张秋艳，张 鹏

(中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京 100083)

0 引言

随着卫星导航系统的发展和应用的普及，导航终端的使用规模不断扩大，卫星导航接收设备的测试验证也越来越重要[1]。卫星导航终端设备的测试需要多种频率、多种调制方式及多种信号功率的卫星导航信号。现有的卫星导航测试采用多台信号源、单台信号源功分或开发专用的信号模拟器实现[2]。采用多台信号源进行导航接收设备的测试成本较高，操作复杂，容易误操作；采用单台信号源功分的方式具有较强的局限性，仅能进行相同信号频率的测试验证；根据导航终端设备进行的专用信号模拟器无法根据测试终端的数量及测试类型的更改而自定义模拟信号[3]。因此本文设计开发一种多通道非相干的矢量信号源，该信号源基于PXI总线架构，可根据具体测试需求配备相应通道数的信号源模块，可实现模拟及数字等多种调制方式，具有较强的通用性。

1 工作原理

设计研制的矢量信号源可产生从1.1 GHz到2.5 GHz 频段的矢量信号。该矢量信号源设备由1台PXI-e总线机箱、1块PXI-e总线嵌入式系统控制器及4块PXI总线信号源板卡组成。其中PXI-e总线机箱、PXI-e总线嵌入式系统控制器构成PXI/PXI-e系统工作平台，为功能模块板卡提供电源和总线接口控制。4块PXI总线信号源板卡实现具有调制功能的射频信号输出。

PXI总线信号源板卡的发生部分采用锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)、正交调制(Quadrature modulation，I/Q调制)及信号处理相结合的设计方式，即由锁相环产生载波信号，利用后级调制单元对载波信号进行相应调制，最后输出至功率控制单元，实现输出信号功率范围的调整。设计的重点是如何在有限的PXI单槽体积内达到系统指标要求。

2 总体设计

PXI总线矢量信号源板卡主要由射频单元、基带单元和通信控制单元构成，板卡具体硬件组成框图如图1所示。

图1 PXI总线信号源板卡硬件组成框图

射频单元的主要功能为实现载波信号的频率合成、调制功能及对射频信号的功率控制；基带单元为射频单元提供基带I、Q调制信号；控制单元为射频信号源板卡提供控制信号及供电；通信单元通过PXI总线完成信号源板卡与上位机的通信。为达到板卡整体性能指标，关键是对射频及基带等各个单元电路的设计。

2.1 主要技术指标要求

(1)输出频率范围：1.1 GHz～2.5 GHz；

(2)频率步进：10 kHz；

(3)频率准确度：±1 kHz；

(4)输出功率范围：-40 dBm～+20 dBm；

(5)功率步进：0.5 dB；

(6)功率准确度：±1 dB；

(7)谐波抑制：≥40 dBc(0 dBm输出时)；

(8)杂散抑制：≥50 dBc(频偏>10 kHz)；

(9)相位噪声：-80 dBc/Hz@10 kHz(载波1.2 GHz)；

(10)AM模拟调制：

调制频率范围：100 Hz～10 kHz；

调幅深度:1%～90%；

调幅精度：<±(设定值的5%+0.5%)；

(11)FM模拟调制：

调制频率范围：1 kHz～100 kHz；

调制频偏范围：1 kHz～10 MHz；

频率精度：<±(设定值的5%+500 Hz)；

(12)PM模拟调制：

脉冲周期：1 μs～10 s；

最小脉冲宽度：0.5 μs；

时间分辨率：0.1 μs；

占空比：0%～100%；

通断比：>60 dB；

(13)数字调制：

BPSK/QPSK/OQPSK/16QAM/MSK/FSK(内调制)；

符号速率：1 kHz～15 MHz；

PN码：PN9、PN11、PN15、PN20、PN23；

EVM：<5%；

(14)锁定扫频：

频点间隔：10 kHz～1 MHz；

扫频宽度：10 kHz～20 MHz；

频点切换时间：1 ms～1 s。

2.2 射频单元电路设计

射频单元电路完成高频载波信号的产生和处理以及输出功率控制。为实现1.2 GHz～2.5 GHz的频率输出，载波信号的产生采用锁相环频率合成方式。调制功能通过正交调制解调器来实现，可完成多种模拟与数字调制功能。后级的功率调整链路主要完成60 dB 的功率调节范围和0.5 dB功率步进功能。详细电路硬件组成框图如图2所示。

图2 信号源板卡射频单元电路硬件组成框图

由图2可知，射频电路单元由PLL频率合成单元、IQ调制单元和功率控制三个功能单元组成。下面就对每个单元的功能组成和实现方式进行介绍。

(1) PLL频率合成单元

PLL频率合成单元的功能是产生1.2 GHz～2.5 GHz的载波信号。鉴于体积限制，采用鉴相器与压控振荡器(VCO)集成在一起的芯片，以10 MHz恒温晶振作为参考输入，外接环路滤波器实现环路的锁定设计。

