魏德肖，陳 兵，鄒辰龍

一種基于PXIe架構(gòu)低雜散寬帶頻率源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏德肖，陳 兵，鄒辰龍

（重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司，重慶，400039）

針對(duì)傳統(tǒng)頻率源模塊帶寬窄、動(dòng)態(tài)小、體積大、缺乏靈活性和通用性等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連擴(kuò)展（Peripheral Component Interconnection Extensions for Instrumentation，PXIe）總線板卡架構(gòu)的低雜散寬帶頻率源。該頻率源利用鎖相環(huán)和幅頻調(diào)理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出頻段寬、輸出動(dòng)態(tài)大、輸出雜散低等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，該頻率源采用PXIe總線板卡技術(shù)，一方面提高了產(chǎn)品的兼容性和擴(kuò)展性，另一方面克服了傳統(tǒng)產(chǎn)品體積龐大和通用性差等缺點(diǎn)。最終通過產(chǎn)品的調(diào)試與測(cè)試，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求，且該頻率源產(chǎn)品已成功應(yīng)用在國家科技部某重大科研專項(xiàng)中。

頻率源；寬頻段；低雜散；PXIe

0 引 言

頻率源作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的一項(xiàng)重點(diǎn)研究課題，其重要性不言而喻，主要運(yùn)用在微波通信、衛(wèi)星定位、雷達(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗、空間電子設(shè)備等方面[1,2]。頻率源產(chǎn)品性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)至關(guān)重要，在通信系統(tǒng)中，低雜散的頻率源不僅可以有效地提高系統(tǒng)信噪比進(jìn)而降低系統(tǒng)誤碼率，還可以改善系統(tǒng)靈敏度、提高系統(tǒng)可靠性；在雷達(dá)系統(tǒng)中，頻率源的低噪聲性能可以很好地保證系統(tǒng)探測(cè)精度和準(zhǔn)確度；在電子對(duì)抗領(lǐng)域中，快切換和低雜散的頻率源可以提升電子對(duì)抗系統(tǒng)的響應(yīng)速率和線性度，避免通道阻塞[3]。目前常用的頻率合成技術(shù)主要有3類：直接頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)[4]。本文針對(duì)傳統(tǒng)頻率源模塊帶寬窄、動(dòng)態(tài)小、體積大、缺乏靈活性和通用性等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種單槽位、3U的面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連擴(kuò)展（Peripheral Component Interconnection Extensions for Instrumentation，PXIe）總線板卡架構(gòu)的低雜散寬帶頻率源，且該頻率源產(chǎn)品已成功應(yīng)用在國家科技部某重大科研專項(xiàng)中。

1 功能需求及指標(biāo)要求

1.1 功能需求

根據(jù)任務(wù)需求，單槽位、3U的PXIe總線板卡架構(gòu)的頻率源實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

a）輸出兩路特定頻段的寬帶可調(diào)本振信號(hào)；

b）輸出一路特定頻點(diǎn)的固定本振信號(hào)；

c）產(chǎn)生校準(zhǔn)源信號(hào)。

1.2 指標(biāo)要求

根據(jù)任務(wù)需求，單槽位、3U的PXIe總線板卡架構(gòu)的頻率源的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 頻率源技術(shù)指標(biāo)

Tab.1 Frequency Source Technical Index

序號(hào)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)值備注 1輸出第一本振頻率/GHz1~6可調(diào)本振 2輸出第二本振頻率/MHz4800固定本振 3輸出第三本振頻率/GHz4~10可調(diào)本振 4輸出本振功率/dBm≥13— 5雜散抑制/dB≥70— 6輸出動(dòng)態(tài)/dB≥35— 7參考輸入頻率/MHz100— 8參考輸入功率/dBm≥10— 9校準(zhǔn)輸出頻率/MHz100/4800— 10相位噪聲/(dBc·Hz-1)≤-80(10Hz)；≤-90(100Hz)；≤-100(1KHz)；≤-105(10KHz)；≤-110(100KHz)；≤-120(1MHz)；測(cè)試頻率1GHz

