作者：Erbe D. Reyta, Valentin Beleca, and Mihai Bancisor

　在涉及射頻（RF）的硬件測(cè)試中，最重要的考慮因素之一是選擇可配置、校準(zhǔn)且可靠的信號(hào)源。本文提供了一個(gè)完整的基于Raspberry Pi的高度集成式解決方案，用于合成RF信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器可從DC輸出最高5.5 GHz的單音，輸出功率范圍為0 dBm至–40 dBm。該系統(tǒng)基于直接數(shù)字頻率合成（DDS）架構(gòu)，其輸出功率與頻率特性經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，確保輸出功率在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)保持在目標(biāo)功率水平的0.5 dB以內(nèi)。

　　歷史上，RF信號(hào)發(fā)生器，尤其是微波頻率的RF信號(hào)發(fā)生器，是基于鎖相環(huán)（PLL）合成器產(chǎn)生的。［1］PLL允許從低頻參考產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻。圖1給出了一個(gè)基本的PLL模型。該模型由一個(gè)反饋系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)由一個(gè)改變輸出頻率的壓控振蕩器、一個(gè)比較輸入?yún)⒖碱l率和輸出頻率的誤差檢測(cè)器以及分頻器組成。當(dāng)分頻器的輸出頻率和相位等于輸入?yún)⒖嫉念l率和相位時(shí)，環(huán)路處于鎖定狀態(tài)。［2–5］

　　圖一?；綪LL模型。

　　根據(jù)具體應(yīng)用，DDS架構(gòu)可能是PLL頻率合成器的更好替代方案。典型的基于DDS的信號(hào)發(fā)生器如圖2所示。調(diào)諧字應(yīng)用于相位累加器，決定輸出斜坡的斜率。累加器的高位通過(guò)幅度-正弦轉(zhuǎn)換器，最終到達(dá)DAC。與PLL相比，DDS架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，DDS數(shù)字相位累加器的輸出頻率調(diào)諧分辨率比基于PLL的頻率合成器高得多。

　　圖二。典型的基于DDS的信號(hào)發(fā)生器。

　　PLL開(kāi)關(guān)時(shí)間是其反饋環(huán)路建立時(shí)間和VCO響應(yīng)時(shí)間的函數(shù)，本質(zhì)上比DDS慢，DDS只受其數(shù)字處理延遲的限制。就電路板尺寸而言，DDS的面積更小，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此消除了各種硬件RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。［6］

　　以下部分將討論基于DDS架構(gòu)的完整DC至5.5 GHz正弦波信號(hào)發(fā)生器的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)CN0511。接下來(lái)將討論矢量信號(hào)發(fā)生器架構(gòu)及其規(guī)格。下一節(jié)將重點(diǎn)討論系統(tǒng)時(shí)鐘，因?yàn)樗枋隽藭r(shí)鐘參考要求以及時(shí)鐘管理單元和矢量信號(hào)發(fā)生器之間的電路連接。討論還包括電源架構(gòu)和系統(tǒng)布局，描述整個(gè)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)高能效和可接受的散熱。然后，軟件架構(gòu)和校準(zhǔn)部分將討論系統(tǒng)軟件控制和校準(zhǔn)。在本節(jié)中，將解釋軟件提供的靈活控制以及如何校準(zhǔn)輸出功率。最后一部分描述整體系統(tǒng)性能，包括系統(tǒng)相位噪聲、校準(zhǔn)輸出功率和系統(tǒng)熱性能。

　　系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)和設(shè)計(jì)考慮

　　答：系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

　　圖3所示系統(tǒng)是一個(gè)基于DDS架構(gòu)的完整DC至5.5 GHz正弦波信號(hào)發(fā)生器。一個(gè)四開(kāi)關(guān)DAC內(nèi)核和集成輸出放大器在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)提供極低的失真，并具有匹配的50ω輸出端接電阻。

　　片上時(shí)鐘解決方案包括參考振蕩器和PLL，無(wú)需外部時(shí)鐘源。所有功率均來(lái)自Raspberry Pi平臺(tái)板，具有超高電源抑制比（PSRR）調(diào)節(jié)器和無(wú)源濾波，可將功率轉(zhuǎn)換器對(duì)RF性能的影響降至最低。

