曹輝，曲昱

（西北工業(yè)大學(xué)第365研究所，陜西西安710072）

一種高集成小數(shù)分頻頻率源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹輝，曲昱

（西北工業(yè)大學(xué)第365研究所，陜西西安710072）

針對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備體積小重量輕的特點(diǎn)，文中采用集成鎖相環(huán)芯片ADF4350設(shè)計(jì)了一種適合無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備的接收機(jī)本振源。該芯片集領(lǐng)先的PLL功能和性能與完全集成的超寬帶VCO于一體，設(shè)計(jì)時(shí)只需外加環(huán)路濾波器、參考源和控制電路即可構(gòu)成完整的鎖相頻率合成器。根據(jù)實(shí)際測試，本振源的相位噪聲為_92.28 dBc/ Hz/20 kHz，頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度分別為0.278 7 ppm和0.23 ppm，均滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。通過實(shí)際工程驗(yàn)證，結(jié)果表明此本振源性能穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

ADF4350；本振源；小型化；鎖相頻率合成

隨著通信技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的高速發(fā)展，頻率源作為通信設(shè)備的重要組成部分，對其提出了越來越高的設(shè)計(jì)要求，不但要能滿足寬的頻率范圍、高的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，快速的頻率切換［1_2］，在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備中，由于對設(shè)備的體積和重量都有限制，還要嚴(yán)格控制電路板尺寸，兼顧功能和小型化要求［3_4］。

頻率合成技術(shù)是利用參考頻率源來產(chǎn)生具有一系列離散的、高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度頻率信號的一項(xiàng)技術(shù)［5］。鎖相式頻率合成器是利用鎖相環(huán)（PLL）將壓控振蕩器（VCO）的頻率鎖定在某一個(gè)頻率點(diǎn)上，由壓控振蕩器產(chǎn)生并輸出所需的頻率，這種方法輸出頻率穩(wěn)定，雜散抑制好，輸出頻率范圍寬［6_7］。隨著鎖相環(huán)電路集成化、數(shù)字化和小型化的不斷發(fā)展，當(dāng)前市場上已經(jīng)有多種集成鎖相環(huán)芯片，鎖相式頻率合成技術(shù)得到了非常廣泛的應(yīng)用［8］。

文中針對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備體積小重量輕的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一款基于AD公司鎖相環(huán)芯片ADF4350的接收機(jī)本振源，其體積小，集成度高，能夠充分滿足系統(tǒng)要求。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

接收機(jī)本振源要求工作頻率在755～764 MHz，以1 MHz步進(jìn)。頻率穩(wěn)定度要求優(yōu)于6 ppm，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于2 ppm，相位噪聲優(yōu)于_80 dBc/Hz/20 kHz。同時(shí)機(jī)載設(shè)備體積嚴(yán)格限制，要求PCB尺寸盡可能小。

根據(jù)以上系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)出基于集成鎖相環(huán)芯片ADF4350的頻率合成器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中機(jī)載處理機(jī)和單片機(jī)之間采用異步串行通信，由機(jī)載處理機(jī)發(fā)送變頻指令，單片機(jī)接收指令來切換頻率，同時(shí)將變頻狀態(tài)數(shù)據(jù)回送給機(jī)載處理機(jī)。

2　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1芯片選擇

如圖1所示，核心鎖相環(huán)芯片采用ADI公司集成鎖相環(huán)芯片ADF4350，其集領(lǐng)先的PLL功能和性能與完全集成的超寬帶VCO（2.2～4.4 GHz）于一體，具有一個(gè)1/2/4/8/16分頻電路，利用它可以產(chǎn)生低至137.5 MHz的RF輸出頻率，并且保持出色的相位噪聲性能［9］；可選擇小數(shù)分頻或整數(shù)分頻；擁有可編程輸出功率電平及RF輸出屏蔽功能；3線串行接口；模擬和數(shù)字鎖定檢測；開關(guān)帶寬快速鎖定模式。由芯片特性可以看出，此芯片集成度高，可滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，同時(shí)PCB尺寸能夠很好地控制。

