合成信號(hào)發(fā)生器

捷變合成信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)方法主要有三種:直接模擬頻率合成、間接頻率合成、直接數(shù)字頻率合成法。

早期的捷變合成信號(hào)發(fā)生器多采用直接模擬頻率合成法，這種技術(shù)使用可大量的高穩(wěn)晶體振蕩器，通過混頻、倍頻、分頻、帶通濾波等方法，獲得所需的最終頻率。其顯著特點(diǎn)是頻率切換速度快、相位噪聲低、輸出頻率高、工作可靠，是比較理想的模擬捷變合成信號(hào)發(fā)生器，在解決了相位相關(guān)性后，估計(jì)在電磁環(huán)境模擬器中會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。但需要大量的晶體振蕩器、混頻器、倍頻器、分頻器和窄帶濾波器，造成設(shè)備體積龐大、造價(jià)高、難以集成，而且雜散信號(hào)難以濾除?，F(xiàn)在的捷變合成信號(hào)發(fā)生器已很少采用。

間接頻率合成法也叫鎖相環(huán)路法，在采用數(shù)字分頻器后，特別是采用小數(shù)分頻及相位抖動(dòng)消除技術(shù)后，制作技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，由于容易實(shí)現(xiàn)程控分頻，只需很少濾波器，體積小，功耗低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)路由于受到參考頻率和環(huán)路帶寬的限制，在頻率分辨力、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和頻譜純度等指標(biāo)之間不能兼顧。當(dāng)需要兼顧時(shí)，會(huì)引起環(huán)路的增加，結(jié)果增加了電路復(fù)雜程度、體積和儀器成本。

隨著現(xiàn)代電子、微電子技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成法采用全數(shù)字技術(shù)，從相位的觀點(diǎn)進(jìn)行頻率合成，它的主要優(yōu)點(diǎn)是:頻率分辨力高，可以做到毫赫，即零點(diǎn)零零幾赫;頻率轉(zhuǎn)換速度快，一般可做到20ns;相位噪聲低;容易實(shí)現(xiàn)各種高性能的數(shù)字調(diào)制。其主要缺點(diǎn)是:雜散輸出較大;最高輸出頻率較低，約為時(shí)鐘頻率的40%。

隨著電子對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展，跳頻電臺(tái)及技偵設(shè)備要求合成信號(hào)發(fā)生器的轉(zhuǎn)換速度快、跳頻范圍寬、頻率步進(jìn)間隔小、頻譜純度好，而且要求提高輸出頻率。綜合間接頻率合成(即鎖相環(huán)路)和直接數(shù)字頻率合成的優(yōu)勢(shì)，采用DDS與PLL相結(jié)合的方法，可滿足設(shè)備對(duì)合成信號(hào)發(fā)生器的要求。

1、利用單環(huán)寬帶鎖相環(huán)路技術(shù)的捷變頻信號(hào)發(fā)生器

在頻率分辨力、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和頻譜純度等指標(biāo)之間是不能兼顧的，需要采用多環(huán)結(jié)構(gòu)或小數(shù)分頻頻率合成技術(shù)，而小數(shù)分頻技術(shù)帶來了很大的寄生調(diào)頻和相位噪聲，需要減小環(huán)路帶寬和進(jìn)行相位誤差補(bǔ)償，而這些和快速頻率轉(zhuǎn)換都是相沖突的。所以，快速頻率轉(zhuǎn)換和微小頻率間隔在單環(huán)路頻率合成器中是很難實(shí)現(xiàn)的。近年來，隨著異質(zhì)結(jié)雙極晶體管、寬帶移相器、寬帶壓控振蕩器技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)制造具有微小頻率間隔寬帶快速跳射頻/微波頻率合成器成為可能。

近年來，通過采用砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管先進(jìn)工藝制作技術(shù)，使得分頻器工作到了微波頻段。例如，惠普公司能夠提供高達(dá)12GHz甚至18GHz的固定分頻器，并可采用廉價(jià)的SSOP-8表面封裝。Rockwell Collins公司制作的程控分頻器最高輸入頻率可達(dá)5GHz,且輸出的剩余噪聲在10kHz頻偏時(shí)可達(dá)-150dBc/Hz以下。微波寬帶VCO和寬帶的固定、程控分頻器使單環(huán)路微波頻率合成器的制作成為可能。而快速跳頻能力或快速頻率轉(zhuǎn)換主要取決于環(huán)路帶寬，這里采用高頻率參考，拓寬了環(huán)路帶寬，保證了快速頻率轉(zhuǎn)換。

