L波段数字扫频源的研制
摘要
目前设计高分辨率、低相位噪声、捷变频的频率合成器是国内外研究的热点。本文采用直接频率合成(DDS)和锁相环(PLL)相结合的频率合成技术，设计出L波段扫频源。
首先分析了DDS的原理、输出频谱的特性。指出了在实际工程设计中，需注意的问题。
接着对PLL的相位噪声和杂散进行分析，得出估算相位噪声和杂散性能的公式。并提出了从环路带宽和相位余量出发设计环路滤波器的方法。
最后，分析DDS和PLL相结合的扫频源的方案，利用其中的一种方案设计出L波段的扫频源。
It is the research focuses to design frequency synthesizers with high frequency resolution, low phase noise and immediate settling to frequency hop. This dissertation focuses on the realization of L-band sweep signal source based on Direct Digital Synthesis (DDS) and Phase Locked Loop (PLL).
Firstly, the structure and output spectrum of DDS is analyzed. The problems of practical design are also discussed in detail.
Secondly, the phase noise and spurs of PLL are analyzed and the formulae for calculating them are given. The method of designing the loop filter with the phase margin and loop bandwidth is displayed.
At last, several plans of sweep signal source with DDS and PLL together are discussed, based on one of them, the L-band sweep signal source is designed successfully.
首先分析了DDS的原理、输出频谱的特性。指出了在实际工程设计中，需注意的问题。
接着对PLL的相位噪声和杂散进行分析，得出估算相位噪声和杂散性能的公式。并提出了从环路带宽和相位余量出发设计环路滤波器的方法。
最后，分析DDS和PLL相结合的扫频源的方案，利用其中的一种方案设计出L波段的扫频源。
It is the research focuses to design frequency synthesizers with high frequency resolution, low phase noise and immediate settling to frequency hop. This dissertation focuses on the realization of L-band sweep signal source based on Direct Digital Synthesis (DDS) and Phase Locked Loop (PLL).
Firstly, the structure and output spectrum of DDS is analyzed. The problems of practical design are also discussed in detail.
Secondly, the phase noise and spurs of PLL are analyzed and the formulae for calculating them are given. The method of designing the loop filter with the phase margin and loop bandwidth is displayed.
At last, several plans of sweep signal source with DDS and PLL together are discussed, based on one of them, the L-band sweep signal source is designed successfully.
引文
1 Dean Banerjee. PLL Performance, Simulation, and Design. Third Editon. Natinal Semiconductor. 2003
2 Analog Devices Inc. CMOS 300MSPS Complete DDS Synthesizer AD9854 Data Sheet. 2002
3 Analog Devices Inc. RF PLL Frequency Synthesizers ADF41413 Data Sheet. 2003
4 Analog Devices Inc. ATechnical Tutorial on Digital Signal Synthesis. 1999
5 J. Tierney, C. M. Rader, Bernard Gold. A Digital Synthesizer. IEEE Trans on Audio and Electroacoustics, Vol, Au-19, No.1 March 1971
6 Adrian Garrod. Digital Modules for Phased Array Radar. IEEE International Radar Conference, 1995, pp. 726-731
7 Eric D. Adler, EdwardA. Viveiros, TuanTon. Direct Digital Synthesis Applications for Radar Developmen. IEEE International Radar Conference, 1995, pp. 224-226
8 Venceslav F. Kroupa. Spectral Properties of DDS: Computer Simulations and Experimental Verifications. IEEE International Frequency Control Symposium, 1994
9 Michael J. Flanagan and George A. Zimmerman. Spur-Reduced Digital SinusoidSynthesis. IEEETrans on Communications, Vol. 43. No. 7, 1995, pp. 2254-2262
10 Lawrence J. Kushner and Marcus T. Ainsworth. A Spurious Reduction Technique for High-Speed Direct Digital Synthesizers IEEE International Frequency Control Symposium, 1996, pp. 920-927
11 V. N. Kochemasov and A. N. Zharov. Narrow-Band Direct Digital Synthesizers. IEEE International Frequency Control Symposium, 1995, pp. 236-249
12 Richard Karlquist. A Narrow Band High-Resolution Synthesizer Using A Direct Digital Synthesizer Followed by Repeated Dividing and Mixing. IEEE International Frequency Control Symposium, 1995, pp. 217-235.
13 Richard K. Karlquist. A 3 to 30MHz High-Resolution Synthesizer Consisting of A DDS, Divide-And-Mix Modules, and A M/N Synthesizer. IEEE International Frequency Control Symposium, 1996, pp. 928-933
14 Garvey J. F., Bubitch D.. An Exact Analysis of a Number Controlled Oscillator Based Synthesizer. IEEE 44st Annual Frequency Control Symposium, 1990, pp. 511-521
15 Edward M. Mattison and Laurence M. Coyla. Phase Noise in Direct Digital Synthesizers. IEEE 42st Annual Frequency Control Symposium. 1988, pp. 352-256.
