以DDS为参考的PLL在现代电台设计中的应用

现代电台的特点主要是多用途、多制式、多频段。随着数字技术的发展，中频以下通常采用数字化处理，中频到射频用混频器进行频率变换。对频率合成器的设计提出了更高的要求，例如分辨率、转换速度、工作频率范围、相位噪声等指标。PLL(锁相环)频率合成通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算。该方法结构简单、便于集成，且输出频率高、频谱纯度高，目前使用比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成技术中。DDS(直接数字合成)是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。这种方法简单可靠、控制方便，且具有很高的频率分辨率和转换速度，缺点是输出频率不能太高。如果把两者结合起来，用DDS的输出作为PLL的参考信号，就能满足现代电台对频率合成器的设计要求。本文将介绍DDS和PLL的工作原理，并结合一电台(工作频率2 MHz～500 MHz)的设计，给出DDS做参考的PLL频率合成器的设计方案。

1 DDS的结构及工作原理  

DDS的基本结构由参考时钟、相位累加器、ROM、DAC(数模转换器)和LPF(低通滤波器)组成，见图1。   


  
DDS的工作原理是：在参考时钟fr的控制下，频率控制字K由累加器得到相应的相位数据，把此数据作为取样地址，来寻址正弦ROM表进行相位-幅度变换，输出不同的幅度编码；再经DAC得到相应的阶梯波；最后经LPF对阶梯波进行平滑处理，即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波。见图2。  



DDS的输出频率fo、参考时钟频率fr、相位累加器长度N以及频率控制字K之间的关系为：
  
DDS的频率分频率为：
  
由于DDS的最大输出频率受奈斯特取样定理限制，所以fmax=f／2。

2 PLL的结构及工作原理  

设计中通常采用数字锁相频率合成法，其基本结构由参考时钟fr、VCO(压控振荡器)、程序分频器(÷N)、PD(鉴相器)、LPF等组成。见图3。  



当PLL达到稳定状态后，若输入信号为一固定频率的正弦波，则VCO的输出信号频率经程序分频器分频后与输入信号频率相等，它们之间的相位差为一常值。这种状态为环路的锁定状态。此时有：

  
3 基于DDS的频率合成器的设计   

3.1 电台整机方案  

该电台工作频率范围为2 MHz～500 MHz，具有调频、调幅(包括单边带)、调相(QPSK)等功能，还可工作于跳扩频方式。在短波频段(2 MHz～30 MHz)要求调谐间隔为10 Hz，其余频段为100 Hz。设计中采用二次变频方案，第一中频取160MHz，第二中频取10.7 MHz。当然，对于160 MHz附近频段，只采用一次变频至10.7 MHz。第二中频以下采用数字化处理。简化原理框图如图4所示。  


  
3.2 频率合成器方案  

频率合成器须输出第一本振、第二本振两路信号。第二本振为固定频率170.7 MHz，选用ADF4001 PLL电路，参考时钟采用14.4 MHz温度补偿晶体振荡器，环路鉴相频率100 kHz。第一本振信号是由14.4 MHzTCXO(温度补偿晶体振荡器)经DDS频率合成器(选用AD9851)产生参考信号，再由PLL电路锁定在工作频率上。原理框图如图5所示。  


  
3.2.1 器件的选择  

选用Analog Devices公司的DDS芯片AD9851，该芯片的最高工作时钟为180 MHz，内部除了完整的高速DDS外，还集成了时钟6倍频器和一个高速比较器。本方案使用14.4 MHz TCXO，经6倍频器产生86.4 MHz参考时钟频率，DDS输出的频率分辨率为：  



PLL选用National Semiconductor公司的双频率合成器电路LMX2335，其最高工作频率1.1 GHz。  

3.2.2 工作频率计算  
以短波频段(2 MHz～30 MHz)为例，第一本振输出频率为：   


  
考虑到环路的锁定时间，LMX2335的鉴相频率取200 kHz左右，对于较大范围调整频率，可改变LMX233的程序分频数N，例如：162 MHz～172 MHz，N取14×60=840；172 MHz～182 MHz，N取15×60=900；182 MHz～190 MHz，N取16×60=960。LMX233的参考分频数R固定为60。DDS输出频率控制在11 MHz～13 MHz，可在小范围内调整PLL的输出频率。下面以输出162 MHz为例说明DDS频率控制字K的算法。   

DDS输出频率为：
  
频率控制字K为：


在162 MHz～172 MHz频率范围内，频率误差=0.020 116 567×14≈0.28 Hz。   

3.2.3 应注意的问题  

DDS的输出应经过一中心频率为12 MHz、带宽为2 MHz的带通滤波器。具体设计可使用Agilent ADS软件。该电路是高速数模混合电路，在制作印制电路板时，一定要注意数模干扰问题。为此，印制电路板一定要使用4层板。在进行电路布局时，将数字部分和模拟部分分开；将电源层分为数字电源和模拟电源；将地层分为数字地和模拟地。每个有源器件的电源都要加去耦电容，并且尽可能地靠近电源输入处，以帮助滤除高频噪声。