李天煜，呂婧，肖鐘凱，張國平

　　(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055）

　　摘要：主要介紹了一種寬頻帶、相位噪聲低、雜散抑制度高的頻率合成系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)使用了頻率合成芯片ADF4351和高速可編程芯片F(xiàn)PGA來完成自適應(yīng)控制，不僅實(shí)現(xiàn)了輸出頻率范圍35 MHz~4 .400 GHz、功率可調(diào)范圍為-4 dBm~5 dBm的低相噪穩(wěn)定的頻率源，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)全頻帶頻率的轉(zhuǎn)換時(shí)間和跳頻范圍的智能控制。

      關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；寬頻帶；頻率合成；ADF4351；FPGA

　　0引言

　　隨著無線通信的不斷發(fā)展，對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍以及輸出頻率點(diǎn)數(shù)的要求也越來越高 ［1］。本設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的頻率合成系統(tǒng)相比，在實(shí)現(xiàn)輸出頻帶范圍大、低相噪、穩(wěn)定的頻率源的基礎(chǔ)上，通過智能控制完成了一種自適應(yīng)的寬頻信號(hào)源的輸出，可根據(jù)不同的頻段來選擇分辨率和頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間以及輸出功率的大小；同時(shí)簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。

1原理和方案設(shè)計(jì)

　　頻率合成器的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的性能。常用的頻率合成方式有直接模擬頻率合成（DAS）、直接頻率合成（DDS）及鎖相頻率合成（PLL）。DAS電路頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短且頻率間隔小，但由于使用了大量的混頻、分頻、倍頻和濾波，使得頻率合成器體積大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易產(chǎn)生雜散分量且難于抑制；DDS電路分辨率高、頻率切換速度快，但是受Nyquist采樣定理的限制，目前很難做到較高頻率的輸出，輸出頻譜也比較雜散［1］。而鎖相環(huán)技術(shù)具有輸出頻率高、頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小以及噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但頻率切換之間速度會(huì)比較慢［2］。這就需要在頻率源質(zhì)量和頻率切換之間做一個(gè)折中的選擇，在保證頻譜質(zhì)量的前提下，如何最大限度地縮短頻率切換時(shí)間。

　　本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了高性能、高集成度的頻率合成芯片ADF4351和可編程邏輯門陣列FPGA實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能。ADF4351利用了鎖相環(huán)的技術(shù)，具有輸出頻率頻帶寬、頻譜質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，并且該芯片體積小、頻率鎖定時(shí)間短，解決了傳統(tǒng)鎖相環(huán)電路體積大，分立元件的不穩(wěn)定性，簡化了電路的結(jié)構(gòu)［3］，通過環(huán)路濾波電路的優(yōu)化和芯片內(nèi)部的控制可以縮短快速鎖定時(shí)間，提高頻率切換速度。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要是由FPGA芯片Spartan6、頻率合成芯片ADF4351、26 MHz溫補(bǔ)晶振、環(huán)路濾波電路及芯片外圍電路和 PC組成。整個(gè)系統(tǒng)主要包括頻率自適應(yīng)控制和環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1頻率自適應(yīng)控制

　　2.1.1ADF4351頻率合成器芯片特性

　　ADF4351芯片結(jié)合外部環(huán)路濾波器和外部參考頻率，可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻的鎖相環(huán)頻率合成器，涵蓋了從35 MHz~4.4 GHz一些主要的工作頻段。同時(shí)它包含周跳減少的特性，擴(kuò)展了PDF的線性范圍，從而加快鎖定，其鎖定時(shí)間的最小值可達(dá)20 μs［4］。

　　2.1.2ADF4351頻率源參數(shù)設(shè)計(jì)

　　射頻頻率合成器的編程公式為：

　　RFOUT=(INT+(FRAC/MOD))×(fPFD/diver)(1)