16 Venceslav F. Kroupa. Close to the Carrier Noise in DDS. IEEE International Frequency Control Symposium, 1996, pp. 934-941.
17 Motorola Semiconductor. Phase-Locked Loop Design fundatments. 1990
18 Ulrich L. Rohde. Synthesizer Design For Microwave Apllications. 1999
19 Chee Piew Yoong. Designing On Chip PLL Circuits. 2000
20 Curtis Barrett. Fractional/Integer-N PLL Basics. 1999
21 Analog Devices Inc. Phase-Locked Loops For High-Frequency Receivers and Transmitters. 1999
22 Kenichi Tajima, Yoshihihiko IMAI, Yousoke KANAGAWA and Kenji ITOH. A 5 To 10GHz Low Spurious Triple Tuned Type PLL Synthesizer Driven By Frequency Converted DDS Unit. IEEE MTT-S Digest, 1997, pp. 1217-1220
23 P.V. Brennan, R. Walkington and A. Borkjak. Performance Of PLL Synthesiser Based DDS Feedback. IEEE Electronics Letters, 12th, November, 1998, Vol. 34, NO. 23, pp2197-2199
24 V.F. Kroupa, J. Stursa, V. cizek and H, Svandova Direct Digital Frequency Synthesizers With The ∑-Δ Arrangement In the PLL Systems. IEEE Interational Frequency Control, 2001, pp799-805
25 白居宪．低噪声频率合成．第一版．西安交通大学出版社，1995年5月
26 张阙盛，邓继禹．锁相技术．第一版．西安电子科技大学出版社，1996
27 连汉雄．微波锁相原理及应用．第一版．人民邮电出版社，1982年3月
28 陈邦嫒．射频通讯电路．第一版．科学出版社，2002年
29 费元春等．宽带雷达信号产生技术．第一版．国防工业出版社，2002年
30 朱启明．雷达高度表设计理论基础．第一版．国防工业出版社，1992年
31 林象平．雷达对抗原理．第一版．西北电讯工程学院出版社，1985年
32 樊昌信等．通信原理．第四版．国防工业出版社，1995年
33 高葆新．微波电路计算机辅助设计．第一版．清华大学出版社，1998年
34 陈桂明等．应用MATLAB建模与仿真．第一版．科学出版社，2001年
35 茅于海．频率捷变雷达．第一版．北京：国防工业出版社，1981年
36 杨义先．最佳信号理论与设计．第一版．人民邮电出版社，1996年
37 陈世伟．锁相环路原理及应用．兵器工业出版社，1990年
38 丁鹭飞，耿富录．雷达原理．第二版．西安电子科技大学出版社，1995年
39 王育红，张厥盛．直接数字频率合成器的谱质研究．西安电子科技大学学报，Vol．23，NO．1，1996，pp．19—26．
40 吴伯修，沈连丰．调频技术理论及新近展．第一版．人民邮电出版社，1988
41 张玉兴，彭清泉．DDS的背景杂散信号分析．电子科技大学学报，Vol．26，No．4，1997，pp．362-365．
42 李明斌．直接数字频率合成的原理及频谱特征分析．电讯技术，Vol．35，No．4，1995，pp．16-23．
43 顾宝良．一种双高速跳频频率合成器．电子技术，1996年6月
44 王化深，蒋焕文．直接数字频率合成器的噪声分析．北方交通大学学报，No．4，1987，pp．55—63．
45 施联玉，王俊，韦立华．用分布存储数字法生成函数信号的研究．电子测量与仪器学报，Vol．10，No．4，1996，pp．6-12．
46 王育红，张厥盛，樊昌信．相位累加器溢出脉冲的频谱分析．西安电子科技大学学报，Vol．23，No．3，1996，pp．303—309．
47 舒丹舟，卢建川．用DDS实现快速跳频频综．电讯技术，No．3，1995，pp．1—5．
48 雷春奇，赵之凡．基于DDS的AWG波形噪声分析及对称性设计．电子测量与仪器学报，Vol．12，No．3，1998，pp．28—31．
49 陶然．相位数字化原理及其应用．国外电子测量技术，No．5，1998，pp24-26．
50 林茂六，舒冬梅，高晓明．小数频率信号的合成算法及其数字频谱分析．电子测量与仪器学报，Vol．7，No．4，1993，pp．5—9．
51 朱世华，郭钧锋，闻生．可编程任意数字信号发生器一原理、误差及实现．电子学报，Vol．25，No．10，1997，pp．9—14．
52 王庆生．快速跳频频率合成器初探．通信对抗，No．3，1992，pp．33-38．
53 楮人乾，蒋兴才，廖湘平．运用多路DDS并行扩展输出带宽．电子技术应用，No．12，1997，pp．39-40．
54 孙隆庆．频谱分析与频谱测量．第一版．人民邮电出版社，1982年
2 Analog Devices Inc. CMOS 300MSPS Complete DDS Synthesizer AD9854 Data Sheet. 2002
3 Analog Devices Inc. RF PLL Frequency Synthesizers ADF41413 Data Sheet. 2003
4 Analog Devices Inc. ATechnical Tutorial on Digital Signal Synthesis. 1999
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7 Eric D. Adler, EdwardA. Viveiros, TuanTon. Direct Digital Synthesis Applications for Radar Developmen. IEEE International Radar Conference, 1995, pp. 224-226
