中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 郭亞楠 杜會文 閆亞力

?

基于取樣環(huán)的任意中頻輸出裝置設(shè)計(jì)

中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 郭亞楠 杜會文 閆亞力

【摘要】設(shè)計(jì)了一種在接收變頻系統(tǒng)中產(chǎn)生任意中頻輸出的裝置，輸出中頻頻率范圍10MHz～160MHz，頻率步進(jìn)1Hz，并且輸出中頻功率提供4檔進(jìn)行選擇，分別為-10dBm、-5dBm、0dBm和5dBm。將該裝置應(yīng)用到某信號分析儀中，10kHz頻偏處的相位噪聲可達(dá)-120dBc/Hz。本裝置實(shí)現(xiàn)了微波毫米波接收變頻系統(tǒng)的任意中頻輸出，為后續(xù)信號的分析處理提供了更大的靈活性。

【關(guān)鍵詞】任意中頻；取樣環(huán)；相位噪聲

0　引言

在接收變頻系統(tǒng)中，將射頻/微波信號變換到中頻信號再進(jìn)行分析處理時(shí)，通常中頻是固定的。比較常用的中頻信號有10.7MHz、21.4MHz、70MHz、140MHz、160MHz等[1-3]。但是隨著數(shù)字集成電路技術(shù)及軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，越來越多的場合要求接收變頻系統(tǒng)輸出的中頻頻率可變，以滿足后端不同頻率調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置的輸入要求[4]。根據(jù)這些需求，本文提出了一種可產(chǎn)生10MHz～160MHz范圍內(nèi)任意中頻輸出的裝置，極大地滿足了實(shí)際應(yīng)用的需要。

1　接收變頻系統(tǒng)介紹

微波毫米波接收變頻系統(tǒng)通常采用多級變頻裝置將射頻輸入信號變換為頻率較低的中頻信號[5]，例如采用2級變頻的接收分析系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示，變頻調(diào)諧關(guān)系為：

圖1　接收變頻系統(tǒng)

為了保證接收通路噪聲系數(shù)、帶外抑制等指標(biāo)以及設(shè)計(jì)電路方便等因素，通常選取固定值，而隨著變化而改變。例如對于輸出中頻為75MHz的接收變頻系統(tǒng)，通常選取375MHz，選取300MHz；對于輸出中頻為21.4MHz的接收變頻系統(tǒng)，通常選取321.4MHz，選取300MHz[6]。

2　方案的實(shí)現(xiàn)

2.1方案設(shè)計(jì)

固定中頻輸出的接收變頻系統(tǒng)雖然電路設(shè)計(jì)簡單，但其缺乏靈活性，不能很好地適應(yīng)后端調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置對不同中頻頻率輸入的要求，在使用過程中具有較大局限性。因此，如何獲得可變的中頻輸出信號，來滿足不同情況下的輸入要求，成為了工程師亟待解決的問題。本文設(shè)計(jì)了一種中頻頻率在10MHz～160MHz范圍內(nèi)任意可變的中頻輸出裝置，其原理框圖如圖2所示，在設(shè)計(jì)的任意中頻輸出裝置中，第一本振電路、第一變頻器、第一中頻放大器及第一中頻濾波器與圖1所示接收變頻系統(tǒng)并無區(qū)別，因此在圖2中并未給出，為了得到任意可變的中頻信號，將圖1中原固定不變的第二本振電路設(shè)計(jì)為一個寬頻率范圍的、頻率連續(xù)可變的（頻率步進(jìn)量可設(shè)置，最小可設(shè)1Hz）的電路，其原理框圖由圖2中單刀雙擲開關(guān)7和10、帶通濾波器9和12、二分頻器8、三分頻器11以及取樣環(huán)（PLL）6組成。其中PLL原理框圖如圖3所示[7-10]，750MHz的信號作為環(huán)路參考信號，而取樣環(huán)振蕩器（VCO）輸出的是600MHz～900MHz的信號，其鎖相反饋采用混頻方式實(shí)現(xiàn)，即與750MHz的參考頻率混頻，從而得到12MHz～150MHz的中頻信號，另一路750MHz經(jīng)分頻后也產(chǎn)生12MHz～150MHz的信號，這兩路信號鑒相后輸出的信號經(jīng)過積分濾波后得到的誤差電壓用來調(diào)整振蕩器的諧振頻率并使之鎖定在指定的頻率上。

圖2　變頻接收系統(tǒng)中任意中頻輸出原理框圖

圖3　取樣環(huán)原理框圖

取樣環(huán)VCO的振蕩公式為：

式中，M取值范圍是-51～+52之間的整數(shù)。M的正負(fù)號的物理意義是：M取正，＞750MHz；M取負(fù)，＜750MHz。

這樣通過對開關(guān)的控制，就可以得到頻率范圍覆蓋10MHz～160MHz的任意中頻信號，該信號經(jīng)濾波放大處理后，就可以作為后端調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置的輸入使用。

