CN209358517U - 一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置 - Google Patents

一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置 Download PDF

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魏振华
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

本实用新型提供了一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置，包括直接数字频率合成器、锁相环频率合成器和混频滤波器。本实用新型将直接数字频率合成技术与间接频率合成技术混合并采用多个混频滤波器串联的方式，因而可以产生更小更精细的频率步进，满足了多频段分布式通信干扰机对高频率分辨率的要求；此外，通过间接频率合成技术对频率步进进行粗调，可以输出很高的频率并且有很宽的输出带宽，在多个混频滤波器的作用下，能够对带宽进行多个分段，进而满足了多频段分布式通信干扰机对宽频段宽带宽输出的要求。

Description

一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置
技术领域
本实用新型涉及信号处理领域，特别是一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置。
背景技术
频率合成技术是将高准确度和高稳定度的标准参考频率源(一般由晶振产生)，经过混频、倍频、分频、滤波等方法，实现对频率信号的加、减、乘、除运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的频率源。频率合成技术已经在电子对抗、通信、雷达、测量和仪器仪表等领域得到了广泛的应用。
频率合成技术从二十世纪三十年代诞生以来，目前已经发展了八十多年。现有技术中最常用的有直接频率合成技术、间接频率合成技术、直接数字频率合成技术和混合式频率合成技术。但直接频率合成技术、间接频率合成技术、直接数字频率合成技术均具有各自的缺陷：直接频率合成技术的缺点是电路复杂、体积大、成本不低，合成的频率个数有限，不适合合成大量的频率；间接频率合成技术的缺点是频率分辨力不高；直接数字频率合成技术的缺点是输出频率杂散居多且频率不高、工作频带窄等。
而混合式频率合成技术是结合上述两种或三种频率合成技术的优点发展起来的，多频段分布式通信干扰机由于覆盖频段宽，采用的是直接数字频率合成技术(DDS)+间接频率合成技术(PLL)的方法。将DDS和PLL两者结合起来，做到优势互补，合成的输出频率兼顾两者的优点，具有输出频率高、频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声好、频谱纯度高杂散指标好等特点。
随着信息化技术的发展，人们对分布式干扰机产生干扰信号的频率范围也越来越高，普通的混合式频率合成技术难以满足在30MHz～6GHz甚至更宽的带宽下，输出信号的高频率分辨率的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术的上述不足，而提供一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置，它采用DDS内插PLL的混合式频率合成技术，从而满足多频段分布式通信干扰机对高频率分辨率的要求，并且能够输出很高的频率并且有很宽的输出带宽，满足多频段分布式通信干扰机对款频段宽带宽输出的要求。
本实用新型的技术方案是：
一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置，采用上述的一种用于分布式干扰的宽带混频合成方法，包括直接数字频率合成器、至少2个锁相环频率合成器和至少2个混频滤波器，所述直接数字频率合成器包括相位寄存器、相位累加器和正弦查找表，直接数字频率合成器输入端与频率控制字连接，输出端与数模转换器连接，相位寄存器接收时钟脉冲频率信号，它的输出端与正弦查找表的输入端连接，相位寄存器的输出端还与相位累加器的输入端连接，相位累加器的输出端与相位寄存器的输入端连接，从而形成一个相位寄存器与相位累加器的连接闭环；所述正弦查找表的输出端与数模转换器的输入端连接，所述锁相环频率合成器包括结构完全一致的第一锁相环频率合成器和第二锁相环频率合成器，所述锁相环频率合成器包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，鉴相器、环路滤波器、压控振荡器依次串联，鉴相器接收时钟脉冲频率信号；所述混频滤波器包括第一混频滤波器和第二混频滤波器，第一混频滤波器和第二混频滤波器串联，第一锁相环频率合成器的压控振荡器输出端和数模转换器的输出端连接在第一混频滤波器的输入端上，第一混频滤波器的输出端和第二锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第二混频滤波器的输入端上。