注：mW=10lg(mW/1mW）dBm；(-)dB=dBm-dBm

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

按照上文所給出的功能需求和表1所要求的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行符合需求的頻率源電路設(shè)計(jì)，如圖1所示。電路設(shè)計(jì)包括：數(shù)字電源板電路設(shè)計(jì)和射頻板電路設(shè)計(jì)。數(shù)字電源板主要包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）部分和電源轉(zhuǎn)化部分，數(shù)字電源板與PXIe總線相連，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻電路板的控制、供電及與PXIe總線通信；射頻電路板主要實(shí)現(xiàn)變頻過程中所需的高質(zhì)量本振信號(hào)的生成。外部的100 MHz輸入?yún)⒖夹盘?hào)經(jīng)功分器功分兩路，其中一路直接送于鎖相環(huán)電路1作為參考頻率進(jìn)行頻率鎖定，鎖相環(huán)電路1的頻率鎖定控制字由FPGA完成配置，F(xiàn)PGA受PXIe總線控制，鎖相環(huán)電路1完成頻率鎖定后，將鎖定的頻率經(jīng)切換開關(guān)、帶通濾波器組、切換開關(guān)、放大器等器件后輸出作為第一掃頻本振LO1或者第三掃頻本振LO3（掃頻本振LO1和掃頻本振LO3屬分時(shí)工作）；另一路100 MHz參考信號(hào)經(jīng)耦合器，其中直通通路直接送于鎖相環(huán)電路2作為參考頻率進(jìn)行頻率鎖定，鎖相環(huán)電路2的頻率鎖定控制字由FPGA完成配置，F(xiàn)PGA同樣受PXIe總線控制，鎖相環(huán)電路2頻率鎖定后再經(jīng)濾波、功分、放大后輸出作為固定本振LO2。

圖1 頻率源電路設(shè)計(jì)

頻率源內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)校準(zhǔn)信號(hào)源，該校準(zhǔn)源主要由切換開關(guān)、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒ariable Gain Amplifier，VGA）和濾波器組成，完成對(duì)100 MHz和4800 MHz兩個(gè)單音校準(zhǔn)信號(hào)切換輸出，再配之以軟件算法和制表查表的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)幅度特性和頻率特性的校準(zhǔn)?？紤]到產(chǎn)品功耗和電磁兼容等因素，該校準(zhǔn)源可獨(dú)立控制通、斷電。

頻率源的通道選擇和配置指令均由上位機(jī)下發(fā)至PXIe總線，再由PXIe總線傳輸至頻率源模塊的數(shù)字電源板進(jìn)行本地FPGA解析，解析完成后，通過板對(duì)板連接器完成對(duì)整個(gè)頻率源通道的切換選擇和鎖相環(huán)及幅頻調(diào)理的配置，軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 頻率源軟件設(shè)計(jì)流程

3 仿真論證

基于圖1所給出的頻率源電路設(shè)計(jì)框圖并結(jié)合具體的元器件選型，利用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）射頻仿真軟件，搭建仿真電路，仿真頻率源的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性和技術(shù)指標(biāo)的可達(dá)性。

利用ADS射頻仿真軟件，搭建如圖3所示的頻率源仿真電路，仿真頻率源的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，該仿真電路中采用衰減器模擬功分器和部分切換開關(guān)的無源插損。設(shè)定鎖相環(huán)電路1的輸出功率為2 dBm的條件下，仿真了頻率源在放大通道打開的情況下，第1掃頻本振LO1的輸出功率（飽和狀態(tài)）和對(duì)應(yīng)的通道增益，仿真結(jié)果示意分別如圖4和圖5所示。

圖3 頻率源LO1通道仿真電路示意

圖4 頻率源LO1通道輸出功率仿真結(jié)果

圖5 頻率源LO1通道增益仿真結(jié)果

利用仿真軟件完成對(duì)鎖相環(huán)電路1在輸出頻率 1 GHz處相位噪聲的仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 鎖相環(huán)電路1相位噪聲仿真結(jié)果

圖4和圖5的仿真結(jié)果表明，頻率源在設(shè)定鎖相環(huán)電路1的輸出功率和放大通道打開的條件下，第一本振LO1的輸出功率滿足表1的指標(biāo)要求；圖6的仿真結(jié)果表明，頻率源的第一本振LO1輸出頻率1 GHz的相位噪聲滿足表1的指標(biāo)要求?？梢?，仿真結(jié)果均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4 測(cè)試結(jié)果

按照上文給出的設(shè)計(jì)方法，研制了一種單槽位、3U的PXIe總線板卡架構(gòu)的低雜散寬帶頻率源，產(chǎn)品實(shí)物如圖7所示。經(jīng)反復(fù)調(diào)試和測(cè)試，最終該頻率源的各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均滿足指標(biāo)要求，測(cè)試結(jié)果如圖8~12所示。

圖7 PXIe架構(gòu)頻率源產(chǎn)品實(shí)物

4.1 輸出頻率測(cè)試

本次設(shè)計(jì)的頻率源頻率范圍覆蓋1~10 GHz，由于頻段范圍較寬，因此在輸出頻率測(cè)試中，分別選取輸出頻率為1 GHz、4.8 GHz、7 GHz和10 GHz共4個(gè)典型頻點(diǎn)進(jìn)行輸出頻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 4個(gè)頻點(diǎn)輸出測(cè)試結(jié)果

續(xù)圖8

從圖8的測(cè)試結(jié)果看，頻率源輸出的信號(hào)頻率分別為1 GHz、4.8 GHz、7 GHz和10 GHz，輸出頻點(diǎn)準(zhǔn)確無誤，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

4.2 輸出雜散測(cè)試

采用頻譜儀對(duì)輸出頻率的雜散進(jìn)行測(cè)試，由于頻段范圍較寬，因此在輸出雜散測(cè)試中，分別選取了輸出頻率為4 GHz和5 GHz的2個(gè)典型頻點(diǎn)進(jìn)行輸出雜散測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 2個(gè)頻點(diǎn)的輸出雜散測(cè)試結(jié)果

