一种X波段2FSK频率源的设计

赖寒昱+廖海黔+高峯

摘要：2FSK调制是一种常用的信号调制方式，本文利用DDS频率分辨率高、捷变频的优点来实现信号的2FSK调制，再结合锁相环技术，将DDS信号经过两次混频，变频到X波段。通过合理的选择本振频率和多级滤波处理，优化杂散抑制指标。用该方法实现了X波段的2FSK频率源，该频率源具有捷变频、低相噪、低杂散等特点。

关键词：2FSK；DDS；频率源

中图分类号：TN94 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0154-02

1 引言

频率源是现代电子系统的重要组成部分，它作为电子系统的“心脏”，在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥控遥测、仪器仪表等许多领域中得到了广泛的应用[1]。

数字频率调制是数据通信中常见的一种调制方式，频移键控（FSK）方法简单，易于实现，并且解调不须恢复本地载波，可以异步传输，抗噪声和抗衰落性能也较强[2]。

根据某项目的需求，设计一输入频率为X波段，具有2FSK调制功能的频率源，该频率源的频率分辨率小于1Hz，相位噪声优于-97dBc/Hz@1kHz，杂散抑制优于-60dBc。

2 实现原理

本文设计的X波段2FSK频率源的实现原理如图1所示。

100MHz的参考信号通过功分器分为3路，其中一路经过10倍频并滤波处理后，作为DDS的参考时钟，另一路通过14倍频并滤波处理后，作为第一级混频的本振信号。最后一路作为锁相环的参考频率。DDS输出信号与第一级混频的本振信号进行混频并经过多级滤波处理后，与锁相环输出的本振信号进行第二级混频，混频输出的信号再次经过多级滤波处理，输出所需的X波段信号。

上位机将二进制码元发送到FPGA，FPGA识别上位机发送的“0”、“1”代码后，将相应的频率控制字发送到DDS，控制DDS产生相应的频率。DDS输出的低频FSK信号经过两次混频，变频到X波段，输出X波段的FSK信号。

本方案中信号的频率分辨率由DDS的频率分辨率决定，本文中选用的DDS的频率分辨率小于1Hz，因此该X波段2FSK频率源能实现小于1Hz的频率分辨率。

3 性能分析

3.1 2FSK功能实现

FSK调制一般利用一个频率表示数字1，另一个频率表示数字0，用数学等式可表示如下：

本文通过FPGA接收上位机发送的二进制码元，当收到的码元为“0”时，将f1对应的频率控制字发送到DDS，控制DDS输出频率为f1的信号，当收到的码元为“1”时，将f2对应的频率控制字发送到DDS，控制DDS输出频率为f2的信号，这样就实现了低频的2FSK信号的输出。DDS输出的信号首先与第一级本振信号进行第一次混频，将频率上移到L波段。再与锁相环产生的第二级本振进行第二次混频，将频率从L波段上移到X波段，实现X波段的2FSK信号的产生。

3.2 相位噪声分析

对于倍频电路中的相位噪声的理论计算公式如下：

式中PN为基底噪声，N为倍频次数。

而对于混频电路，混频后的信号相位噪声是输入混频器的两路信号噪声功率谱的线性叠加[3]，即：

通过推导可以算出：

本文中参考晶振信号的相噪为ζ（f0）为-145dBc/Hz@1kHz。DDS产生的信号的相位噪声由DDS芯片的性能决定，ζ（f2）为-142dBc/Hz@1kHz。锁相环环路带宽内相位噪声主要由参考信号的相噪，鉴相器的本底噪声中较差的决定。本文中该锁相环电路偏离载波频率1kHz处的噪声基底由参考晶振偏离1kHz处的相位噪声确定。锁相环的VCO输出的信号频率在7.7GHz以下，最高倍频次数为77，通过计算可得ζ（f4）为-107 dBc/Hz@1kHz。将上述数据代入公式可以算出，理论上该频率源的相位噪声约为-107dBc/Hz@1kHz。由于工程中引入一些附加噪声，本文中的频率源经过测试的最高点的相位噪声优于-97dBc/Hz@1kHz。

3.3 杂散抑制分析

本文中的频率源的杂散主要来源之一就是两次变频引进的高阶交调信号，为了很好的用滤波器滤出混频杂散，尽量让混频的交调信号应该在滤波器的带外，因此在选择频率混频尤其关键。

本方案采用上混频的方式，混频输出的主要杂散信号为：

通过合理的选择本振和中频信号的频点，再通过多级滤波器对混频输出信号进行滤波处理，最终频率源输出信号的杂散抑制优于-60dBc。

4 试验验证

根据上述的设计方案，完成了X波段2FSK频率源的设计，用信号分析仪FSUP对频率源的杂散抑制和相位噪声进行测试。频率源的2FSK调制效果图和相噪、杂散的测试结果如图2所示，该频率源的尺寸为280mm×170mm×60mm，通过扫频设置可以看出，该频率源产生了两个不同的频率，分别代表二进制码元“0”和“1”。图中可以看出，该频率源的杂散抑制指标优于-60dBc，相位噪声指标优于-97dBc/Hz@1kHz。

本文提出了一種获得低相位噪声、低杂散的X波段2FSK频率源的有效途径，通过DDS产生低频的2FSK信号，再结合直接倍频和锁相环设计，将DDS信号进行两次混频和多级滤波处理，产生频率分辨率高、低相位噪声、低杂散的X波段的2FSK信号。

参考文献

[1]蒋伯川.基于DDS和PLL技术的数字调频源的研制[D].成都：电子科技大学，2007.

[2]刘高平.利用SOC技术实现FSK调制器[J].实验室研究与探索，2006，（25）3：322-325.

[3]杜勇.一种捷变频宽带微波频率合成器的设计[J].电子科技，2017，（30），8：133-135.endprint