进一步地，所述混频滤波器还包括第三混频滤波器，锁相环频率合成器还包括第三锁相环频率合成器，第三混频滤波器与第一混频滤波器、第二混频滤波器串联，第二混频滤波器的输出端和第三锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第三混频滤波器的输入端上。
进一步地，综合上述，所述混频滤波器包括不少于三个的混频滤波器，锁相环频率合成器包括不少于三个的锁相环频率合成器，锁相环频率与混频滤波器数量一致，且一一对应；所述不少于三个的混频滤波器互相串联在一起，其中，前一个混频滤波器的输出端和后一个锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在后一个混频滤波器的输入端上。
进一步地，所述锁相环频率合成器还包括N分频器，N分频器与鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的串联电路并联，即N分频器一端连接在鉴相器的输入端，另一端连接在压控振荡器的输出端。
进一步地，所述直接数字频率合成器上设置有对载波的频率、相位和幅度进行改变的配置接口。
进一步地，所述直接数字频率合成器采用FPGA的IP核进行设计。
上述用于分布式干扰的宽带混频合成装置用于分布式干扰的宽带混频合成方法，包括以下步骤：
步骤一，通过直接数字频率合成器产生载波信号；
步骤二，对载波信号进行数模转换；
步骤三，通过初级锁相环频率合成器产生初级本振信号；
步骤四，将步骤一产生的载波信号与初级本振信号在第一混频滤波器内混频产生初级混频信号；
步骤五，通过扩展锁相环频率合成器产生一个扩展本振信号；
步骤六，将步骤四混频后的初级混频信号与步骤五中产生的扩展本振信号在第二混频滤波器内混频产生扩展输出混频信号；
步骤七，判断第六步中产生的扩展输出混频产生的信号工作频带是否符合要求，如果不符合，则重复步骤五和步骤六，进一步产生下一级扩展输出混频信号，直至产生的下一级扩展输出混频信号符合工作频带要求为止；如果符合要求，则终止上述步骤，并将步骤六产生的扩展输出混频信号输出。
进一步地，所述步骤一中，直接数字频率合成器相位累加器和正弦查找表，它通过设置不同的相位累加因子和不同的正弦查找表数值产生不同频率的正弦波。
进一步地，所述步骤一中，直接数字频率合成器通过对时钟脉冲频率信号进行处理后产生载波信号。
进一步地，所述步骤三中，锁相环频率合成器包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器，通过对时钟脉冲频率信号进行处理后产生初级本振信号。
本实用新型的有益效果：本实用新型将直接数字频率合成技术与间接频率合成技术混合并采用多个混频滤波器串联的方式，因而可以产生更小更精细的频率步进，满足了多频段分布式通信干扰机对高频率分辨率的要求；此外，通过间接频率合成技术对频率步进进行粗调，可以输出很高的频率并且有很宽的输出带宽，带宽大至6G以上；在多个混频滤波器的作用下，能够对带宽进行多个分段，进而满足了多频段分布式通信干扰机对宽频段宽带宽输出的要求。
附图说明
图1是本实用新型实施例1中一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置的原理框图；
图2是本实用新型实施例1中一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置合成宽带混频信号的流程图；
图3是本实用新型实施例2中一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置的原理框图；
图4是本实用新型实施例中生成直接数字频率合成器的IP核管脚图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置，采用上述的一种用于分布式干扰的宽带混频合成方法，包括直接数字频率合成器、锁相环频率合成器和混频滤波器，所述直接数字频率合成器包括相位寄存器、相位累加器和正弦查找表，直接数字频率合成器输入端与频率控制字连接，输出端与数模转换器连接，相位寄存器接收时钟脉冲频率信号，它的输出端与正弦查找表的输入端连接，相位寄存器的输出端还与相位累加器的输入端连接，相位累加器的输出端与相位寄存器的输入端连接，从而形成一个相位寄存器与相位累加器的连接闭环；所述正弦查找表的输出端与数模转换器的输入端连接，所述锁相环频率合成器包括结构完全一致的第一锁相环频率合成器和第二锁相环频率合成器，所述锁相环频率合成器包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，鉴相器、环路滤波器、压控振荡器依次串联，鉴相器接收时钟脉冲频率信号；所述混频滤波器包括第一混频滤波器和第二混频滤波器，第一混频滤波器和第二混频滤波器串联，第一锁相环频率合成器的压控振荡器输出端和数模转换器的输出端连接在第一混频滤波器的输入端上，第一混频滤波器的输出端和第二锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第二混频滤波器的输入端上。
