一种基于PXIe架构低杂散宽带频率源设计与实现

魏德肖，陈 兵，邹辰龙

一种基于PXIe架构低杂散宽带频率源设计与实现

魏德肖，陈 兵，邹辰龙

（重庆航天火箭电子技术有限公司，重庆，400039）

针对传统频率源模块带宽窄、动态小、体积大、缺乏灵活性和通用性等缺点，设计并实现了一种基于面向仪器系统的外围组件互连扩展（Peripheral Component Interconnection Extensions for Instrumentation，PXIe）总线板卡架构的低杂散宽带频率源。该频率源利用锁相环和幅频调理等技术，实现了输出频段宽、输出动态大、输出杂散低等优点；同时，该频率源采用PXIe总线板卡技术，一方面提高了产品的兼容性和扩展性，另一方面克服了传统产品体积庞大和通用性差等缺点。最终通过产品的调试与测试，满足预期设计要求，且该频率源产品已成功应用在国家科技部某重大科研专项中。

频率源；宽频段；低杂散；PXIe

0 引 言

频率源作为现代电子系统中的一项重点研究课题，其重要性不言而喻，主要运用在微波通信、卫星定位、雷达探测、电子对抗、空间电子设备等方面[1,2]。频率源产品性能的优劣对整个电子系统至关重要，在通信系统中，低杂散的频率源不仅可以有效地提高系统信噪比进而降低系统误码率，还可以改善系统灵敏度、提高系统可靠性；在雷达系统中，频率源的低噪声性能可以很好地保证系统探测精度和准确度；在电子对抗领域中，快切换和低杂散的频率源可以提升电子对抗系统的响应速率和线性度，避免通道阻塞[3]。目前常用的频率合成技术主要有3类：直接频率合成技术、直接数字频率合成技术和锁相环频率合成技术[4]。本文针对传统频率源模块带宽窄、动态小、体积大、缺乏灵活性和通用性等缺点，设计并实现了一种单槽位、3U的面向仪器系统的外围组件互连扩展（Peripheral Component Interconnection Extensions for Instrumentation，PXIe）总线板卡架构的低杂散宽带频率源，且该频率源产品已成功应用在国家科技部某重大科研专项中。

1 功能需求及指标要求

1.1 功能需求

根据任务需求，单槽位、3U的PXIe总线板卡架构的频率源实现的主要功能如下：

a）输出两路特定频段的宽带可调本振信号；

b）输出一路特定频点的固定本振信号；

c）产生校准源信号。

1.2 指标要求

根据任务需求，单槽位、3U的PXIe总线板卡架构的频率源的技术指标如表1所示。

表1 频率源技术指标

Tab.1 Frequency Source Technical Index

序号技术指标参数值备注 1输出第一本振频率/GHz1~6可调本振 2输出第二本振频率/MHz4800固定本振 3输出第三本振频率/GHz4~10可调本振 4输出本振功率/dBm≥13— 5杂散抑制/dB≥70— 6输出动态/dB≥35— 7参考输入频率/MHz100— 8参考输入功率/dBm≥10— 9校准输出频率/MHz100/4800— 10相位噪声/(dBc·Hz-1)≤-80(10Hz)；≤-90(100Hz)；≤-100(1KHz)；≤-105(10KHz)；≤-110(100KHz)；≤-120(1MHz)；测试频率1GHz

注：mW=10lg(mW/1mW）dBm；(-)dB=dBm-dBm

2 设计实现

按照上文所给出的功能需求和表1所要求的技术指标，进行符合需求的频率源电路设计，如图1所示。电路设计包括：数字电源板电路设计和射频板电路设计。数字电源板主要包括现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）部分和电源转化部分，数字电源板与PXIe总线相连，主要实现对射频电路板的控制、供电及与PXIe总线通信；射频电路板主要实现变频过程中所需的高质量本振信号的生成。外部的100 MHz输入参考信号经功分器功分两路，其中一路直接送于锁相环电路1作为参考频率进行频率锁定，锁相环电路1的频率锁定控制字由FPGA完成配置，FPGA受PXIe总线控制，锁相环电路1完成频率锁定后，将锁定的频率经切换开关、带通滤波器组、切换开关、放大器等器件后输出作为第一扫频本振LO1或者第三扫频本振LO3（扫频本振LO1和扫频本振LO3属分时工作）；另一路100 MHz参考信号经耦合器，其中直通通路直接送于锁相环电路2作为参考频率进行频率锁定，锁相环电路2的频率锁定控制字由FPGA完成配置，FPGA同样受PXIe总线控制，锁相环电路2频率锁定后再经滤波、功分、放大后输出作为固定本振LO2。

