基于取样环的任意中频输出装置设计

中国电子科技集团公司第四十一研究所 郭亚楠 杜会文 闫亚力



基于取样环的任意中频输出装置设计

中国电子科技集团公司第四十一研究所 郭亚楠 杜会文 闫亚力

【摘要】设计了一种在接收变频系统中产生任意中频输出的装置，输出中频频率范围10MHz～160MHz，频率步进1Hz，并且输出中频功率提供4档进行选择，分别为-10dBm、-5dBm、0dBm和5dBm。将该装置应用到某信号分析仪中，10kHz频偏处的相位噪声可达-120dBc/Hz。本装置实现了微波毫米波接收变频系统的任意中频输出，为后续信号的分析处理提供了更大的灵活性。

【关键词】任意中频；取样环；相位噪声

0　引言

在接收变频系统中，将射频/微波信号变换到中频信号再进行分析处理时，通常中频是固定的。比较常用的中频信号有10.7MHz、21.4MHz、70MHz、140MHz、160MHz等[1-3]。但是随着数字集成电路技术及软件无线电技术的发展，越来越多的场合要求接收变频系统输出的中频频率可变，以满足后端不同频率调制解调器等接收分析装置的输入要求[4]。根据这些需求，本文提出了一种可产生10MHz～160MHz范围内任意中频输出的装置，极大地满足了实际应用的需要。

1　接收变频系统介绍

微波毫米波接收变频系统通常采用多级变频装置将射频输入信号变换为频率较低的中频信号[5]，例如采用2级变频的接收分析系统，原理框图如图1所示，变频调谐关系为：

图1　接收变频系统

为了保证接收通路噪声系数、带外抑制等指标以及设计电路方便等因素，通常选取固定值，而随着变化而改变。例如对于输出中频为75MHz的接收变频系统，通常选取375MHz，选取300MHz；对于输出中频为21.4MHz的接收变频系统，通常选取321.4MHz，选取300MHz[6]。

2　方案的实现

2.1方案设计

固定中频输出的接收变频系统虽然电路设计简单，但其缺乏灵活性，不能很好地适应后端调制解调器等接收分析装置对不同中频频率输入的要求，在使用过程中具有较大局限性。因此，如何获得可变的中频输出信号，来满足不同情况下的输入要求，成为了工程师亟待解决的问题。本文设计了一种中频频率在10MHz～160MHz范围内任意可变的中频输出装置，其原理框图如图2所示，在设计的任意中频输出装置中，第一本振电路、第一变频器、第一中频放大器及第一中频滤波器与图1所示接收变频系统并无区别，因此在图2中并未给出，为了得到任意可变的中频信号，将图1中原固定不变的第二本振电路设计为一个宽频率范围的、频率连续可变的（频率步进量可设置，最小可设1Hz）的电路，其原理框图由图2中单刀双掷开关7和10、带通滤波器9和12、二分频器8、三分频器11以及取样环（PLL）6组成。其中PLL原理框图如图3所示[7-10]，750MHz的信号作为环路参考信号，而取样环振荡器（VCO）输出的是600MHz～900MHz的信号，其锁相反馈采用混频方式实现，即与750MHz的参考频率混频，从而得到12MHz～150MHz的中频信号，另一路750MHz经分频后也产生12MHz～150MHz的信号，这两路信号鉴相后输出的信号经过积分滤波后得到的误差电压用来调整振荡器的谐振频率并使之锁定在指定的频率上。

图2　变频接收系统中任意中频输出原理框图

图3　取样环原理框图

取样环VCO的振荡公式为：

式中，M取值范围是-51～+52之间的整数。M的正负号的物理意义是：M取正，＞750MHz；M取负，＜750MHz。

这样通过对开关的控制，就可以得到频率范围覆盖10MHz～160MHz的任意中频信号，该信号经滤波放大处理后，就可以作为后端调制解调器等接收分析装置的输入使用。

该任意中频输出装置对信号功率是零入零出的，即通过适当的放大来补偿通路中的差损，信号经该装置进行变频处理时，幅度保持不变。然而，在某些应用场合，射频输入信号幅度很小，受处理能力的限制，待处理的中频信号幅度不能太小，因此，设计了自动增益控制电路，提供了4档分别为-10dBm、-5dBm、0dBm和5dBm的输出幅度可供选择。

2.2关键电路实现

任意中频输出装置的核心部件是可以产生600MHz～900MHz可变信号的压控振荡器，其电路原理图如图4所示，由电感L1～L4，电容C1～C7，变容二极管V1～V9等组成。

图4　压控振荡器原理图

调谐电压范围2.5～21.5V，电压与频率的对应关系如下表所示。

表1　取样环VCO调谐电压与频率对应关系

为实现任意中频输出装置自动增益控制的功能，选用了中电13所的自动增益控制模块JGF051C，通过外接2kΩ、1kΩ、680Ω、510Ω的电阻，就可实现输出幅度分别为5dBm、0dBm、-5dBm和-10dBm的自动增益控制的功能。

3　指标测试

将任意中频输出装置应用到某型号信号分析仪中，输出的中频信号具有较好的相噪指标。图5为M=-51时取样环的输出信号，由式（3）计算可得此时取样环输出信号FS≈600.6MHz，使用信号分析仪AV4051测得其频偏10kHz时的相位噪声为-128dBc/Hz。

图5　M=-51时取样环输出信号

图6　75MHz中频信号

4　结束语

随着数字集成电路技术及软件无线电技术的发展，传统的接收变频系统中固定的中频信号输出已不能满足后端调制解调器等接收分析装置对不同中频频率输入的需求。针对上述问题，基于取样环技术，设计了一种在接收变频系统中可产生任意中频输出的装置，该装置已应用到某型号信号分析仪中，输出的中频信号频率范围为10MHz～160MHz，并具有较好的相噪指标。

参考文献

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[3]张照林,孙仁琦.140Mb/s16-QAM传输系统中140MHz中频限带滤波系统的优化设计和硬件实现[J].南京邮电学院学报,1989,9(1):38-44.

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[6][美]罗伯特·A·威特.频谱与网络测量[M].李景威,张伦,译.上海:科学技术文献出版社,1997.

[7]王家礼,孙璐.频率合成技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[8]闫亚力.一种多环路宽带微波频率合成器设计[J].国外电子测量技术,2015,33(5):48-51.

[9]李柏林.基于ADF4002的低相噪取样本振设计[J].研究与开发,2012,31(6):51-54.

[10]范吉伟.基于谐波混频的高性能频率合成器[J].科技视界,2012,32: 121-122.

郭亚楠，男，硕士，助理工程师，主要研究领域为微波毫米波信号分析类仪器的研究与开发。

杜会文，男，研究员，主要研究领域为微波毫米波电子测量类仪器的研究。

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

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