具体地，所述锁相环频率合成器还包括N分频器，N分频器与鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的串联电路并联，即N分频器一端连接在鉴相器的输入端，另一端连接在压控振荡器的输出端。
本实施例采用直接数字频率合成(DDS)+锁相环PLL频率合成+混频滤波的方法，其原理框图如图2所示。这种组合式集成了各种频率合成方式的优点，频率切换时间和中心频点切换时间可到ns级别，频率分辨率可到1Hz以下，覆盖很宽的频率范围。
直接数字频率合成器(DDS)是产生干扰信号的核心模块，该模块不仅可以产生正交化的两路载波信号以方便的实现数字正交调制，而且提供了对载波的频率、相位和幅度进行改变的配置接口，以适应不同调制类型的需要。
通过数字方法实现对载波的调制的关键是直接数字频率合成器(DDS)，它主要由相位累加器、正弦查找表组成。相位累加器的相位值在系统工作时钟的作用下每次以相位累加因子KΔθ为步进进行相加。相位累加器的输出相位值作为正弦查找表的地址输入(如果要设置初始相位，则可以通过初始相位输入来设置相位初始值，将相位累加器的输出相位与相位初始值两者之和作为正弦查找表的地址输入)在正弦查找表里，该地址处存放的就是该相位值对应的正弦值；这样就完成相位和幅度的转换。通过设置不同的相位累加因子KΔθ及不同的正弦查找表数值可以产生不同频率的正弦波。DDS输出的最高工作频率是DDS工作时钟的1/2，输出的频率最小分辨率由相位累加器的位数N决定，分辨率计算公式为：fS/2N。
DDS输出的信号可以用下式表示：
Sout＝Asinωt＝Asin(2πfoutt) (1)
上式的表述对于时间t是连续变化的，式中Sout是指输出信号波形，fout指输出信号对应的频率。对上式进行离散化处理，以便能用数字逻辑实现。用基准时钟clk进行抽样，设正弦信号的相位为θ＝2πfoutt，
在一个clk周期Tclk内，相位θ的变化量为：
式中，fclk为clk的频率，为了对Δθ进行数字量化，把2π分割成2N份，设每个clk周期的相位增量Δθ用量化值KΔθ来表示，则：
且KΔθ为整数，与Δθ的表达式联立，可得：
由上式可知，相位增量量化值KΔθ与输出频率fout为线性关系，通过改变KΔθ的值就可以获得不同频率的输出信号。
DDS的设计采用FPGA的IP核进行设计，可以方便实现对其产生的信号进行调频、调幅和调相，其DDS IP核的管脚图如图4所示。DDS输出信号后的混频环路选用AD9361器件完成。
在本实施例中DDS的工作频率为122.88MHz，切换周期为一个时钟周期8.13ns,频率控制字位宽为32Bit，频率分辨率为0.029Hz。频率控制字的计算如下：
如果需要DDS产生正频率，用如下公式计算频率控制字：
如果需要DDS产生负频率，用如下公式计算频率控制字：
采用DDS内插PLL的混合式频率合成技术，可以满足多频段分布式通信干扰机对高频率分辨率的要求，可以产生更小更精细的频率步进，PLL对频率步进进行粗调，可以输出很高的频率并且有很宽的输出带宽，满足多频段分布式通信干扰机对款频段宽带宽输出的要求。
如图2所示，上述用于分布式干扰的宽带混频合成装置用于分布式干扰的宽带混频合成方法，包括以下步骤：
S10，通过直接数字频率合成器产生载波信号；
S20，对载波信号进行数模转换；
S30，通过初级锁相环频率合成器产生初级本振信号；
S40，将步骤一产生的载波信号与初级本振信号在第一混频滤波器内混频产生初级混频信号；
S50，通过扩展锁相环频率合成器产生一个扩展本振信号；
S60，将S40混频后的初级混频信号与S50产生的扩展本振信号在第二混频滤波器内混频产生扩展输出混频信号；
S70，判断S60中混频产生的信号工作频带是否符合要求，不符合则重复S50和S60，符合则终止。
具体地，所述S10中，直接数字频率合成器相位累加器和正弦查找表，它通过设置不同的相位累加因子和不同的正弦查找表数值产生不同频率的正弦波。
具体地，所述S10中，直接数字频率合成器通过对时钟脉冲频率信号进行处理后产生载波信号。
具体地，所述S30中，锁相环频率合成器包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器，通过对时钟脉冲频率信号进行处理后产生初级本振信号。
本实施例混频产生的信号工作频带要求为30MHz～6GHz，因而只需要两个混频滤波器串联即可实现，一个混频滤波器能实现30MHz～1GHz，另一个混频滤波器能实现1GHz～6GHz。则在本实施例中，S70直接判断S60中混频产生的信号工作频带符合要求，终止。
实施例2
