摘 "要： 基于快速連續(xù)跳頻和超寬帶射頻收發(fā)電路的應(yīng)用，設(shè)計了一種快速連續(xù)跳頻的超寬帶多功能頻綜模塊，可實現(xiàn)0.1～9.8 GHz工作頻段的快速連續(xù)或非連續(xù)跳頻功能，以及FDD、TDD收發(fā)電路中上下變頻的處理。采用“乒乓”鎖相環(huán)（PLL）作為整體架構(gòu)，結(jié)合多路復(fù)用開關(guān)（MUX）實現(xiàn)快速跳頻功能，并產(chǎn)生收發(fā)電路所需的本振信號。最終實現(xiàn)適用于通信、雷達無線電跳頻、軟件無線電、干擾抗擾等相關(guān)領(lǐng)域的頻綜模塊。結(jié)果表明，6 GHz相位噪聲不大于-110 dBc/Hz@100 kHz，快速連續(xù)跳頻可達至少30 000跳/s，具有優(yōu)良的時鐘性能。

關(guān)鍵詞： 快速連續(xù)跳頻； 超寬帶； 收發(fā)電路模塊； “乒乓”鎖相環(huán)； 頻率綜合器； 相位噪聲； 本振信號

中圖分類號： TN74?34 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）18?0065?05

Design of ultra?wideband multifunctional frequency synthesizer module with

fast and continuous frequency hopping

HU Jinhan， CHEN Wentao

（The 58th Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Wuxi 214072， China）

Abstract： Based on the application of fast continuous frequency hopping and ultra?wideband RF transceiver circuits， a ultra?wideband multifunctional frequency synthesizer module with fast and continuous frequency hopping is designed， which can realize the fast continuous or discontinuous frequency hopping functions in the working frequency range from 0.1 GHz to 9.8 GHz， as well as up and down frequency conversion processing in FDD and TDD transceiver circuits. The \"ping?pong\" phase?locked loop （PLL） is used as the overall structure of the system， which is combined with the multiplexer （MUX） to realize fast frequency hopping function and generate the local oscillator signal required for the transceiver circuit. The frequency synthesizer module suitable for communication， radar radio frequency hopping， software radio， interference immunity and other related fields is realized. The testing results indicate that the phase noise at 6 GHz is not greater than -110 dBc/Hz@100 kHz， and the fast continuous frequency hopping can reach at least 30 000 hops/s， with excellent clock performance.

Keywords： fast and continuous frequency hopping; ultra?wideband; transceiver circuit module; \"ping?pong\" phase?locked loop; frequency synthesizer; phase noise; local oscillator signal

0 "引 "言

隨著現(xiàn)代軍事、國防及無線通信事業(yè)的發(fā)展，在21世紀(jì)的今天，雷達、制導(dǎo)武器、移動通信和電子對抗等電子系統(tǒng)對頻率綜合器提出了越來越高的要求[1?3]。在未來的高科技戰(zhàn)爭中，通信裝備將處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，沒有抗干擾能力或抗干擾能力弱的裝備將不可能保障通信的正常進行。為此，世界各國都非常重視頻率綜合器的研究與應(yīng)用，低相位噪聲、高速捷變、高頻段和大帶寬的頻率綜合器已經(jīng)成為頻率合成發(fā)展的主要趨勢[4?7]。

實現(xiàn)跳頻的方式多種多樣，DDS技術(shù)方式切換速度快[8?10]，但帶寬窄、雜散較差。PLL技術(shù)方式具有帶寬寬、雜散低、頻段高等優(yōu)點，但鎖定時間相對較慢[11?14]。DDS+PLL技術(shù)的方式在一定程度上能綜合DDS和PLL的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且成本較高[15]。

綜合各方面因素考慮，本文設(shè)計了一款基于“乒乓”結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)的快速跳頻頻綜模塊。相對于傳統(tǒng)的單鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，該模塊采用兩個鎖相環(huán)“乒乓”切換的方式，可以實現(xiàn)連續(xù)跳頻功能的同時，又能大大縮短頻率切換時間。該頻綜模塊在0.1～9.8 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，既可以實現(xiàn)30 000跳/s的快速跳頻功能，又可以給FDD和TDD雙發(fā)雙收（2T2R）通信系統(tǒng)提供本振信號，滿足無線通信的多場景應(yīng)用需求。