图1 频率源电路设计

频率源内部产生一个校准信号源，该校准源主要由切换开关、可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）和滤波器组成，完成对100 MHz和4800 MHz两个单音校准信号切换输出，再配之以软件算法和制表查表的方式，实现对系统幅度特性和频率特性的校准。考虑到产品功耗和电磁兼容等因素，该校准源可独立控制通、断电。

频率源的通道选择和配置指令均由上位机下发至PXIe总线，再由PXIe总线传输至频率源模块的数字电源板进行本地FPGA解析，解析完成后，通过板对板连接器完成对整个频率源通道的切换选择和锁相环及幅频调理的配置，软件设计流程如图2所示。

图2 频率源软件设计流程

3 仿真论证

基于图1所给出的频率源电路设计框图并结合具体的元器件选型，利用先进设计系统（Advanced Design System，ADS）射频仿真软件，搭建仿真电路，仿真频率源的相关技术指标，进一步验证电路设计的正确性和技术指标的可达性。

利用ADS射频仿真软件，搭建如图3所示的频率源仿真电路，仿真频率源的相关技术指标，该仿真电路中采用衰减器模拟功分器和部分切换开关的无源插损。设定锁相环电路1的输出功率为2 dBm的条件下，仿真了频率源在放大通道打开的情况下，第1扫频本振LO1的输出功率（饱和状态）和对应的通道增益，仿真结果示意分别如图4和图5所示。

图3 频率源LO1通道仿真电路示意

图4 频率源LO1通道输出功率仿真结果

图5 频率源LO1通道增益仿真结果

利用仿真软件完成对锁相环电路1在输出频率 1 GHz处相位噪声的仿真，仿真结果如图6所示。

图6 锁相环电路1相位噪声仿真结果

图4和图5的仿真结果表明，频率源在设定锁相环电路1的输出功率和放大通道打开的条件下，第一本振LO1的输出功率满足表1的指标要求；图6的仿真结果表明，频率源的第一本振LO1输出频率1 GHz的相位噪声满足表1的指标要求。可见，仿真结果均满足技术指标要求。

4 测试结果

按照上文给出的设计方法，研制了一种单槽位、3U的PXIe总线板卡架构的低杂散宽带频率源，产品实物如图7所示。经反复调试和测试，最终该频率源的各项测试指标均满足指标要求，测试结果如图8~12所示。

图7 PXIe架构频率源产品实物

4.1 输出频率测试

本次设计的频率源频率范围覆盖1~10 GHz，由于频段范围较宽，因此在输出频率测试中，分别选取输出频率为1 GHz、4.8 GHz、7 GHz和10 GHz共4个典型频点进行输出频率测试，测试结果如图8所示。

图8 4个频点输出测试结果

续图8

从图8的测试结果看，频率源输出的信号频率分别为1 GHz、4.8 GHz、7 GHz和10 GHz，输出频点准确无误，满足项目设计要求。

4.2 输出杂散测试

采用频谱仪对输出频率的杂散进行测试，由于频段范围较宽，因此在输出杂散测试中，分别选取了输出频率为4 GHz和5 GHz的2个典型频点进行输出杂散测试，测试结果如图9所示。

图9 2个频点的输出杂散测试结果

从图9的测试结果看，频率源输出频谱干净，杂散抑制大于70 dB，输出杂散满足项目设计要求。

4.3 输出功率动态测试

通过对频率源后端通道的选择和VGA的设置，实现频率源输出功率的大动态。采用频谱仪以输出频率4.8 GHz的信号为例，进行输出功率动态测试，测试结果如图10所示。

图10 4.8GHz输出功率动态测试结果

从图10的测试结果看，4.8 GHz低增益输出时，输出功率为-21.95 dBm；4.8 GHz高增益输出时，输出功率为17.05 dBm。输出功率动态为39 dB，输出功率动态满足项目设计要求。