其它芯片的選擇為：參考晶振選用RAKON公司20 MHz溫補(bǔ)晶體振蕩器，溫度穩(wěn)定度指標(biāo)為最大±2 ppm；單片機(jī)采用ATMEL公司AVR芯片ATmega8L_8AU；電平轉(zhuǎn)換采用ADM3202ARU。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2.2硬件設(shè)計(jì)

2.2.1單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

在ADF4350芯片中有一個(gè)兼容的SPI串行接口，供CLK、DATA和LE控制數(shù)據(jù)傳輸，CLK為串行時(shí)鐘輸入，LE為加載使能，DATA為串行數(shù)據(jù)輸入。如圖2所示，單片機(jī)ATmega8L和PLL芯片ADF4350通過三線串行接口CLK、DATA、LE進(jìn)行通信，配置ADF4350的6個(gè)寄存器，從而使芯片進(jìn)入正常的工作狀態(tài)［9］。

寄存器配置方法為：ADF4350串行接口部分包括一個(gè)32位移位寄存器，數(shù)據(jù)在每個(gè)CLK的上升沿按高位優(yōu)先的順序?qū)懭胍莆患拇嫫?，并在每個(gè)LE的上升沿將存儲在移位寄存器中的數(shù)據(jù)送入6個(gè)目標(biāo)寄存器R0～R5其中之一，實(shí)現(xiàn)頻率設(shè)置［9］。

2.2.2環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是頻率合成器設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)部分，它的性能好壞直接關(guān)系到鎖相環(huán)輸出的相位噪聲和雜散指標(biāo)［10］。

環(huán)路濾波器的主要指標(biāo)包含：環(huán)路帶寬、鎖定時(shí)間、直流增益、高頻增益和阻尼系數(shù)等，其中最為重要的參數(shù)是環(huán)路帶寬。環(huán)路帶寬與參考頻率、PFD和環(huán)路LP相位噪聲成正比關(guān)系，它與VCO的相位噪聲、鎖定時(shí)間和分辨率成反比關(guān)系。所以在各參數(shù)選擇上應(yīng)進(jìn)行折中，兼顧噪聲抑制、頻率切換時(shí)間和環(huán)路的穩(wěn)定性［10_11］。

環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)中涉及的參數(shù)多，計(jì)算公式復(fù)雜，計(jì)算難度較大。ADIsimPLL3.6仿真軟件具有強(qiáng)大的模擬仿真功能，可利用其進(jìn)行模擬仿真設(shè)計(jì)，快捷方便、準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的環(huán)路濾波器，降低設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算量，大大提高設(shè)計(jì)效率［12］。

圖3為根據(jù)ADIsimPLL3.6仿真軟件所設(shè)計(jì)出的環(huán)路濾波器，如圖3（a）所示，采用三階無源低通濾波器，環(huán)路帶寬取39.6 kHz，其他環(huán)路參數(shù)為：C1=3.3 nF，C2=39 nF，C3=1.5 nF，R1=270 Ω，R2=560 Ω。圖3（b）為仿真得出的頻點(diǎn)760 MHz相位噪聲曲線，可以看出頻點(diǎn)760 MHz的相位噪聲為_107.988 dBc/Hz/20 kHz，這是理想值。

圖2　單片機(jī)接口電路

圖3　環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

2.2.3射頻輸出電路設(shè)計(jì)

射頻輸出電路的匹配有多種方式，其中最基本的方式是將一個(gè)50 Ω電阻連接到VVC0管腳，串聯(lián)一個(gè)100 pF的直流旁路電容，該電阻與頻率無關(guān)，因而可以獲得良好的寬帶匹配性能［13_14］。更好的方案是將一個(gè)分流電感（充當(dāng)RF扼流圈）連到VVCO，這種方式可以獲得更好的匹配，從而獲得更大的功率輸出［9］。本設(shè)計(jì)采用電感匹配方式，圖4為射頻輸出部分電路原理圖，采用單端輸出，不用的輸出端RFoutA+端接方式如圖所示，其中電感L3、L4為47 nH，C11、C12為1 nF。