從圖9的測(cè)試結(jié)果看，頻率源輸出頻譜干凈，雜散抑制大于70 dB，輸出雜散滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

4.3 輸出功率動(dòng)態(tài)測(cè)試

通過對(duì)頻率源后端通道的選擇和VGA的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)頻率源輸出功率的大動(dòng)態(tài)。采用頻譜儀以輸出頻率4.8 GHz的信號(hào)為例，進(jìn)行輸出功率動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 4.8GHz輸出功率動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

從圖10的測(cè)試結(jié)果看，4.8 GHz低增益輸出時(shí)，輸出功率為-21.95 dBm；4.8 GHz高增益輸出時(shí)，輸出功率為17.05 dBm。輸出功率動(dòng)態(tài)為39 dB，輸出功率動(dòng)態(tài)滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

4.4 相位噪聲測(cè)試

通過反復(fù)調(diào)試測(cè)試，最終選定性能最佳的環(huán)路參數(shù)。采用相噪儀進(jìn)行相位噪聲的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如 圖11所示。從圖11的測(cè)試結(jié)果看，載波頻率1 GHz的相位噪聲為：頻率10 Hz時(shí)-90.4 dB/Hz，頻率100 Hz時(shí)-101.7 dB/Hz，頻率為1 kHz時(shí)-106.8 dB/Hz，頻率10 kHz時(shí)-132.8 dB/Hz，頻率100 kHz時(shí)-136.9 dB/Hz，頻率1 MHz時(shí)-150.5 dB/Hz?？梢姡l率源的相位噪聲滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

圖11 相位噪聲測(cè)試結(jié)果

4.5 校準(zhǔn)源輸出頻率測(cè)試

校準(zhǔn)源產(chǎn)生100 MHz和4800 MHz兩個(gè)單音點(diǎn)頻校準(zhǔn)信號(hào)，采用頻譜儀對(duì)校準(zhǔn)源輸出的兩個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)進(jìn)行輸出頻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 校準(zhǔn)源輸出測(cè)試結(jié)果

由圖12可知，校準(zhǔn)源輸出的校準(zhǔn)信號(hào)頻率分別為100 MHz和4800 MHz，輸出頻點(diǎn)準(zhǔn)確無誤，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

頻率源是電子系統(tǒng)的核心部件[5]，傳統(tǒng)的頻率源模塊輸出帶寬窄、輸出動(dòng)態(tài)小、體積偏大且多為定制性的專用產(chǎn)品，缺乏通用性和擴(kuò)展性。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種單槽位、3U的PXIe總線板卡架構(gòu)的低雜散寬帶頻率源，該頻率源實(shí)現(xiàn)了輸出頻段寬、輸出動(dòng)態(tài)大、輸出雜散低等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，該頻率源采用PXIe總線板卡技術(shù)，一方面提高了產(chǎn)品的兼容性和擴(kuò)展性，另一方面克服了傳統(tǒng)產(chǎn)品體積龐大和通用性差等缺點(diǎn)。最終通過產(chǎn)品的調(diào)試與測(cè)試，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足預(yù)期指標(biāo)要求，且該頻率源產(chǎn)品已成功應(yīng)用在國家科技部某重大科研專項(xiàng)中。

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Hou Xingjiang. Research and design of fractional frequency synthesizer in 24GHz FMCW radar transceiver[D]. Shanghai: Fudan University, 2014.

Design and Implementation of Low Spurious Broadband Frequency Source Based on PXIe Architecture

Wei De-xiao, Chen Bing, Zou Chen-long

(Chongqing Aerospece Launch Vehide Electronic Technology Co.,LTD, Chongqing, 400039)

Aiming at the shortcomings of traditional frequency source modules such as narrow bandwidth, small dynamics, large volume, lack of flexibility and versatility, a low spurious broadband frequency source is designed and implemented based on the PXIe bus board architecture. The frequency source uses phase-locked loops and amplitude-frequency conditioning technologies to achieve the advantages of wide output frequency bands, large output dynamics and low output spurs. At the same time, the frequency source uses PXIe bus board technology. On the one hand, it improves the compatibility and expandability of products. On the other hand, it overcomes the disadvantages of traditional products such as huge volume and poor universality. Finally, the product passes debugging and testing to meet the expected design requirements, and the frequency source product has been successfully applied in a major scientific research project of the Ministry of Science and Technology.

frequency source; wide band; low spurious; peripheral component interconnection extensions for instrumentation

1004-7182(2020)03-0111-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20200321

V443+.1

A

魏德肖（1989-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞娐?、TR組件和相控陣前端技術(shù)等。

陳 兵（1981-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控總體技術(shù)。

鄒辰龍（1973-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控總體技術(shù)。

2020-04-13；

2020-04-26