該任意中頻輸出裝置對信號功率是零入零出的，即通過適當(dāng)?shù)姆糯髞硌a(bǔ)償通路中的差損，信號經(jīng)該裝置進(jìn)行變頻處理時(shí)，幅度保持不變。然而，在某些應(yīng)用場合，射頻輸入信號幅度很小，受處理能力的限制，待處理的中頻信號幅度不能太小，因此，設(shè)計(jì)了自動增益控制電路，提供了4檔分別為-10dBm、-5dBm、0dBm和5dBm的輸出幅度可供選擇。

2.2關(guān)鍵電路實(shí)現(xiàn)

任意中頻輸出裝置的核心部件是可以產(chǎn)生600MHz～900MHz可變信號的壓控振蕩器，其電路原理圖如圖4所示，由電感L1～L4，電容C1～C7，變?nèi)荻O管V1～V9等組成。

圖4　壓控振蕩器原理圖

調(diào)諧電壓范圍2.5～21.5V，電壓與頻率的對應(yīng)關(guān)系如下表所示。

表1　取樣環(huán)VCO調(diào)諧電壓與頻率對應(yīng)關(guān)系

為實(shí)現(xiàn)任意中頻輸出裝置自動增益控制的功能，選用了中電13所的自動增益控制模塊JGF051C，通過外接2kΩ、1kΩ、680Ω、510Ω的電阻，就可實(shí)現(xiàn)輸出幅度分別為5dBm、0dBm、-5dBm和-10dBm的自動增益控制的功能。

3　指標(biāo)測試

將任意中頻輸出裝置應(yīng)用到某型號信號分析儀中，輸出的中頻信號具有較好的相噪指標(biāo)。圖5為M=-51時(shí)取樣環(huán)的輸出信號，由式（3）計(jì)算可得此時(shí)取樣環(huán)輸出信號FS≈600.6MHz，使用信號分析儀AV4051測得其頻偏10kHz時(shí)的相位噪聲為-128dBc/Hz。

圖5　M=-51時(shí)取樣環(huán)輸出信號

圖6　75MHz中頻信號

4　結(jié)束語

隨著數(shù)字集成電路技術(shù)及軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的接收變頻系統(tǒng)中固定的中頻信號輸出已不能滿足后端調(diào)制解調(diào)器等接收分析裝置對不同中頻頻率輸入的需求。針對上述問題，基于取樣環(huán)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種在接收變頻系統(tǒng)中可產(chǎn)生任意中頻輸出的裝置，該裝置已應(yīng)用到某型號信號分析儀中，輸出的中頻信號頻率范圍為10MHz～160MHz，并具有較好的相噪指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉柱,文繼國.無線發(fā)射系統(tǒng)的射頻前端設(shè)計(jì)[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào),2012,21(3):44-46.

[2]劉文龍,孫仁琦.應(yīng)用于數(shù)字/模擬微波系統(tǒng)的70MHz中頻自適應(yīng)均衡器[J].南京郵電學(xué)院學(xué)報(bào),1990,10(3):5-12.

[3]張照林,孫仁琦.140Mb/s16-QAM傳輸系統(tǒng)中140MHz中頻限帶濾波系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)[J].南京郵電學(xué)院學(xué)報(bào),1989,9(1):38-44.

[4]鄭劍泉.基于軟件無線電中頻信號的數(shù)字化接收解調(diào)研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(4):333-335.

[5]羅德與施瓦茨公司.頻譜分析原理[M].羅德與施瓦茨公司出版,1999.

[6][美]羅伯特·A·威特.頻譜與網(wǎng)絡(luò)測量[M].李景威,張倫,譯.上海:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1997.

[7]王家禮,孫璐.頻率合成技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[8]閆亞力.一種多環(huán)路寬帶微波頻率合成器設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù),2015,33(5):48-51.

[9]李柏林.基于ADF4002的低相噪取樣本振設(shè)計(jì)[J].研究與開發(fā),2012,31(6):51-54.

[10]范吉偉.基于諧波混頻的高性能頻率合成器[J].科技視界,2012,32: 121-122.

郭亞楠，男，碩士，助理工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ê撩撞ㄐ盘柗治鲱悆x器的研究與開發(fā)。

杜會文，男，研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲⒉ê撩撞娮訙y量類儀器的研究。

Design of device for generating arbitrary intermediate frequency output based on phase locked loop

GUO Yanan DU Huiwen YAN Yali
（The 41st Research Institute of CETC，Qingdao 266555，China）

Abstract：In this paper，we design a device which can generate arbitrary intermediate frequency output in the receiving and frequency conversion system，the output frequency range from 10MHz to 160MHz，the frequency step is 1Hz，also，the power of output IF provide four modes for selection，which is -10dBm、-5dBm、0dBm、5dBm，respectively.The device is applied to a signal analyzer，and the phase noise at frequency offset 10kHz is up to 120dBc/Hz.The device realizes the arbitrary IF output in the microwave and millimeter wave receiving and frequency conversion system，and provides greater flexibility for the analysis and processing of the following signals.

Keywords：arbitrary intermediate frequency；phase locked loop(PLL)；phase noise

作者簡介：