4.4 相位噪声测试

通过反复调试测试，最终选定性能最佳的环路参数。采用相噪仪进行相位噪声的测试，测试结果如 图11所示。从图11的测试结果看，载波频率1 GHz的相位噪声为：频率10 Hz时-90.4 dB/Hz，频率100 Hz时-101.7 dB/Hz，频率为1 kHz时-106.8 dB/Hz，频率10 kHz时-132.8 dB/Hz，频率100 kHz时-136.9 dB/Hz，频率1 MHz时-150.5 dB/Hz。可见，频率源的相位噪声满足项目设计要求。

图11 相位噪声测试结果

4.5 校准源输出频率测试

校准源产生100 MHz和4800 MHz两个单音点频校准信号，采用频谱仪对校准源输出的两个点频信号进行输出频率测试，测试结果如图12所示。

图12 校准源输出测试结果

由图12可知，校准源输出的校准信号频率分别为100 MHz和4800 MHz，输出频点准确无误，满足项目设计要求。

5 结 论

频率源是电子系统的核心部件[5]，传统的频率源模块输出带宽窄、输出动态小、体积偏大且多为定制性的专用产品，缺乏通用性和扩展性。本文设计并实现了一种单槽位、3U的PXIe总线板卡架构的低杂散宽带频率源，该频率源实现了输出频段宽、输出动态大、输出杂散低等优点；同时，该频率源采用PXIe总线板卡技术，一方面提高了产品的兼容性和扩展性，另一方面克服了传统产品体积庞大和通用性差等缺点。最终通过产品的调试与测试，各项技术指标满足预期指标要求，且该频率源产品已成功应用在国家科技部某重大科研专项中。

[1] 崔永俊, 杨卫鹏, 刘阳. MIMO雷达正交线性调频信号源系统的设计[J].仪表技术与传感器, 2018(7): 107-110.

Cui Yongjun, Yang Weipeng, Liu Yang. Design of orthogonal linear frequency modulation signal source system for MIMO radar[J]. Instrument Technique and Sensor, 2018(7): 107-110.

[2] 付钱华, 易淼. DDS激励PLL高性能频率合成器设计[J]. 电子器件. 2016, 39(1):62-66.

Fu Qianhua, Yi Miao. A high performance synthesizer design based on DDS driving PLL[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2016, 39(1): 62-66.

[3] 郭齐. 应用于FMCW雷达系统的频率源设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2015.

Guo Qi. Design of frequency source for FMCW radar system[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2015.

[4] 赵秋明, 肖龙, 许丰灵. 基于锁相环技术的UHF频段宽带频率源设 计[J]. 电子器件, 2016, 39(4): 898-902.

Zhao Qiuming, Xiao Long, Xu Fengling. Design of a broadband synthesizer of UHF-band based on PLL[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2016, 39(4): 898-902.

[5] 侯兴江. 24GHz FMCW雷达收发机中分数分频频率综合器的研究与设计[D]. 上海: 复旦大学, 2014.

Hou Xingjiang. Research and design of fractional frequency synthesizer in 24GHz FMCW radar transceiver[D]. Shanghai: Fudan University, 2014.

Design and Implementation of Low Spurious Broadband Frequency Source Based on PXIe Architecture

Wei De-xiao, Chen Bing, Zou Chen-long

(Chongqing Aerospece Launch Vehide Electronic Technology Co.,LTD, Chongqing, 400039)

Aiming at the shortcomings of traditional frequency source modules such as narrow bandwidth, small dynamics, large volume, lack of flexibility and versatility, a low spurious broadband frequency source is designed and implemented based on the PXIe bus board architecture. The frequency source uses phase-locked loops and amplitude-frequency conditioning technologies to achieve the advantages of wide output frequency bands, large output dynamics and low output spurs. At the same time, the frequency source uses PXIe bus board technology. On the one hand, it improves the compatibility and expandability of products. On the other hand, it overcomes the disadvantages of traditional products such as huge volume and poor universality. Finally, the product passes debugging and testing to meet the expected design requirements, and the frequency source product has been successfully applied in a major scientific research project of the Ministry of Science and Technology.

frequency source; wide band; low spurious; peripheral component interconnection extensions for instrumentation

1004-7182(2020)03-0111-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20200321

V443+.1

A

魏德肖（1989-），男，工程师，主要研究方向为微波毫米波电路、TR组件和相控阵前端技术等。

陈 兵（1981-），男，高级工程师，主要研究方向为航天测控总体技术。

邹辰龙（1973-），男，高级工程师，主要研究方向为航天测控总体技术。

2020-04-13；

2020-04-26