8 Venceslav F. Kroupa. Spectral Properties of DDS: Computer Simulations and Experimental Verifications. IEEE International Frequency Control Symposium, 1994
9 Michael J. Flanagan and George A. Zimmerman. Spur-Reduced Digital SinusoidSynthesis. IEEETrans on Communications, Vol. 43. No. 7, 1995, pp. 2254-2262
10 Lawrence J. Kushner and Marcus T. Ainsworth. A Spurious Reduction Technique for High-Speed Direct Digital Synthesizers IEEE International Frequency Control Symposium, 1996, pp. 920-927
11 V. N. Kochemasov and A. N. Zharov. Narrow-Band Direct Digital Synthesizers. IEEE International Frequency Control Symposium, 1995, pp. 236-249
12 Richard Karlquist. A Narrow Band High-Resolution Synthesizer Using A Direct Digital Synthesizer Followed by Repeated Dividing and Mixing. IEEE International Frequency Control Symposium, 1995, pp. 217-235.
13 Richard K. Karlquist. A 3 to 30MHz High-Resolution Synthesizer Consisting of A DDS, Divide-And-Mix Modules, and A M/N Synthesizer. IEEE International Frequency Control Symposium, 1996, pp. 928-933
14 Garvey J. F., Bubitch D.. An Exact Analysis of a Number Controlled Oscillator Based Synthesizer. IEEE 44st Annual Frequency Control Symposium, 1990, pp. 511-521
15 Edward M. Mattison and Laurence M. Coyla. Phase Noise in Direct Digital Synthesizers. IEEE 42st Annual Frequency Control Symposium. 1988, pp. 352-256.
16 Venceslav F. Kroupa. Close to the Carrier Noise in DDS. IEEE International Frequency Control Symposium, 1996, pp. 934-941.
17 Motorola Semiconductor. Phase-Locked Loop Design fundatments. 1990
18 Ulrich L. Rohde. Synthesizer Design For Microwave Apllications. 1999
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24 V.F. Kroupa, J. Stursa, V. cizek and H, Svandova Direct Digital Frequency Synthesizers With The ∑-Δ Arrangement In the PLL Systems. IEEE Interational Frequency Control, 2001, pp799-805
25 白居宪．低噪声频率合成．第一版．西安交通大学出版社，1995年5月
26 张阙盛，邓继禹．锁相技术．第一版．西安电子科技大学出版社，1996
27 连汉雄．微波锁相原理及应用．第一版．人民邮电出版社，1982年3月
28 陈邦嫒．射频通讯电路．第一版．科学出版社，2002年
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42 李明斌．直接数字频率合成的原理及频谱特征分析．电讯技术，Vol．35，No．4，1995，pp．16-23．
43 顾宝良．一种双高速跳频频率合成器．电子技术，1996年6月
44 王化深，蒋焕文．直接数字频率合成器的噪声分析．北方交通大学学报，No．4，1987，pp．55—63．
45 施联玉，王俊，韦立华．用分布存储数字法生成函数信号的研究．电子测量与仪器学报，Vol．10，No．4，1996，pp．6-12．
46 王育红，张厥盛，樊昌信．相位累加器溢出脉冲的频谱分析．西安电子科技大学学报，Vol．23，No．3，1996，pp．303—309．
47 舒丹舟，卢建川．用DDS实现快速跳频频综．电讯技术，No．3，1995，pp．1—5．
48 雷春奇，赵之凡．基于DDS的AWG波形噪声分析及对称性设计．电子测量与仪器学报，Vol．12，No．3，1998，pp．28—31．
49 陶然．相位数字化原理及其应用．国外电子测量技术，No．5，1998，pp24-26．
50 林茂六，舒冬梅，高晓明．小数频率信号的合成算法及其数字频谱分析．电子测量与仪器学报，Vol．7，No．4，1993，pp．5—9．
51 朱世华，郭钧锋，闻生．可编程任意数字信号发生器一原理、误差及实现．电子学报，Vol．25，No．10，1997，pp．9—14．
52 王庆生．快速跳频频率合成器初探．通信对抗，No．3，1992，pp．33-38．
53 楮人乾，蒋兴才，廖湘平．运用多路DDS并行扩展输出带宽．电子技术应用，No．12，1997，pp．39-40．
54 孙隆庆．频谱分析与频谱测量．第一版．人民邮电出版社，1982年