基于ADF4360-8的頻率合成系統(tǒng)*

胡正群，施滸立，裴 軍，范江濤，杜曉輝

(中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012)

在衛(wèi)星通信中，多普勒頻移現(xiàn)象普遍存在，提高頻率的穩(wěn)定性，對于接收機的解調(diào)解擴有著重要的意義。頻率合成是由一個穩(wěn)定、標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率經(jīng)過一系列處理，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過程[1]。在無線通信系統(tǒng)中，對于接收機而言，它是接收機的本地振蕩器。

衛(wèi)星地面站接收的中頻信號為標(biāo)準(zhǔn)的70 MHz信號，直接輸入到數(shù)字接收機會使接收機的采樣頻率較高，不利于接收機穩(wěn)定工作。本文通過對ADI公司生產(chǎn)的集成鎖相芯片ADF4360-8和AD8343的使用，實現(xiàn)衛(wèi)星通信地球站中頻70 MHz～11.4 MHz的頻率轉(zhuǎn)換，從而減低接收機的采樣頻率，減小接收機的工作復(fù)雜性，為接收機的穩(wěn)定工作提供良好的運行條件。

1 ADF4360-8芯片介紹及工作原理

1.1 芯片介紹[2]

ADF4360-8芯片是一種完全綜合合成器和壓控振蕩器，它是一款高性能的PLL芯片，具有很寬的工作頻帶。

ADF4360-8主要由一個14bit可編程參考R計數(shù)器、一個24 bit數(shù)據(jù)寄存器、一個24 bit功能鎖存器、壓控震蕩器、相位比較器、鎖定檢測器、多路復(fù)用器以及電荷泵等組成，最大的參考頻率為250 MHz，輸出頻率范圍為60MHz～400 MHz，主要應(yīng)用于系統(tǒng)時鐘、檢測設(shè)備、無線局域網(wǎng)以及有線電視設(shè)備等，ADF4360-8的功能模塊圖如圖1所示。

1.2 工作原理

ADF4360-8外部輸入信號有外部參考頻率信號和控制信號，14 bit可編程R計數(shù)器對外部頻率源信號分頻后得到的參考頻率送到鑒相器?？刂菩盘栍蓵r鐘信號CLK、數(shù)據(jù)信號DATA和使能信號LE組成，LE位為邏輯“1”時表示加載。在時鐘信號CLK的控制下，串行輸入24 bit數(shù)據(jù)信號，暫存在24 bit數(shù)據(jù)寄存器中，當(dāng)接收到使能信號LE后，先前輸入的24 bit數(shù)據(jù)根據(jù)地址位到達對應(yīng)的鎖存。

ADF4360-8內(nèi)部集成了 VCO(壓控振蕩器)，由外部電感值設(shè)定不同的工作頻段，方便了鎖相環(huán)路的設(shè)計。VCO輸出頻率如式(1)所示。

式(1)中：fVCO為VCO端輸出頻率；fREFIN為外部參考頻率，本文采用10 MHz的外部參考頻率，B(13 bit)和R(14 bit)為可編程分頻計數(shù)器。相位頻率探測器分別由R、N可編程分頻計數(shù)器的輸入值決定，N計數(shù)器由式(2)所示：

式(2)中 A(5 bit)、B(13 bit)均為芯片內(nèi)部可編程分頻計數(shù)器，A計數(shù)器的預(yù)置數(shù)范圍為0～31，B的預(yù)置數(shù)范圍為3～8191，A與B的分頻比可以通過A和B的寄存器的值設(shè)定，但必須要保證B≥A，并且 N≥(P2-P)，P為在24 bit的控制字節(jié)中預(yù)設(shè)的雙模計數(shù)器的值。

2 基于ADF4360-8本振信號源鎖相環(huán)路的設(shè)計

ADF4360-8對于不同頻率的輸出，由相應(yīng)的外部電感值設(shè)定來實現(xiàn)。芯片的工作頻段由芯片外部的兩個等值的電感決定。電感放置適當(dāng)?shù)奈恢靡越档退鼈冎g的耦合影響，本文中采用的電感是線繞電感，減少了耦合影響。式(3)給出了系統(tǒng)的輸出工作中心頻率和外部電感之間的對應(yīng)關(guān)系。例如當(dāng)外部電感值設(shè)定為560 nH時，對應(yīng)的輸出頻率為65 MHz，這是ADF4360-8所能輸出的最低中心頻率。

式(3)中9.3 pF和0.9 nH是芯片內(nèi)部的電容值和電感值；LEXT為系統(tǒng)外接電感值?？梢?，當(dāng)系統(tǒng)輸出中心頻率較高時，F(xiàn)0主要由內(nèi)部電感0.9 nH決定；系統(tǒng)的輸出工作頻率較低時，F(xiàn)0主要由外部電感值決定。本文外部電感為397 nH，可調(diào)諧的中心頻率約為81.4 MHz。芯片鑒相頻率最高為8 MHz，實際選擇鑒相頻率為5 MHz，設(shè)計中采用較高的鑒相頻率有利于鑒相雜散的抑制，提高環(huán)路的捕捉時間，并且降低環(huán)路的相位噪聲。