设计选择AD公司的集成锁相环产品ADF4350，该芯片内部集成的VCO输出频率范围为2 200 MHz～4 400 MHz，输出端可编程分频器可实现2/4/8/16四种分频模式的分频输出，最终输出范围可达137.5 MHz～4 400 MHz，满足设计中频率要求。同时ADF4350有整数分频和小数分频两种工作模式，可满足10 kHz步进要求。由芯片参数可知，其频率步进、杂散、单边带相位噪声等指标满足总体指标的设计要求，谐波指标，特别是三次谐波较大。但考虑到后级IQ调制器会对载波信号进行限幅放大，也将产生谐波信号，因此谐波统一在IQ调制后滤除。频率合成器输出所设计的低通滤波器主要抑制三次谐波，避免因三次谐波太大影响IQ调制性能，故PLL单元整体谐波抑制满足-20 dBc即可满足后级要求。

图4 功率控制单元硬件框图

由于ADF4350芯片需要外接环路滤波器，而通常环路滤波器的设计和调试都是锁相环设计的重点和难点。因此PLL单元的主要工作是通过对环路滤波器的设计和调试，实现锁相环的锁定输出。

在本设计中，采用无源二阶环路滤波器，其电路组成如图3所示。

图3 二阶无源环路滤波器电路

根据本设计中的鉴相频率，设置环路带宽为1 kHz，相位裕量为45°。利用ADIsimPLL进行仿真，可计算出滤波器各电阻电感值。

此外，ADF4350具有差分输出功能，后级的IQ调制器载波也为差分输入，为取得更好的IQ调制性能，锁相环的设计采用差分输出经过低通滤波后输出给后级调节单元。

(2)IQ调制单元

IQ调制单元的输出指标包括数字调制方面的指标，包括1 kHz～15 MHz符号速率，EVM<5%等。IQ调制单元的主要芯片是IQ调制器，其功能是通过配备合适的本振激励，将基带信号调制到本振频率上，从而实现射频调制输出，并对该调制信号进行分段滤波，保证输出谐波指标。

IQ调制器采用Hittite公司的HMC497LP4E(以下简称为HMC497)。HMC497的输出频率范围为100 MHz～4 GHz，基带输入频率范围(符号速率)为DC～700 MHz，对应的输出频率为1 200 MHz～2 500 MHz，符号速率为1 kHz～15 MHz，满足指标要求。其本振的输入功率范围为-6 dBm～+6 dBm，具备较大的动态调节特性；基带输入采取差分形式，对共模干扰具备较强的抑制能力。

(3) 功率控制单元

根据指标要求最大输出功率+20 dBm和功率输出范围-40 dBm～+20 dBm，对IQ调制输出信号进行功率控制。功率控制单元主要由两级衰减放大调整电路和一组低通开关滤波器组实现。其中两级衰减可分别实现每级31 dB的最大衰减量，以及0.5 dB步进的衰减控制；两级放大则主要实现在衰减器为0 dB衰减的情况下，板卡实现+20 dBm的最大功率输出。该部分的设计难点在于输出+20 dBm时谐波指标满足40 dBc抑制要求。因此为了减少放大过程谐波的恶化，选择1 dB 压缩点高的放大器，并使放大器尽量工作在线性区，以保证最终输出的谐波指标满足要求。详细功率控制单元硬件框图如图4所示。

2.3 基带及控制单元电路设计

基带及控制单元主要实现对系统的控制功能、基带信号产生功能和供电处理功能[4]。

本部分主要由PXI接口控制单元、FPGA数字处理单元、数据存储单元、数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)控制单元、模拟调理通路、时钟处理单元、射频前端控制单元及电源管理单元组成。详细硬件组成框图如图5所示。

图5基带及控制单元硬件组成框图

由图5可知，设备通过上位机软件控制信号源板卡，经由FPGA芯片实现的PXI接口和逻辑控制单元将波形数据写到板上数据存储器。软件设置启动后，底层控制逻辑以各种调制方式分别对存储器相应地址进行访问，将存储区的数据量送到高速DAC，实现数字量向模拟量的转换，转换后的模拟信号通过模拟通路的调理达到输出端，实现基带信号波形输出，通过FPGA控制射频前端单元进行射频载波控制。

2.4 软件设计

软件设计用于实现PXI总线调制源板卡的载波输出、IQ调制、功率控制等功能。主要通过软件完成各种参数设置。设备参数输入后，通过PXI总线传送给信号源模块，控制输出信号。通过软面板，用户可根据实际需要，灵活配置自己的应用系统。各功能均可通过软面板方便操作。软件主程序流程图如图6所示。

3 测试结果与分析

基于PXI总线矢量信号源板卡达到的技术指标如表1所示。

表1 信号源板卡测试结果

图6 信号源板卡软件流程图

表1中列出了部分信号源板卡的技术指标测试结果。该板卡的模拟调制、数字调制及扫频指标均满足指标要求。该信号源设备的任意两路信号通道之间隔离度大于80 dB。该信号源设备具备四路矢量信号独立输出且非相关特性。

4 结论

本文设计研制的基于PXI总线多通道矢量信号源具有模拟调制、数字调制及扫频功能，具有良好的谐杂波抑制和较好的相位噪声等指标，其独立输出四路满足全部指标信号的特点，使该信号源可替代四台标准信号源仪器，节约了成本，并且该设备具有可扩展能力，支持更多通道信号输出，可进行升级和二次开发，满足于不同应用领域和场景的测试需求。