1 "模塊介紹

本文設(shè)計一款基于“乒乓”鎖相環(huán)的超寬帶快速跳頻頻綜模塊，圖1為頻綜模塊的系統(tǒng)測試原理框圖。圖中黑粗實線框內(nèi)為該頻綜模塊電路。該模塊由2顆鎖相環(huán)芯片、1個多路復(fù)用射頻開關(guān)芯片和各芯片之間的級聯(lián)電路組成。兩個鎖相環(huán)芯片各有兩路信號輸出，其中一路直接從模塊輸出，如圖1中的RF_OUT1和RF_OUT4端口。多路復(fù)用射頻開關(guān)是一個兩進三出的射頻開關(guān)，兩個鎖相環(huán)的另一路輸出進入多路復(fù)用射頻開關(guān)，分成三路后從模組輸出，如圖1中的FH_OUT、RF_OUT2和RF_OUT3端口。

通過設(shè)計屏蔽框?qū)⒏鱾€芯片獨立分布在各自腔體內(nèi)，最大程度地增加器件之間的相互干擾。圖中的黑粗實線即為屏蔽結(jié)構(gòu)。兩個鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器均設(shè)計在整個模塊外部，便于后續(xù)用戶根據(jù)不同場景修改不同的環(huán)路帶寬，設(shè)計更加靈活。模塊外部連接FPGA，通過SPI配置兩個鎖相環(huán)的寄存器，用于修改鎖相環(huán)的輸出頻率，同時也連接多路復(fù)用開關(guān)的控制管腳，控制開關(guān)的通斷狀態(tài)，如圖1中的VCTL0/1端口。鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖紩r鐘由外部信號源提供，模塊的輸出信號接頻譜儀或者信號源分析儀進行測試。

2 "模塊功能介紹

2.1 "快速連續(xù)跳頻

快速連續(xù)跳頻模塊可在0.1～9.8 GHz的超寬帶頻率范圍內(nèi)，實現(xiàn)快速連續(xù)跳頻的功能。其采用兩個鎖相環(huán)（PLL）和單刀雙擲射頻開關(guān)組合的“乒乓”工作原理。鎖相環(huán)的輸出頻率通過FPGA修改寄存器改變，多路復(fù)用開關(guān)的切換通過FPGA控制開關(guān)的控制位（VCTL0/1）實現(xiàn)。當(dāng)VCTL0和VCTL1為高電平時，開關(guān)IN1口和OT2口、IN2和OT3處于連通狀態(tài)。當(dāng)VCTL0和VCTL1為低電平時，開關(guān)IN1口和OT1口、IN2和OT2處于連通狀態(tài)。當(dāng)VCTL0為低電平、VCTL1為高電平時，開關(guān)IN1口和OT1口、IN2和OT3處于連通狀態(tài)。開關(guān)切換的真值表如表1所示。

當(dāng)鎖相環(huán)①鎖定后，控制開關(guān)VCTL0和VCTL1為高電平，工作頻點1從鎖相環(huán)①的2口經(jīng)由開關(guān)IN1至OT2后，從模組的跳頻輸出口（FH_OUT）輸出。而當(dāng)鎖相環(huán)①工作在當(dāng)前頻點1時，鎖相環(huán)②通過寄存器配置鎖定到下一工作頻點2，再通過控制開關(guān)VCTL0和VCTL1為低電平，此時工作頻點2從鎖相環(huán)②的1口經(jīng)由開關(guān)IN2至OT2后，從模組的跳頻輸出口（FH_OUT）輸出。

表1 "多路復(fù)用開關(guān)真值表

[控制輸入 開關(guān)通道狀態(tài) VCTL0 VCTL1 高電平 高電平 IN1和OT2、IN2和OT3連通 低電平 低電平 IN1和OT1、IN2和OT2連通 低電平 高電平 IN1和OT1、IN2和OT3連通 ]

