劉占線(xiàn)
(陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系,陜西 西安 710100)
頻率源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié),它的性能直接影響和決定通信系統(tǒng)的性能,在射頻發(fā)射和接收系統(tǒng)中處于核心位置。文中頻率源使用Si4133芯片設(shè)計(jì),該芯片外圍電路少,各項(xiàng)參數(shù)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)使用TRF3701芯片合成基帶和本振信號(hào),使發(fā)射信號(hào)的功率得到較大提高。多路信號(hào)通過(guò)功率耦合芯片實(shí)現(xiàn)了耦合,最終合成、實(shí)現(xiàn)了多載波的射頻信號(hào)。
(1)Si4133工作原理。
Si4133芯片的功能是實(shí)現(xiàn)頻率的合成,它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該芯片有三路鎖相環(huán)路,每路鎖相環(huán)路包括環(huán)路濾波器、相位檢測(cè)器、可編程分頻器和VCO。
自該芯片的XIN管腳輸人一個(gè)頻率fin,經(jīng)過(guò)一個(gè)放大器和R分頻器以后,頻率變?yōu)閒in/R;同一時(shí)刻,fout作為該路VCO的輸出端頻率,通過(guò)N分頻器,頻率變?yōu)閒out/N;在相位檢測(cè)器中兩個(gè)頻率通過(guò)相位的比較,形成一個(gè)誤差控制信號(hào),進(jìn)一步通過(guò)環(huán)路濾波器獲得一個(gè)直流分量,從VCO端輸人,通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)fout/N≈fin/R,并且相位同步,最終完成兩路信號(hào)的鎖定。由fout=fin×N/R可知,影響輸出信號(hào)頻率的因素是R和N。VCO的諧振頻率由外部所接電感決定,誤差控制在。
三路鎖相環(huán)路中有兩路用作射頻輸出,利用時(shí)分復(fù)用技術(shù),使兩路輸出在時(shí)間上徹底分開(kāi)。通過(guò)對(duì)分頻器編程可以使兩路射頻輸出信號(hào)工作在兩個(gè)特定的頻段947 MHz~1.72 GHz和789 MHz~1.429 GHz。三路鎖相環(huán)路的第三路用作中頻信號(hào)的頻率合成,中頻信號(hào)VCO的諧振頻率在526~952 MHz范圍內(nèi)可調(diào)。
(2)頻率設(shè)置與測(cè)試結(jié)果。
鎖相環(huán)路在VCO諧振頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)RF和IF的輸出頻率,外部電感對(duì)VCO諧振頻率的調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用,它允許的誤差范圍是,自調(diào)節(jié)算法可以補(bǔ)償這一誤差。電感的量級(jí)是nH,所以封裝電感不能忽略,VCO的總電感Ltot應(yīng)該等于封裝電感Lpkg和外部電感Lext相加,電容Cnom和總電感并聯(lián),是一個(gè)標(biāo)稱(chēng)電容。諧振頻率計(jì)算公式為
設(shè)計(jì)中需要的射頻信號(hào)頻率范圍RF1:1.8~2.0 GHz,RF2:0.8~1 GHz。經(jīng)過(guò)計(jì)算,Lext1幾乎為0,Lext2:3~5.9 nH。
輸出頻率在1.8~2.0 GHz范圍內(nèi),通常采用RF1-R分頻值設(shè)置;輸出頻率在0.8~1.0 GHz范圍內(nèi),通常采用RF2-R分頻值設(shè)置。下面兩個(gè)圖是兩個(gè)典型頻率點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果,其中,0.8 GHz是RF2輸出,如圖2所示,2.0 GHz是RF1輸出,如圖3所示。
圖1 Si4133內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
(1)TRF3701工作原理。
TRF3701芯片內(nèi)部有個(gè)模擬組合器,可以實(shí)現(xiàn)輸出RF信號(hào)的實(shí)數(shù)和虛數(shù)分量相加。內(nèi)部調(diào)制器由雙平衡混頻器實(shí)現(xiàn),內(nèi)部本振使用單端LO輸入,減少外部巴倫的消耗。該芯片利用雙平衡混頻器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直接I、Q調(diào)制,I、Q信號(hào)可以是單端輸入,也可以是差分輸入。4個(gè)輸入端(IVIN,IREF,QVIN,QREF)需要外加一個(gè)直流信號(hào),典型值3.7 V。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)一對(duì)差分放大器和一個(gè)電壓/電流轉(zhuǎn)換器進(jìn)入雙平衡混頻器,交流耦合的本振輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)相位轉(zhuǎn)換提供同相和正交分量?;祛l器的輸出信號(hào)相加轉(zhuǎn)化為單端信號(hào),經(jīng)過(guò)放大在射頻端輸出。
(2)測(cè)試結(jié)果。
在本振頻率fo=920 MHz下,兩種不同的基帶信號(hào)加在TRF3701芯片上的測(cè)試結(jié)果。GSM信號(hào),如圖4所示;CDMA信號(hào),如圖5所示。
功率源對(duì)輸出功率的要求較高,在毫米波段,必須使用功率合成技術(shù)獲得比單路功率放大更高的功率。
功率合成器在理想情況下,輸出功率應(yīng)該是作為輸入的多路功率放大器的功率相加。但是功率合成器都有損耗,多路信號(hào)的幅度、相位可能不同,導(dǎo)致它的輸出功率達(dá)不到理想值。為達(dá)到較為理想的效果,功率合成器的多路輸入信號(hào)幅度和相位一致性必須很好,而且要求損耗小、有足夠大的隔離度,使得多路輸入信號(hào)互不影響。
整個(gè)多載波射頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)原理圖、PCB板圖以及實(shí)物圖分別如圖6~圖8所示。
圖8 多載波射頻信號(hào)源實(shí)物圖
文中通過(guò)下載接口對(duì)9個(gè)通道的射頻信號(hào)設(shè)置不同的本振頻率,實(shí)現(xiàn)不同載波的調(diào)制,最后通過(guò)功率合成到一路信號(hào),實(shí)現(xiàn)多載波射頻信號(hào)。
[1]劉華平,郭偉.集成鎖相環(huán)芯片Si4133的原理及應(yīng)用[J].電子工程師,2007,33(3):35-37.
[2]陳強(qiáng).頻率綜合器的小型化設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2007,37(5):42-44.
[3]何業(yè)軍,朱光喜,沈瑞華.雙頻段射頻合成器Si4133及其在CDMA直放站中的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2009(5):29-31.