如图3所示，本实施例的一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置，包括直接数字频率合成器、锁相环频率合成器和混频滤波器，所述直接数字频率合成器包括相位寄存器、相位累加器和正弦查找表，直接数字频率合成器输入端与频率控制字连接，输出端与数模转换器连接，相位寄存器接收时钟脉冲频率信号，它的输出端与正弦查找表的输入端连接，相位寄存器的输出端还与相位累加器的输入端连接，相位累加器的输出端与相位寄存器的输入端连接，从而形成一个相位寄存器与相位累加器的连接闭环；所述正弦查找表的输出端与数模转换器的输入端连接，所述锁相环频率合成器包括结构完全一致的第一锁相环频率合成器、第二锁相环频率合成器和第三锁相环频率合成器，所述锁相环频率合成器包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，鉴相器、环路滤波器、压控振荡器依次串联，鉴相器接收时钟脉冲频率信号；所述混频滤波器包括第一混频滤波器、第二混频滤波器和第三混频滤波器，第一混频滤波器、第二混频滤波器和第三混频滤波器串联，第一锁相环频率合成器的压控振荡器输出端和数模转换器的输出端连接在第一混频滤波器的输入端上，第一混频滤波器的输出端和第二锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第二混频滤波器的输入端上；第二混频滤波器的输出端和第三锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第三混频滤波器的输入端上。
本实施例中，混频产生的信号工作频带要求为30MHz～12GHz，因而需要三个混频滤波器串联方可实现，即第一混频滤波器能实现30MHz～1GHz，第二混频滤波器能实现1GHz～6GHz，第三混频滤波器能实现6GHz～12GHz。则在本实施例中，S70判断S60中混频产生的信号工作频带不符合要求，要继续运行S50和S60,直至满足要求才能终止。
实施例2与实施例1中的用于分布式干扰的宽带混频合成装置产生宽带混频合成方法大体一致。
由实施例1和实施例2可知，所述混频滤波器可以包括不少于三个的混频滤波器，锁相环频率合成器包括不少于三个的锁相环频率合成器，锁相环频率与混频滤波器数量一致，且一一对应；所述不少于三个的混频滤波器互相串联在一起，其中，前一个混频滤波器的输出端和后一个锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在后一个混频滤波器的输入端上。无论有多少个混频滤波器和锁相环频率合成器，只要采用上述串联和连接方式的，都在本实用新型的保护范围之内。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种用于分布式干扰的宽带混频合成装置，其特征在于：包括直接数字频率合成器、至少2个锁相环频率合成器和至少2个混频滤波器，所述直接数字频率合成器包括相位寄存器、相位累加器和正弦查找表，直接数字频率合成器输入端与频率控制字连接，输出端与数模转换器连接，相位寄存器接收时钟脉冲频率信号，它的输出端与正弦查找表的输入端连接，相位寄存器的输出端还与相位累加器的输入端连接，相位累加器的输出端与相位寄存器的输入端连接，从而形成一个相位寄存器与相位累加器的连接闭环；所述正弦查找表的输出端与数模转换器的输入端连接，所述锁相环频率合成器包括结构完全一致的第一锁相环频率合成器和第二锁相环频率合成器，所述锁相环频率合成器包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，鉴相器、环路滤波器、压控振荡器依次串联，鉴相器接收时钟脉冲频率信号；所述混频滤波器包括第一混频滤波器和第二混频滤波器，第一混频滤波器和第二混频滤波器串联，第一锁相环频率合成器的压控振荡器输出端和数模转换器的输出端连接在第一混频滤波器的输入端上，第一混频滤波器的输出端和第二锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第二混频滤波器的输入端上。
2.如权利要求1所述的用于分布式干扰的宽带混频合成装置，其特征在于：所述混频滤波器还包括第三混频滤波器，锁相环频率合成器还包括第三锁相环频率合成器，第三混频滤波器与第一混频滤波器、第二混频滤波器串联，第二混频滤波器的输出端和第三锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在第三混频滤波器的输入端上。
3.如权利要求1所述的用于分布式干扰的宽带混频合成装置，其特征在于：所述混频滤波器包括不少于三个的混频滤波器，锁相环频率合成器包括不少于三个的锁相环频率合成器，锁相环频率与混频滤波器数量一致，且一一对应；所述不少于三个的混频滤波器互相串联在一起，其中，前一个混频滤波器的输出端和后一个锁相环频率合成器的压控振荡器输出端连接在后一个混频滤波器的输入端上。
4.如权利要求1所述的用于分布式干扰的宽带混频合成装置，其特征在于：所述锁相环频率合成器还包括N分频器，N分频器与鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的串联电路并联，即N分频器一端连接在鉴相器的输入端，另一端连接在压控振荡器的输出端。
5.如权利要求1所述的用于分布式干扰的宽带混频合成装置，其特征在于：所述直接数字频率合成器上设置有对载波的频率、相位和幅度进行改变的配置接口。
6.如权利要求1所述的用于分布式干扰的宽带混频合成装置，其特征在于：所述直接数字频率合成器采用FPGA的IP核进行设计。
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