　　圖3。CN0511：基于RPI的合成射頻信號(hào)發(fā)生器。

　　圖4。所用矢量信號(hào)發(fā)生器（ad 9166）——功能框圖。

　　圖5。ADF4372 RF8x輸出級(jí)。

　　圖3所示架構(gòu)可用于各種應(yīng)用，例如雷達(dá)、自動(dòng)測(cè)試、任意波形發(fā)生器和單音信號(hào)發(fā)生器。在本文中，實(shí)現(xiàn)了后者。以下小節(jié)將討論CN0511中包含的主要集成器件。

　　矢量信號(hào)發(fā)生器

　　如圖4所示，所用的DC至9 GHz矢量信號(hào)發(fā)生器集成一個(gè)6 GSPS （1倍，不歸零模式）DAC、8通道、12.5 Gbps JESD204B數(shù)據(jù)接口和一個(gè)帶多個(gè)數(shù)控振蕩器（NCO）的DDS。它還是一個(gè)高度可配置的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑，包括插值濾波器、反SINC補(bǔ)償和數(shù)字混頻器，支持靈活的頻譜規(guī)劃。

　　圖4所示的系統(tǒng)利用DAC 48位可編程模數(shù)NCO來(lái)實(shí)現(xiàn)非常高精度（43 μHz頻率分辨率）的信號(hào)數(shù)字頻移。該DAC的NCO只需要SPI寫接口的100 MHz速度，即可快速更新頻率調(diào)諧字（FTW）。SPI還允許配置和監(jiān)控該DAC中的各種功能模塊。本設(shè)計(jì)中不使用JESD通道，器件僅在NCO模式下使用。

　　圖4中的矢量信號(hào)發(fā)生器集成了一個(gè)單端、50ω匹配的輸出RF放大器，因此無(wú)需復(fù)雜的RF輸出電路接口。表1顯示了AD9166的亮點(diǎn)和在各種條件下的表現(xiàn)。

　　表1。AD9166重點(diǎn)規(guī)格

　　圖2中的系統(tǒng)使用ADF4372 PLL（見(jiàn)圖5），這是一款集成VCO的寬帶頻率合成器，配合外部環(huán)路濾波器和外部參考頻率使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻頻率合成器。此外，VCO頻率連接到1、2、4、8、16、32或64分頻電路，允許用戶以RF8x產(chǎn)生低至62.5 MHz的RF輸出頻率。

　　時(shí)鐘源的質(zhì)量，如相位噪聲和雜散特性，以及與高速DAC時(shí)鐘輸入的接口，都會(huì)直接影響交流性能。因此，相位噪聲和其他頻譜內(nèi)容被直接調(diào)制到輸出信號(hào)上。為了實(shí)現(xiàn)最佳整數(shù)邊界雜散和相位噪聲性能，ADF4372使用單端基準(zhǔn)輸入信號(hào)，然后將該信號(hào)相乘以產(chǎn)生高速DAC的時(shí)鐘，如圖6所示。

　　圖6。ADF4372與AD9166之間的電路連接。

　　d：電源架構(gòu)

　　如圖7所示，CN0511的系統(tǒng)電源樹(shù)使用LTM8045， LTM4622，以及ADP5073基于系統(tǒng)負(fù)載要求實(shí)現(xiàn)90%效率的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。低壓差線性調(diào)節(jié)器（LDO），如ADM7150， ADM7154，以及ADP1761，為DAC、放大器、PLL和VCO供電，具有超低噪聲和高PSRR，可實(shí)現(xiàn)最佳相位噪聲性能。

　　這LTC2928電源序列器IC用于確保高速DAC以正確的順序上電，以免損壞其內(nèi)部電路。功率序列器IC監(jiān)控和管理多達(dá)四個(gè)電壓軌，分別控制上電時(shí)間及其其它監(jiān)控功能，包括欠壓和過(guò)壓監(jiān)控和報(bào)告。

　　e：布局考慮

　　對(duì)于這種要求最高性能和更高輸出頻率的應(yīng)用，印刷電路板（PCB）材料的選擇會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生重大影響。圖8顯示了推薦的CN0511 PCB疊層，它在包含RF走線的層上使用Rogers 4350電介質(zhì)材料，以最大限度地降低3 GHz以上信號(hào)的信號(hào)衰減，同時(shí)確保RF輸出端的最佳信號(hào)完整性。

