
频率发生器产生4种不同频率的本振信号，经4选1开关择一输出至3路功分器，3路输出分别输出至2级混频分频电路及混频电路中的混频器LO端，DDS输出信号至第一级混频分频电路的混频器IF端。在该示例为1.6GHz~1.8GHz扩频方案，其中，DDS电路输出400MHz~450MHz，最终通过三级混频电路扩频至1.6GHz~1.8GHz的详细实施方案。其中频率发生器产生四种频率的信号包括LO1=2.05GHz、LO2=2.10GHz、LO3=2.15GHz、LO4=2.20GHz，DDS近端杂散优化24dB。
图3是本发明DDS电路扩频后混频级数和杂散优化比的关系，图中曲面表示不同的M与N取值所对应的杂散优化，其杂散优化计算公式为（M-1）20lgN（M大于等于2），可以看出该电路的杂散优化正比于M值和N值。由此，在实际应用中，可以根据需求调整M与N的取值以调整装置组成，从而实现不同的需求。
实施例2
本实施例还提供了一种低杂散DDS扩频方法，基于实施例1提出的低杂散DDS扩频装置实现，具体的，由频率发生器产生所需频率的本振信号并发送至M路功分器，对应输出至M-1级混频分频电路和混频电路的LO端，DDS电路输出信号至第一级混频分频电路的IF端，经混频分频电路内部的混频器经LO端与IF端输入的信号进行混频处理，再经开关滤波器滤波后输出至N分频器，N分频器输出至下一级混频分频电路，每一级混频分频电路的IF端输入为上一级混频分频电路的输出，各级混频分频电路内部处理过程与第一级混频分频电路相同，第M-1级混频分频电路输出信号至混频电路的IF端，经混频电路混频滤波后完成扩频输出。
在本实施例中，通过频率发生器同时产生N种频率的本振信号，经单刀N掷开关选择所需频率的本振信号输入至M路功分器中。
该方法通过加入分频器实现对DDS近端杂散的优化，极大的降低了滤波器的设计难度，具有宽带、细步进、快速跳频、低杂散等特点。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种低杂散DDS扩频装置，其特征在于，包括：频率发生器、M路功分器、DDS电路、M-1个混频分频电路、混频电路，其中M大于等于2，频率发生器输出端与M路功分器连接，M路功分器的M路输出端分别和M-1级混频分频电路、混频电路的LO输入端连接，DDS电路的输出端连接至第一级混频分频电路的IF输入端，每一级混频分频电路的输出端依次连接到下一级混频分频电路的IF输入端，第M-1级混频分频电路的输出端接至混频电路的IF输入端，混频电路输出端输出最终的扩频输出信号；
所述M-1级混频分频电路组成相同，包括混频器、开关滤波器、N分频器，混频器的IF输入端作为混频分频电路的IF输入端，混频器的LO输入端作为混频分频电路的LO输入端，混频器的输出端经开关滤波器接至N分频器的输入端，N分频器的输出端作为混频分频电路的输出端；
所述混频电路包括混频器和开关滤波器，混频器的IF输入端作为混频电路的IF输入端，混频器的LO输入端作为混频电路的LO输入端，混频器的输出端接至开关滤波器输入端，开关滤波器的输出端作为混频电路的输出端。
2.根据权利要求1所述的低杂散DDS扩频装置，其特征在于，还包括单刀N掷开关，所述单刀N掷开关为N选1开关，其输入端接至频率发生器输出端，输出端接至M路功分器的输入端，其中，N与频率发生器所产生不同频率信号的数量有关。
3.根据权利要求1所述的低杂散DDS扩频装置，其特征在于，所述频率发生器产生的本振信号频率等间隔，其间隔与DDS电路产生信号的带宽相等。
4.根据权利要求3所述的低杂散DDS扩频装置，其特征在于，所述频率发生器产生的本振信号选取方法为：
其中，N为分频器分频比，为正整数；n为正整数，最大值为N；BW为DDS输出频率范围，即
带宽；
为混频电路输出频率范围低端，
为混频电路输出频率范围高端。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的低杂散DDS扩频装置的扩频方法，其特征在于，由频率发生器产生所需频率的本振信号并发送至M路功分器，对应输出至M-1级混频分频电路和混频电路的LO端，DDS电路输出信号至第一级混频分频电路的IF端，经混频分频电路内部的混频器经LO端与IF端输入的信号进行混频处理，再经开关滤波器滤波后输出至N分频器，N分频器输出至下一级混频分频电路，每一级混频分频电路的IF端输入为上一级混频分频电路的输出，各级混频分频电路内部处理过程与第一级混频分频电路相同，第M-1级混频分频电路输出信号至混频电路的IF端，经混频电路混频滤波后完成扩频输出。
6.根据权利要求5所述的基于低杂散DDS扩频装置的扩频方法，其特征在于，通过频率发生器同时产生N种频率的本振信号，经单刀N掷开关选择所需频率的本振信号输入至M路功分器中。
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