　　其中,RFOUT是電壓控制振蕩器（VCO）的輸出頻率,INT為整數(shù)分頻系數(shù),FRAC為小數(shù)分頻的分子（0~MOD－1）,MOD是小數(shù)分頻的模數(shù)（2~4 095），fPFD為鑒相器的間相頻率,diver為VCO輸出頻率的分頻系數(shù)。

　　鑒相頻率fPFD計(jì)算公式為：

　　fPFD=REFIN×［(1+D)/(R×(1+T))］(2)

　　其中,REFIN是參考輸入頻率,D是REFIN倍頻器位（0或1），R是二進(jìn)制十位可編程參考計(jì)數(shù)器的預(yù)設(shè)分頻比（1~1 023），T是REFIN2分頻位（0或1）。根據(jù)系統(tǒng)要求以及上述兩個(gè)公式，這里的固定的部分參數(shù)為：REFIN=26 MHz，D=0，T=1，R=1。其他參數(shù)可自由切換，實(shí)現(xiàn)頻率源的智能控制。

　　2.1.3FPGA控制頻率自適應(yīng)輸出過程

　　本系統(tǒng)主控芯片使用了Xilinx公司的Spartan6，它具有處理速度快、邏輯資源豐富等優(yōu)勢(shì)。其控制過程主要分為參數(shù)配置過程和參數(shù)控制過程。

　　參數(shù)配置主要包括FPGA從PC端接收參數(shù)數(shù)據(jù)包和ADF4351寄存器數(shù)據(jù)配置。在PC端將控制參數(shù)經(jīng)串口傳給FPGA完成參數(shù)輸入。ADF4351的數(shù)字接口是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，用于配置寄存器數(shù)據(jù)的輸入。這里只需控制CLK串行時(shí)鐘、DATA串行數(shù)據(jù)、LE控制使能3條信號(hào)線便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。CLK上升沿將32位寄存器數(shù)據(jù)按高位優(yōu)先的順序?qū)懭胂鄳?yīng)的寄存器，當(dāng)寄存器數(shù)據(jù)配置完成后，LE拉高完成對(duì)數(shù)據(jù)的鎖存，完成對(duì)ADF4351芯片寄存器的配置。芯片SPI傳輸速率最高可達(dá)50 MHz，使用FPGA高速芯片控制減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

　　參數(shù)控制主要包括對(duì)控制參數(shù)的預(yù)處理和對(duì)RFOUT的智能控制，根據(jù)系統(tǒng)要求僅僅固定了fPFD=26 MHz，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)RFOUT的智能控制。首先要實(shí)現(xiàn)全頻段頻率源的生成，由式(1)可知，需要對(duì)參數(shù)INT、FRAC、MOD、diver一一進(jìn)行控制。按ADF 4351內(nèi)部輸出頻率的分頻系數(shù)diver將頻段切割為與其一一對(duì)應(yīng)的35~69 MHz、69~138 MHz、138~275 MHz、275~550 MHz、550~1 100 MHz、1 100~2 200 MHz、2 200~4 400 MHz 7個(gè)頻段，每個(gè)頻段按相應(yīng)的算法分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的INT、FRAC、MOD的數(shù)值，完成35 MHz~4.4 GHz全頻段任意頻率的生成。由于這里采用了分段式操作，而FPGA并行的工作方式恰恰滿足了對(duì)控制的要求，縮短了系統(tǒng)工作時(shí)間，提高了效率和性能。

　　在頻率生成控制的前端接收控制參數(shù)數(shù)據(jù)包，經(jīng)處理后可得以下5個(gè)控制變量：

　　（1）起始頻率：控制頻率生成的初始值；

　　（2）截止頻率：控制頻率生成的終止值；

　　（3）步進(jìn)：每次頻率變化增加的值（最小精度為1 kHz）；

　　（4）保持時(shí)間：頻率跳變的時(shí)間間隔（最小時(shí)間為26 μs，最大轉(zhuǎn)換穩(wěn)態(tài)時(shí)間為0.9 ms）；

