基于跳頻收發系統中的跳頻頻率合成器設計

　　0 引 言

　　跳頻技術作為軍事通信的主要抗干擾手段，近幾十年來，在軍事通信裝備中得到了廣泛的應用。20世紀90年代初，出現了高數據率抗干擾的短波跳頻系統，其跳頻速度達到幾千跳／秒，具有很強的抗多徑、抗衰落能力。在不用自適應均衡的情況下，可提供上千比特／秒的數據傳輸能力，所以高速短波跳頻技術是軍用短波跳頻系統發展的方向。

　　在短波高速跳頻系統中，跳頻頻率合成器的研究是關鍵技術之一。從頻率合成技術的發展過程看，頻率合成的方法主要有三種：直接頻率合成(DFS)、鎖相環式頻率合成(PLL)、直接數字頻率合成(DDS)。這三種基本的頻率合成方法各有特點，實際應用中，采用單獨一種方法往往難以滿足頻率合成器的所有技術指標。因此，在設計頻率合成器時，可以根據具體的設計要求，組合使用這些基本方法，以達到最佳的效果。這里的跳頻頻率合成器設計采用了DDS和PLL相結合的方法。

　　1 跳頻頻率合成器硬件設計

　　1．1 方案選擇

　　DDS和PLL相結合構成的跳頻頻率合成器有幾種方式：DDS激勵PLL方案、PLL內插DDS組合方案和頻率轉換快捷的組合方案等。本設計采用的是第一種方案，如圖1所示。PLL設計成N倍頻環，DDS輸出直接作為PLL的參考信號。

　　該方案主要性能如下：

　　(1)輸出頻率：f0=NfDDS；

　　(2)輸出頻率分辨率：fr=NfDDSr(FDDSr為DDS的頻率分辨率)；

　　(3)輸出頻率fo的建立時間：T=TDDS+TPLL。式中：TDDS是改變DDS輸出頻率fDDSr所需的時間；TPLL是fDDS改變后，鎖相環重新鎖定所需的時間。為了使鎖相環能很快地鎖定，在鎖相環的快捕帶寬范圍內變化fDDS，這樣TPLL就是快捕時間。通常快捕時間很短，即使變化范圍超出鎖相環的快捕帶寬范圍，由于這是在上一次鎖定的基礎上重新進行的鎖定過程，所以，鎖定時間也會很短。這樣，輸出頻率fo總的建立時間T就小，可以滿足快速跳頻的需要。

　　1．2 硬件設計

　　硬件設計原理圖如圖2所示。

　　圖2為超短波跳頻收發系統中跳頻頻率合成器設計原理圖。系統對跳頻頻率合成器的設計要求：工作頻率為410～468 MHz，頻率間隔25 kHz，可實現全頻段跳頻和分頻段跳頻，頻率轉換時間小于100μs。

　　設計中，DDS的核心器件采用美國AD公司的AD9850；鑒相器采用美國國半(National Semiconduc-tor)的集成鎖相電路LMX2306；VCO選用的是AM-PLIFONIX公司的集成模塊TOM9307，它的輸出信號頻率為300～600 MHz；控制靈敏度為20 MHz／V。

　　AD9850是采用并行傳輸方式從計算機接收頻率和相位控制字的，這是因為考慮到并行方式傳輸的速度比串行方式快。總共40位控制字，通過8位數據總線送到AD9850的輸入寄存器中，需重復5次。在FQUD信號上升沿調入40位控制字，同時把地址指針復位到第一個寄存器。接著在W_CLK信號的上升沿到來時，把最高的8位數據裝入第一個寄存器，并把地址指針指向下一個寄存器。這樣，連續5個W_CLK上升沿后，就把40位控制字都裝入了寄存器，W_CLK信號不再起作用，直到收到復位信號或FQ_UD信號的上升沿時，才重新開始新一輪的數據裝入。鑒相器LMX2306本身就帶有一個前置雙模分頻器(8／9分頻)和兩個可編程分頻器N，R，采用串行輸入的方式。在初始化時只要給N寄存器、R寄存器和F功能寄存器輸入正確的數據，就可以正常工作了。LMX2306的外部環路濾波器在鎖相環路中起非常重要的作用，環路濾波器形式和參數的選取是鎖相環設計與調試的關鍵，在很大程度上決了定環路的噪聲、捕獲和跟蹤性能等。該環路濾波器選用二階無源比例積分濾波器，其二階低通濾波器結構如圖3所示。

　　利用美國國半公司提供的PLL環路濾波器設計軟件Loopfilt可方便地計算出濾波器的參數，如圖4所示。

　　在實際電路中，環路濾波器的參數選定為：

　　2 跳頻頻率合成器的性能估算

　　在分析跳頻頻率合成器的性能時，尤其對于快速跳頻系統來說，頻率分辨率和換頻性能是其中兩個很重要的指標。

　　在該方案中，跳頻頻率合成器是由DDS激勵PLL組成的。因DDS的系統時鐘為96 MHz，則AD9850的輸出頻率fDDS=96 MHz／232△0.022 35 Hz。鎖相環PLL的輸出頻率為：

　　式中：Ntotal為環路總的分頻比。設計中要使最后的輸出頻率fo在410～468 MHz內跳變，頻道間隔為25 kHz。由相關參考文獻中的公式可算得：R=400 Ω，Ntotal=1*00，即B=2 050，A=0，則編程使fDDS在10～11．414 346 MHz內變化，那么fo將在410～468 MHz內跳變，其頻率分辨率(單位Hz)為：

　　該跳頻頻率合成器總的跳頻轉換時間也應該是這兩部分跳頻轉換時間之和。DDS的換頻時間很短，對AD9850來說，是ns級的，幾乎可以忽略不計。所以整個跳頻頻率合成器的跳頻轉換時間主要由PLL的跳頻轉換時間決定。

　　在工程上，PLL的跳頻轉換時間可以用PLL環路的最大快捕時間TLmax做估算：

　　設計中，ωn=15 000×2π；工程上ξ=0.707，則TLmax△75μs。所以，頻率建立時間TPLL=75μs，跳頻周期可為750μs，跳頻速率最高可達1 333跳／s，滿足系統設計的1 000跳／s的要求。

　　3 結語

　　跳頻頻率合成器是跳頻收發系統設計的核心，也是技術實現的一個難點。設計中把DDS和PLL的優點有機地結合起來實現了高速跳頻，摒棄了用直接數字頻率合成DDS輸出頻率不能太高或用鎖相環PLL合成頻率鎖定時間較長的缺點，滿足了系統設計的要求。