浅谈跳频通信宽频段频率合成器

　　跳频技术 （Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS）在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的时间间隔（Dwell Time）为400ms。跳频是常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。

　　调制技术是把基带信号变换成传输信号的技术。它将模拟信号抽样量化后，以二进制数字信号“1”或“0”对光载波进行通断调制，并进行脉冲编码（PCM）。数字调制的优点是抗干扰能力强，中继时噪声及色散的影响不积累，因此可实现长距离传输。它的缺点是需要较宽的频带，设备也复杂。该方案就是引入∑-Δ调制技术，该技术将过取样噪声整型与数字滤波技术的结合， 小的频率分辨率的实现依赖于电路的速度。∑-Δ调制频率合成器在小数分频锁相环的基础上，采用全数字式调制技术来抑制小数杂散，设计采用全数字电路来实现调制小数分频器，利用此方法很好地解决了频率分辨率与相位检波器工作频率之间的矛盾，使环路工作频率有了很好的改善，同时大大提高了噪声性能。

　　1 一阶单环∑-Δ调制

　　传统小数分频频率合成器中的相位累加器可等效为图1所示形式[4]，Y（k）为1 bit量化器输出，取0或1值，取1值表示溢出，从而控制分频比的变化。而1 bit量化器数学上可用量化误差E1（k）来表征，数学模型如图2所示。

　　组合图1和图2，可有方程：

　　图2的Z域模型如图3所示，它就是1个一阶单环∑-Δ调制器的Z域等效模型。

　　显然，它同相位累加器模型等效，因此用一阶单环数字∑-Δ调制器代替相位累加器功能，传统的小数分频器实质上是采用了数字一阶单环∑-Δ调制技术来实现小数分频控制的。由图3可导出Z域信号与量化误差的传递关系如下：

　　式（2）表明数字一阶∑-Δ调制器无衰减地传输了输入信号，对量化误差呈高通特性。但是对于一个给定的分频比，量化误差是低频的周期性信号，虽然采用过采样技术的数字一阶∑-Δ调制器对量化误差有一定的滤波作用，但十分有限。

　　2 高阶单环∑-Δ调制

　　图4是全数字单环∑-Δ调制电路等效示意图。

　　式（3）中分子含有的（1-z-1）3表示高通整形特性，还可通过调整零极点设计出更好的噪声整形特性，灵活性很强。一阶∑-Δ调制器ΔN输出时域波形呈周期性变化，而三阶∑-Δ调制器ΔN输出时域波形表现为高密度脉冲调制信号，因此可以获得精细的频率分辨率。三阶∑-Δ调制器ΔN输出波形在频域上呈现为高通形噪声特性，可以利用环路滤波器的低通特性来滤除，从而有效地消除了小数杂散。

　　3  跳频频率合成器的实现

　　采用多阶∑-Δ调制器利用其对噪声的整型功能，将量化噪声从低频端推向高频端。并且∑-Δ调制器阶数越大，在高频端的噪声功率也越大，噪声整型效果越好。在频率合成器中鉴相器的输出信号在输入到VCO之前需要经过环路滤波器对噪声进行滤波，而滤波器的带宽大小也在很大程度上决定了通过低通滤波器的相位噪声大小。因此在小数分频合成器中采用多阶∑-Δ调制器，并且选用适当的环路滤波器，可以得到良好频谱的输出频率。本设计采用基于∑-Δ调制技术的芯片CX72300来实现[7]。其特点是：宽频段频率合成，采用高阶∑-Δ调制技术克服小数杂散问题，参考频率的分频比、鉴相器增益是用控制字写入，用软件控制环路带宽，并能够实现扫频、跳频。图6为CX72300的功能模块框图。从图6看出，在外围电路中配上压控振荡器、环路滤波器及晶振，便可构成完整的频率合成器，还可通过软件控制合成器的输出频率。单片机控制频率合成有着广阔的应用前景，例如在跳频电台中，正是利用单片机控制才实现了频率的跳变。在芯片内部实现调制，控制小数分频比。信号源产生的电路是晶体振荡电路，2个电容与晶振在外部连接，有源器件在芯片内部。环路滤波器采用三阶级联的RC滤波器来实现，带宽为50 kHz～100 kHz,用ADS软件仿真并设计RC滤波器参数，仿真结果见图7。

　　采用频谱分析仪可以测得VCO的输出信号具有良好的频谱特性，如图8所示。测试的中心频率分别是723.470 MHz（图8（a））和1.849 999 80 GHz（图8（b））。

　　采用频谱分析仪测得在723.470 MHz主频时相位噪声曲线如图9（a），横轴是频率补偿值，纵轴参考点是-50 dBc/Hz,每格下降10 dB,在偏离主频10 kHz时相噪小于-91.63 dBc/Hz；在1.85 GHz主频时相位噪声曲线如图9（b），在偏离主频10 kHz时相噪小于-82.79 dBc/Hz。

　　用软件设置扫频时间和间隔，可实现快速跳频。用示波器的锁存功能测试跳频时间， 频率从1 800 MHz跳到1 850 MHz，换频时间小于50 μs。

　　本文分析了单环高阶∑-Δ调制技术，并把该技术应用于小数分频频率合成器中，使小数分频相位误差频谱得到整形和有效抑制，解决了小数分频的相位杂散问题，从而获得具有低相位噪声、低杂散、高频率分辨率和快速转换时间的宽频率范围的频率合成器。