　　（5）工作功率：控制ADF4351的輸出功率。

　　經(jīng)過這5個(gè)參數(shù)的前端控制，得到可控的INT、FRAC、MOD、功率參數(shù)的數(shù)值，將其映射為ADF4351內(nèi)部可編程寄存器的值，配置到 ADF4351芯片，完成控制；實(shí)現(xiàn)了從35 MHz~4.4 GHz全頻段的頻率可控、輸出功率可控、速度可調(diào)的自動(dòng)頻率源的生成，并且實(shí)現(xiàn)了全頻段的掃頻功能。通過PC端可以不斷更新控制參數(shù)，完成智能控制。FPGA控制流程如圖2所示。　　

　　2.2環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

　　環(huán)路濾波器一方面能夠?yàn)V除鑒相器產(chǎn)生的高頻成分及其輸出波紋，同時(shí)還可以抑制帶外噪聲，取出平均分量（即控制電壓）去控制VCO的輸出頻率；另一方面它也是鎖相環(huán)的一個(gè)重要參數(shù)調(diào)節(jié)器件，決定了鎖相環(huán)的雜散抑制、相位噪聲、環(huán)路穩(wěn)定性、鎖定時(shí)間以及捷變時(shí)間等重要的環(huán)路參數(shù)［5］。常見的環(huán)路濾波器有簡單的RC濾波器、無源比例積分濾波器、有源比例積分濾波器3種 ［6］。

　　圖3環(huán)路濾波電路設(shè)計(jì)本文根據(jù)ADIsimPLL的方案選用了簡單、成本低的RC低通濾波器，設(shè)計(jì)了一個(gè)3階的RC濾波器。設(shè)計(jì)的通道間隔為200 kHz，環(huán)路帶寬為35 kHz，相位裕度為45o，可以快速鎖定并減少周跳時(shí)間。優(yōu)化后的濾波器電路如圖3所示。

3系統(tǒng)性能測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

　　PC端通過串口給出了如下5組4位十六進(jìn)制命令：03D8、07D0、0064、0001、0001，分別表示起始頻率1 000 MHz、截止頻率2 000 MHz、步進(jìn)100 MHz、保持時(shí)間1 ms、輸出功率-4 dBm。用頻譜儀測(cè)得中心頻率1 000 MHz輸出頻譜性能如圖4所示。同時(shí)修改步進(jìn)為1 MHz，并將ADF4351的MUXOUT輸出端設(shè)置為數(shù)字鎖定檢測(cè)模式，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)MUXOUT輸出高電平，環(huán)路失鎖時(shí)輸出低電平。圖5為輸出頻率從1 000 MHz跳變到1 001 MHz時(shí)MUXOUT的輸出電平變化。

　　從圖4可看出輸出頻率的噪聲雜散信號(hào)比較低，頻譜比較穩(wěn)定。其信號(hào)的頻寬為5 MHz，分辨帶寬為47 kHz，相位噪聲為-73.69 dBc/Hz@500 kHz。從圖5得到頻譜從1 000 MHz跳變到1 001 MHz的電平變化需要26.18 μs，與計(jì)算的誤差相差0.18 μs。測(cè)試的整體性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

4系統(tǒng)性能對(duì)比

　　表1為各種頻率合成系統(tǒng)的性能指標(biāo)，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)在全頻段有著低相噪、雜散抑制好的輸出，且分辨率、跳頻速度和電路體積等性能與其他系統(tǒng)相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

5結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自適應(yīng)的寬頻信號(hào)源的輸出。該設(shè)計(jì)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、輸出頻帶寬、頻率切換穩(wěn)定、相噪低、雜散信號(hào)少等優(yōu)點(diǎn)，可以作為寬頻收發(fā)機(jī)本振頻率源的輸入，在頻譜監(jiān)測(cè)、頻譜感知等領(lǐng)域的應(yīng)用有很好的前景。

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