2、 利用寬帶鎖頻環(huán)路技術(shù)的捷變頻信號(hào)發(fā)生器

這里介紹一種高性能的捷變頻信號(hào)發(fā)生器，利用鎖相環(huán)路和鎖頻環(huán)路相結(jié)合的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速而精確的跳頻輸出。單環(huán)路小數(shù)分頻鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)高分辨力的頻率合成，延遲線鑒頻器鎖頻環(huán)路利用調(diào)頻信號(hào)誤差穩(wěn)定VCO輸出頻率，降低調(diào)頻噪聲。鎖頻環(huán)路固有的幾兆赫的環(huán)路帶寬，減少了頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，被用做快速頻率切換或跳頻信號(hào)輸出。

如圖1-1所示，鎖相環(huán)路輸出合成射頻信號(hào)為鎖頻環(huán)路的校準(zhǔn)提供了穩(wěn)定的輸出頻率，鎖頻環(huán)路最終鎖定于鎖相環(huán)路輸出頻率上。此時(shí)，鎖頻環(huán)路的調(diào)諧電壓被測(cè)量，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于快速跳頻RAM中，稱為跳頻的學(xué)習(xí)校準(zhǔn)。在學(xué)習(xí)校準(zhǔn)過程中，在跳頻序列中的每一個(gè)頻率設(shè)置電壓都被測(cè)量并存儲(chǔ)于不同的存儲(chǔ)器地址單元中。這些設(shè)置參數(shù)包括VCO預(yù)調(diào)電壓、鎖相環(huán)路增益補(bǔ)償、鎖頻環(huán)路增益補(bǔ)償。通過環(huán)路增益補(bǔ)償，消除各種因素引起的頻率靈敏度的變化，使環(huán)路在整個(gè)頻率范圍內(nèi)達(dá)到充分一致的環(huán)路增益。跳頻時(shí)通過調(diào)用快速跳頻RAM中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，調(diào)諧鎖頻環(huán)路，使VCO輸出頻率與原始的合成信號(hào)頻率的誤差處于微小的可接受范圍內(nèi)。

產(chǎn)生跳頻輸出的有效途徑為:首先通過前面板或后面板輸入接口，設(shè)置所需的跳頻信道和跳頻序列，鎖頻環(huán)路通過學(xué)習(xí)校準(zhǔn)，存儲(chǔ)每個(gè)頻率點(diǎn)的設(shè)置參數(shù)。當(dāng)接到跳頻觸發(fā)命令時(shí)，關(guān)斷鎖相環(huán)路，只接入鎖頻環(huán)路。這些設(shè)置參數(shù)重新輸入到鎖頻環(huán)路，調(diào)諧鎖頻環(huán)路產(chǎn)生期望的跳頻輸出。所以，跳頻輸出信號(hào)不是相關(guān)的合成信號(hào)，但是頻率穩(wěn)定的輸出信號(hào)。在頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和頻譜純度指標(biāo)處于同等數(shù)量級(jí)的頻率合成器中，利用延遲線鑒頻器鎖頻環(huán)路可以大大降低成本和復(fù)雜度。

3、 跳頻輸出時(shí)的幅度控制技術(shù)

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間主要由環(huán)路帶寬決定，實(shí)際上也直接受幅度開關(guān)時(shí)間的控制，一般頻率轉(zhuǎn)換完成的幅度要求定義為在新頻率點(diǎn)上輸出幅度上升到設(shè)置值的90%時(shí)。幅度開關(guān)時(shí)間不能直接控制，但通過穩(wěn)幅環(huán)路帶寬的控制能影響幅度開關(guān)時(shí)間。跳頻時(shí)，穩(wěn)幅環(huán)路可以處于開環(huán)或閉環(huán)工作狀態(tài)。閉環(huán)工作時(shí)，幅度開關(guān)時(shí)間較長，但具有較好的頻譜潑散，較高的輸出幅度精度，較好的調(diào)幅線性。開環(huán)工作時(shí)，輸出幅度特性剛好相反。跳頻時(shí)，輸出幅度范圍由快變衰減器的工作范圍決定，通常幅度開關(guān)時(shí)間是輸出幅度范圍的函數(shù)，輸出幅度范圍變化越大，開關(guān)時(shí)間越長，隨著幅度衰減量的增加，輸出幅度精度將降低。

在跳頻間隔，輸出幅度關(guān)閉，如同脈沖調(diào)制。由于輸出幅度的瞬變，載波的能量按(sinx)/x波形包絡(luò)分布。在脈沖調(diào)制時(shí)，對(duì)此并不關(guān)心。當(dāng)跳頻時(shí)，由于潑散的頻譜會(huì)落入鄰信道，從而引起鄰信道通信的中斷。為了避免上述問題，跳頻時(shí)輸出幅度關(guān)閉，同時(shí)嚴(yán)格控制幅度瞬變的形狀，自動(dòng)減小幅度突變。