當(dāng)鎖相環(huán)②工作在當(dāng)前頻點2時，鎖相環(huán)①再通過寄存器配置鎖定到下一工作頻點3，再次通過控制開關(guān)VCTL0和VCTL1為高電平，工作頻點3又從鎖相環(huán)①的2口經(jīng)由開關(guān)IN1至OT2后，從模組的跳頻輸出口（FH_OUT）輸出。

以此類推，通過不斷配置鎖相環(huán)的寄存器和射頻開關(guān)通斷，在兩個鎖相環(huán)之間“乒乓”切換輸出信號，從而實現(xiàn)快速連續(xù)跳頻的功能，實現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2中黑實線標(biāo)注出的路徑為當(dāng)前頻點信號的路徑。

單次跳頻用一個鎖相環(huán)即可實現(xiàn)，但連續(xù)快速跳頻功能無法用一個鎖相環(huán)實現(xiàn)，因為一個鎖相環(huán)在配置寄存器變換輸出頻率時，必然存在輸出信號不連續(xù)的現(xiàn)象，此時就需用到文中“乒乓”鎖相環(huán)的形式來實現(xiàn)?！捌古摇辨i相環(huán)的形式可節(jié)省一次SPI寄存器配置和頻率鎖定的時間，用射頻開關(guān)進行切換頻率，射頻開關(guān)的切換速度為10 ns，相比于SPI配置寄存器和環(huán)路鎖定的時間30 μs而言可忽略不計。而且“乒乓”鎖相環(huán)的形式不會出現(xiàn)輸出頻率不連續(xù)的情況，當(dāng)一個鎖相環(huán)工作在當(dāng)前頻點時，另一個鎖相環(huán)已經(jīng)配置完成并鎖定在下一頻點，只需切換射頻開關(guān)即可。綜上，“乒乓”鎖相環(huán)頻率連續(xù)切換的速度取決于一個鎖相環(huán)的頻率配置鎖定時間，通過設(shè)計合適的鑒相頻率和環(huán)路帶寬，此款鎖相環(huán)鎖定時間可達30 μs以內(nèi)。所以，此模塊可實現(xiàn)30 000跳/s的快速連續(xù)跳頻功能。

2.2 "FDD系統(tǒng)提供本振信號

FDD多功能頻綜模塊不僅可以實現(xiàn)快速連續(xù)跳頻的功能，還能為2T2R FDD通信系統(tǒng)提供上下變頻所需的本振信號。系統(tǒng)連接方式如圖3所示。圖中黑實線標(biāo)注出的路徑為當(dāng)前信號的路徑。

利用FPGA配置兩個鎖相環(huán)的寄存器，輸出收發(fā)通路所需的本振頻率，2個鎖相環(huán)的4條通路同時工作，再控制開關(guān)的VCTL0為低電平、VCTL2為高電平，讓信號從模塊的RF_OUT1、RF_OUT2、RF_OUT3和RF_OUT4口同時輸出。由于1個鎖相環(huán)的2條通路只能輸出相同頻率信號，F(xiàn)DD通信系統(tǒng)發(fā)射通路和接收通路的工作頻段不同，所以針對2T2R FDD通信系統(tǒng)鏈路的連接關(guān)系如圖3所示。

模塊RF_OUT1口為FDD收發(fā)通路1中的發(fā)射通路提供本振信號fF1，RF_OUT2口為FDD收發(fā)通路2中的發(fā)射通路提供本振信號fF1，而模塊RF_OUT3口為FDD收發(fā)通路1中的接收通路提供本振信號fF2，模塊RF_OUT4口為FDD收發(fā)通路2中的接收通路提供本振信號fF2。這樣即可實現(xiàn)為2T2R FDD通信收發(fā)系統(tǒng)同時提供4路本振信號的功能。

2.3 "TDD系統(tǒng)提供本振信號

TDD多功能頻綜模塊還能為2T2R TDD通信系統(tǒng)提供上下變頻所需的本振信號。模塊中的開關(guān)狀態(tài)和FDD應(yīng)用時狀態(tài)一致，但TDD通信系統(tǒng)發(fā)射通路和接收通路的工作頻段相同。所以針對2T2R TDD通信系統(tǒng)鏈路的連接關(guān)系如圖4所示。圖中黑實線標(biāo)注出的路徑為當(dāng)前信號的路徑。