系統(tǒng)外部晶振采用10.0 MHz溫補晶振，其穩(wěn)定度≤0.9 ppm，通過REFin引腳接入芯片，經(jīng)過內(nèi)部參考分頻器（除 50）后得到 200 kHz的參考頻率間隔，內(nèi)部電荷泵輸出引腳CP于VCO輸入引腳VTUNE之間接入三階無源低通濾波器，該環(huán)路濾波器的帶寬為100 kHz。由ADIsimPLL軟件可以仿真計算得到電感值和電容值，C1=24.2 pF，C2=329 pF，C3=11.0 pF，R1=13.6 kΩ，R2=27.7 kΩ。在調(diào)試中，為了得到最佳的相位噪聲和較低的雜散，需要對這些元件值進行多次調(diào)整。圖2所示為三階無源低通環(huán)路濾波電路，圖3所示為環(huán)路濾波器仿真曲線。圖4為相位噪聲仿真曲線圖。

對ADF4360-8進行程序配置由接收板上DSP實現(xiàn)，對ADF4360-8加電寄存器的配置順序為：加參考時鐘→R計數(shù)鎖存器→控制鎖存器→N計數(shù)鎖存器，如果配置的順序錯誤，則不能保證ADF4360正常工作。每次上電加載數(shù)據(jù)時，先按接收板上RESET鍵復(fù)位，然后LE使能，這樣接收板和ADF4360-8連通后，可以傳輸數(shù)據(jù)，然后按R、C、N鎖存器順序使數(shù)據(jù)依次寫入。

R計數(shù)鎖存器主要對14bit的分頻比進行設(shè)置，控制鎖存器主要要對電泵電流、輸出電源級數(shù)、頻率鎖定選項、相位探測選項、電泵三態(tài)選擇、計數(shù)器重啟選項、核心電源級別等芯片性能參數(shù)進行設(shè)置，N計數(shù)鎖存器則需對電泵增益以及13 bit的混頻比進行設(shè)置。

數(shù)據(jù)輸入時，首先由DATA在每個CLK的上升沿從MSB(最高有效位)開始依次寫入24bit移位寄存器中的數(shù)據(jù)并鎖存到目標(biāo)寄存器，然后再進行下一個目標(biāo)寄存器的初始化。目標(biāo)寄存器的選擇可由移位寄存器中的最末兩位DB1和DB0決定，其數(shù)據(jù)寫入時序圖如圖5所示。圖6所示為ADF4360-8本振信號源波形。從圖6可以看出，波形保持比較完整，未出現(xiàn)嚴(yán)重失真現(xiàn)象。

3 基于AD8343混頻處理

利用鎖相環(huán)頻率合成器得到的本振信號能為混頻電路提供良好的本振載波[4]，變頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

AD8343是一款高性能的混頻器[5]，增益約為7 dB，由ADF4360-8產(chǎn)生本振信號源，頻率為81.4 MHz，輸入到AD8343芯片。70 MHz中頻信號經(jīng)過MSA放大器后，有18 dB左右的增益，通過聲表面濾波器，使變頻系統(tǒng)產(chǎn)生8 M帶寬的通帶，再從AD8343中的 2、3管腳輸入，最后，從管腳 12、13輸出頻率為 11.4 MHz的中頻信號，通過 LC-π型濾波電路(如圖 8所示)輸出信號直接送到數(shù)字接收機中進行數(shù)字采樣處理。

本文利用ADF4360-8芯片作為鎖相環(huán)電路設(shè)計本振源信號，將衛(wèi)星地面站70 MHz中頻信號變頻為11.4 MHz，為數(shù)字接收機降低采樣頻率及提高工作精度，起到了十分重要的作用，同時給出了用ADF4360-8設(shè)計混頻器本振信號源的設(shè)計方法及芯片的控制方法。ADF4360-8鎖相頻率合成器可在許多通信系統(tǒng)中簡化倍頻裝置和電路結(jié)構(gòu)，降低功耗和設(shè)備成本，在射頻電路系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

[1]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

[2]Analog Devices Inc.ADF4360-8 Data Sheet[Z].Massachusetts，USA：Analog Devices Inc.，2005.

[3]姜梅，劉三清，李乃平.用于電荷泵鎖相環(huán)的無源濾波器的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2003(4)：339-343.

[4]陳景文.基于ADF4360—4鎖相頻率合成器的混頻[J].現(xiàn)代雷達，2008，30(1)：84-86.

[5]Analog Devices Inc.AD8343 Data Sheet[Z].Massachusetts，USA：Analog Devices Inc.，2006.