　　圖7。系統(tǒng)電源樹(shù)。

　　圖8。推薦的PCB橫截面和堆疊。

　　散熱性能與PCB設(shè)計(jì)和工作環(huán)境直接相關(guān)。為了提高設(shè)計(jì)的散熱性能，PCB散熱焊盤上使用了散熱過(guò)孔。

　　軟件架構(gòu)和校準(zhǔn)

　　答：軟件控制

　　在涉及信號(hào)發(fā)生器的任何應(yīng)用中，希望儀器設(shè)備的控制簡(jiǎn)單靈活。CN0511可以被認(rèn)為是即插即用的，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)插入Raspberry Pi的帶有Kuiper Linux映像的SD卡。Kuiper Linux映像包含控制信號(hào)發(fā)生器所需的所有必要軟件。有兩種方法可以改變輸出功率和頻率：可以使用皮阿迪-IIO模塊來(lái)編寫代碼，或者使用IIO示波器圖形用戶界面（GUI）來(lái)輸入所需的輸出。

　　PyADI-IIO是一款Python抽象模塊，適用于ADI硬件和工業(yè)輸入/輸出（IIO）驅(qū)動(dòng)器。這個(gè)模塊提供了簡(jiǎn)單易用的Python方法和屬性來(lái)控制硬件。該板可以用非常簡(jiǎn)單的Python代碼行來(lái)控制，這些代碼行可以在本地或遠(yuǎn)程運(yùn)行。測(cè)試其它設(shè)備的任何掃頻都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的for循環(huán)和一些延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　IIO示波器是一個(gè)跨平臺(tái)的GUI應(yīng)用程序，用戶需要輸入輸出功率幅度和頻率。

　　兩個(gè)模塊——PyADI-IIO和IIO示波器——都提供結(jié)溫傳感器的輸出：一個(gè)在PLL IC內(nèi)，另一個(gè)在矢量信號(hào)發(fā)生器IC內(nèi)。圖9顯示了這兩個(gè)軟件模塊以及與CN0511板通信所需的其它組件（libAD9166、LibIIO和Linux內(nèi)核）。圖9所示的libAD9166是精確控制輸出功率所需的另一個(gè)庫(kù)，它預(yù)裝在Kuiper映像上。該庫(kù)包含輸出校準(zhǔn)功率所需的C++代碼，專用于該板。如何實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的理論將在“B部分：輸出功率校準(zhǔn)”中繼續(xù)討論。

　　圖10。輸出功率與頻率的關(guān)系：未校準(zhǔn)的輸出功率。

　　從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，除了失調(diào)差異之外，每個(gè)PCB樣品都顯示出與圖10所示相同的特性?？紤]到這一點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了兩種校準(zhǔn)程序。第一個(gè)校準(zhǔn)程序只進(jìn)行一次，并獲得校正整個(gè)形狀所需的參數(shù)，使其變平，第二個(gè)程序校正每塊板之間的偏移誤差，并作為每塊板的生產(chǎn)測(cè)試運(yùn)行。兩種校準(zhǔn)程序都是通過(guò)輸出測(cè)量、計(jì)算和基于計(jì)算的寄存器調(diào)整來(lái)完成的。

　　第一個(gè)校準(zhǔn)程序背后的主要思想如圖11所示。首先，圖10中的整個(gè)特性被分成多個(gè)頻率區(qū)間，這些頻率區(qū)間可以用f部［x］到f最大［x］其中x是區(qū)間的索引，x ∈ ［0，31］，x是一個(gè)正整數(shù)值。對(duì)于實(shí)際的設(shè)計(jì)，選擇了31個(gè)間隔，但是為了更好地舉例，在圖11a中只顯示了三個(gè)間隔。對(duì)于每個(gè)區(qū)間，需要獲得兩個(gè)常數(shù)：一個(gè)用于失調(diào)校正Offset_correction（圖11b），一個(gè)用于增益校正Gain_correction（圖11c）。參數(shù)f部［x］也需要被存儲(chǔ)以跟蹤間隔。

　　圖11。校準(zhǔn)程序的視覺(jué)范例：（a）將特性分成多個(gè)部分；（b）每個(gè)分段的偏移校正；（c）每段的斜率校正。

　　圖12a顯示了第一個(gè)校準(zhǔn)程序如何工作的偽代碼流程圖。為了完成這個(gè)算法，需要一個(gè)非常精確的頻譜分析儀來(lái)測(cè)量輸出功率（使用是德科技E5052B/R&S FSUP）。第一個(gè)程序（圖12a）產(chǎn)生的參數(shù)用于第二個(gè)校準(zhǔn)程序，如圖12b所示。