如圖1-2所示，當(dāng)輸出幅度關(guān)閉時(shí)，內(nèi)置定時(shí)裝置控制穩(wěn)幅環(huán)路使輸出以一定度率步進(jìn)衰減，經(jīng)過幾微秒后，輸出幅度衰減了幾十分貝，這時(shí)脈沖調(diào)制器開始工作，輸出幅度繼續(xù)衰減幾十分貝。當(dāng)輸出幅度打開時(shí)，定時(shí)控制正好相反，脈沖調(diào)制器首先打開，然后控制穩(wěn)幅環(huán)路逐漸返回原值，這種漸變大大減小了頻譜潑散。如果穩(wěn)幅環(huán)路開環(huán)工作，這時(shí)只有脈沖調(diào)制器起作用，頻譜潑散將增加，而跳頻速率也稍許增快。

捷變合成信號(hào)發(fā)生器除具有靜止條件下的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)(包括頻率、頻譜純度、輸出特性和調(diào)制特性)外，還規(guī)定了快速變化條件下的技術(shù)指標(biāo)，包括捷變頻狀態(tài)下的頻率特性、輸出特性、調(diào)制特性以及快速跳頻控制特性。

捷變頻狀態(tài)下的頻率特性包括頻率跳變范圍、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、跳頻頻率準(zhǔn)確度、跳頻頻譜純度等指標(biāo)。

捷變頻狀態(tài)下的輸出特性包括跳頻幅度輸出范圍、跳頻幅度準(zhǔn)確度、跳頻幅度開關(guān)時(shí)間等。

一般捷變合成信號(hào)發(fā)生器在快速頻率跳變時(shí)仍具有一定的調(diào)制能力，包括具有內(nèi)外AM、內(nèi)外FM和同時(shí)AM/FM的能力，有些還具有數(shù)字調(diào)制能力。滿足跳頻狀態(tài)下對(duì)復(fù)雜射頻信號(hào)的仿真，這些對(duì)跳頻電臺(tái)、偵察接收機(jī)和現(xiàn)代新體制雷達(dá)的性能測(cè)試是非常必要的。

快速跳頻控制特性主要包括最大信道數(shù)、最大序列數(shù)、跳頻速率、駐留時(shí)間、跳頻的定時(shí)控制和同步等。

一般的捷變合成信號(hào)發(fā)生器可滿足靜止和捷變兩種測(cè)試能力的需求，且具有復(fù)雜調(diào)制功能，可以模擬跳頻狀態(tài)下的復(fù)雜射頻信號(hào)。除了滿足常規(guī)的器件、參數(shù)測(cè)試外，還廣泛應(yīng)用于跳頻電臺(tái)、偵察接收機(jī)、新體制雷達(dá)、衛(wèi)星、地面和移動(dòng)通信系統(tǒng)。

一個(gè)性能良好的捷變合成信號(hào)發(fā)生器充當(dāng)復(fù)雜信號(hào)的激勵(lì)源，可以滿足接收機(jī)幾乎所有的測(cè)試要求，測(cè)試指標(biāo)包括選擇性、靈敏度、交調(diào)和失真等。快速的頻率轉(zhuǎn)換和信號(hào)模擬可降低測(cè)試成本，節(jié)約測(cè)試時(shí)間。某些高純信號(hào)發(fā)生器還可作為相位噪聲測(cè)試參考源和通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)的本振源。

目前各種不同性能的通信對(duì)抗和雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)陸續(xù)使用，具有跳頻技術(shù)特點(diǎn)的戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)，空空、地空通信系統(tǒng)，無線接力通信系統(tǒng)及其偵察設(shè)備的性能測(cè)試，和具有頻率捷變技術(shù)特點(diǎn)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)及其偵察設(shè)備的性能測(cè)試，都離不開捷變合成信號(hào)發(fā)生器。

如圖1-3所示，跳頻碼序列發(fā)生器輸出一組偽隨機(jī)碼組成的跳頻圖案，控制捷變頻率合成器偽隨機(jī)跳頻，接收端跳頻控制器接收同步信息，產(chǎn)生同步信號(hào)，使收/發(fā)同步。接收端必須事先知道偽隨機(jī)碼，才能正確解調(diào)接收信號(hào)。近年來，國外發(fā)展的一種新型條擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，其跳頻帶寬在1.5MHz以上，跳頻速率高達(dá)5000跳/s，結(jié)合信號(hào)波形特點(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸方式，可在多徑衰落嚴(yán)重的天波信道上，提供可靠的19200bit/s的通信能力。