模塊RF_OUT1口為TDD收發(fā)通路1中的發(fā)射通路提供本振信號fT1，RF_OUT2口為TDD收發(fā)通路1中的接收通路提供本振信號fT1，而模塊RF_OUT3口為TDD收發(fā)通路2中的發(fā)射通路提供本振信號fT2，模塊RF_OUT4口為TDD收發(fā)通路2中的接收通路提供本振信號fT2。這樣就可以實現(xiàn)為2T2R TDD通信收發(fā)系統(tǒng)同時提供4路本振信號的功能。

3 "實測結(jié)果分析

快速連續(xù)跳頻的超寬帶多功能頻綜模塊整體尺寸為35 mm×35 mm，頻綜模塊實物圖如圖5所示。從圖中可以看出，模塊尺寸和1元硬幣的尺寸大小相當(dāng)。

按照圖1搭建測試環(huán)境。采用直流穩(wěn)壓源為整個模塊供電，使用FPGA控制模塊的鎖相環(huán)和開關(guān)，針對不同應(yīng)用場景配置適合的寄存器，進一步測試。

3.1 "相位噪聲測試

對于一個頻綜模塊而言，最重要的指標(biāo)莫過于相位噪聲，首先針對模塊的相位噪聲進行測試分析。采用信號源給兩個鎖相環(huán)提供參考頻率，使用頻譜儀的相噪功能分別測試模塊RF_OUT1、RF_OUT2、RF_OUT3、RF_OUT4和FH_OUT這5個輸出口的相位噪聲。由于此頻綜模塊的工作頻段較寬，故選取其中一個頻點，以輸出6 000 MHz的信號為例進行測試，并將測試數(shù)據(jù)和器件規(guī)格書進行對比，結(jié)果如表2所示。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，頻綜模塊的各輸出口相位噪聲指標(biāo)一致性較好，與鎖相環(huán)規(guī)格書中的相位噪聲指標(biāo)也保持高度一致，最大誤差不超過2.6%，保證了頻綜模塊良好的輸出特性指標(biāo)。

3.2 "跳頻時間測試

快速跳頻的關(guān)鍵指標(biāo)是跳頻切換時間，這個指標(biāo)決定著模塊整體的跳頻速率。此模塊的跳頻時間主要由鎖相環(huán)配置鎖定時間和射頻開關(guān)切換時間兩部分組成。射頻開關(guān)切換時間很短，只用10 ns左右即可完成切換。故模塊的跳頻時間主要是由鎖相環(huán)的配置鎖定時間決定的。

采用信號源為這兩個鎖相環(huán)提供參考頻率，使用信號源分析儀測試模塊FH_OUT輸出口頻率的變化直至?xí)r間穩(wěn)定。選取測試頻率從4 GHz變化到7 GHz所用的時間，鎖相環(huán)①開始工作在4 GHz并在FH_OUT輸出口測到穩(wěn)定輸出信號，從鎖相環(huán)②配置7 GHz寄存器開始計時，直到在FH_OUT輸出口測到穩(wěn)定輸出的7 GHz信號計時結(jié)束。記錄此時的時間間隔，信號源分析儀測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出頻率跳變一次并穩(wěn)定輸出的時間大約為25 μs，所以此頻綜模塊至少可達到30 000跳/s的跳頻速度。

4 "結(jié) "論

在日益復(fù)雜的通信環(huán)境系統(tǒng)中，為了滿足無線通信的多場景應(yīng)用需求，本文設(shè)計了一款快速連續(xù)跳頻的超寬帶多功能頻綜模塊。此模塊在0.1～9.8 GHz的頻段范圍內(nèi)，既可以實現(xiàn)30 000跳/s的快速跳頻功能，又可以為雙發(fā)雙收的FDD和TDD收發(fā)系統(tǒng)提供上下變頻的本振信號。該研究對于通信、雷達無線電跳頻、軟件無線電、抗干擾及相關(guān)領(lǐng)域具有一定的參考意義。

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