　　圖12。（a）僅運(yùn)行一次的第一校準(zhǔn)程序的偽代碼流程圖；（b）在每個(gè)CN0511板上運(yùn)行的第二個(gè)校準(zhǔn)程序。

　　第二個(gè)校準(zhǔn)程序（圖12b）針對(duì)生產(chǎn)測(cè)試中的每個(gè)PCB樣本運(yùn)行，并在每個(gè)時(shí)間間隔向Offset_correction參數(shù)添加相同的常數(shù)。在第二例程結(jié)束時(shí)，修改的參數(shù)Offset_ correction［x］以及Gain_correction［x］和f部［x］在每個(gè)時(shí)間間隔都存儲(chǔ)在電路板的EEPROM中。當(dāng)電路板運(yùn)行時(shí)，這些參數(shù)將在軟件中進(jìn)一步使用。

　　為了設(shè)置校準(zhǔn)輸出功率，軟件中使用公式1來(lái)計(jì)算Ioutfs_reg寄存器上調(diào)整頻率fx下的輸出功率所需的值。fx是區(qū)間x:FX∈［f］內(nèi)的頻率部［x］，f最大［x］），fx是一個(gè)實(shí)數(shù)，而f部［x］是具有x索引的間隔的最小頻率。

　　如公式1所示，電路板上必須存儲(chǔ)三個(gè)參數(shù)，以便對(duì)每個(gè)區(qū)間進(jìn)行輸出校正：x： Offset_correction［x］、Gain_correction［x］和f部［x］。

　　系統(tǒng)性能

　　答：校準(zhǔn)輸出功率

　　圖13顯示了CN0511在幾種不同輸出功率水平下的寬帶補(bǔ)償頻帶平坦度。對(duì)于0 dBm至–40 dBm之間的任何輸出功率設(shè)置，從DC到5.5 GHz的整個(gè)頻段內(nèi)的精度為0.5 dBm。

　　圖13。校準(zhǔn)輸出功率與頻率的關(guān)系。

　　相位噪聲

　　時(shí)鐘源的質(zhì)量及其與AD9166時(shí)鐘輸入的接口會(huì)直接影響相位噪聲性能。時(shí)鐘源上給定頻率偏移下的相位噪聲和雜散直接傳遞到輸出信號(hào)。圖14顯示的是測(cè)得的單邊帶（SSB）相位噪聲與頻率偏移的關(guān)系。所有數(shù)據(jù)都是在輸出功率設(shè)置為滿量程的情況下收集的。片上122.88 MHz CMOS壓控晶體振蕩器用作系統(tǒng)時(shí)鐘參考。

　　圖14。系統(tǒng)相位噪聲性能。

　　c：熱性能

　　高速DAC的功耗接近4 W，具體取決于應(yīng)用和配置。它使用裸露芯片封裝來(lái)降低熱阻，并允許直接冷卻芯片。帶有風(fēng)扇的機(jī)械散熱器用于散發(fā)封裝的熱量。連接散熱器后，LTM4622顯示最高的熱量讀數(shù)，在環(huán)境溫度為25°C時(shí)約為60.6°C。

　　結(jié)論

　　本文提出了一種高頻、低失真、低噪聲信號(hào)源。本系統(tǒng)是一種低成本RF信號(hào)合成器解決方案，采用基于高速DAC的DDS架構(gòu)。使用基于DDS技術(shù)的矢量信號(hào)發(fā)生器，所提出的系統(tǒng)提供了優(yōu)于簡(jiǎn)單PLL的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如簡(jiǎn)單、低失真、高分辨率調(diào)諧、幾乎瞬時(shí)的跳頻、相位和幅度調(diào)制。

　　所用DDS架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以調(diào)整和校準(zhǔn)輸出功率以及微調(diào)輸出頻率。在系統(tǒng)中添加一個(gè)校準(zhǔn)程序，可為用戶提供從DC到5.5 GHz的輸出參考音，精度為0.5 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為0 dBm至–40 dBm，是實(shí)驗(yàn)室儀器的近乎完美的解決方案。

審核編輯：黃飛