圖4　射頻輸出電路設(shè)計(jì)

2.3軟件設(shè)計(jì)

2.3.1系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示，上電后，設(shè)備初始化，進(jìn)行初始頻率的計(jì)算，使系統(tǒng)在默認(rèn)頻率下工作。系統(tǒng)工作穩(wěn)定后再根據(jù)需要進(jìn)行變頻操作，使系統(tǒng)可工作在設(shè)定的任意頻點(diǎn)，同時(shí)回報(bào)變頻狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖5　系統(tǒng)軟件流程圖

2.3.2數(shù)據(jù)傳送流程

圖6為數(shù)據(jù)傳送流程圖。ADF4350數(shù)字部分包括一個(gè)10 位RF R計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位RF N計(jì)數(shù)器、一個(gè)12位FRAC計(jì)數(shù)器、一個(gè)12位模數(shù)計(jì)數(shù)器，分別通過配置6個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入［9］。其中R0配置16位INT值和12位FRAC值，R1配置12位相位值和12位MOD值，R2配置10位R值以及MUXOUT輸出等參數(shù)，R3配置12位時(shí)鐘分頻值等參數(shù)，R4配置RF輸出功率等參數(shù)，R5為鎖定檢測。數(shù)據(jù)在每個(gè)CLK的上升沿時(shí)逐個(gè)輸入32位移位寄存器，數(shù)據(jù)輸入方式是MSB優(yōu)先［15］。在LE上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)從移位寄存器傳輸至6個(gè)鎖存器之一。目標(biāo)寄存器的選擇取決于32位移位寄存器的3個(gè)控制位（C3、C2、C1），這些控制位是3個(gè)LSB：DB2、DB1、DB0［9］。

圖6　數(shù)據(jù)傳送流程圖

3　測試結(jié)果

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)法所設(shè)計(jì)出的遙控接收機(jī)本振源實(shí)測頻譜圖如圖7所示。圖（a）為頻點(diǎn)760 MHz在頻譜儀頻率跨度span為1kHz時(shí)的頻譜圖，圖（b）為頻點(diǎn)760 MHz在span為40 kHz時(shí)的頻譜圖。可以看出頻點(diǎn)760 MHz的相位噪聲為_ 92.28 dBc/Hz/20 kHz；計(jì)算出的頻率準(zhǔn)確度為0.278 7 ppm；根據(jù)高低溫試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出的頻率穩(wěn)定度為0.23 ppm?？煽闯?，所有指標(biāo)均達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)要求。圖8為實(shí)拍本振電路板。

圖7　測試頻譜圖

4　結(jié)論

根據(jù)對接收機(jī)本振源的調(diào)試及實(shí)際工程應(yīng)用，結(jié)果證明本振源各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了系統(tǒng)要求，充分滿足了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈遙控接收機(jī)的使用要求。

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圖8　本振電路板

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A hlghly lntegrated fractlonal-N frequency source system deslgn

CAO Hui，QU Yu
（Institute 365，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China）

For the characteristicsof sma11 size and 1ight weightof UAV data1ink airborne equipment，a receiver 1oca1 osci11ator suitab1e for UAV data 1ink airborne equipment based on integrated PLL chipADF4350 is designed in this paper.The chip puts together 1eading PLL functiona1ity and performance with fu11y integrated u1tra_wideband VCO，simp1y add the 1oop fi1ter，the reference source and contro1 circuitry to form a comp1ete PLL frequency synthesizer.According to actua1 testing，the phase noise of 1oca1 osci11ator is_92.28 dBc/Hz/20 kHz，and the frequency accuracy and stabi1ity are 0.23 ppm and 0.278 7 ppm，fu11y meet the requirements of the system.Through practica1 engineering verification，the resu1ts show that the 1oca1 osci11ator is stab1e and re1iab1e，and it has a strong engineering practicabi1ity.

ADF4350；1oca1 osci11ator；miniaturization；PLL frequency synthesizer

TN91

A

1674_6236（2016）10_0114_03

2015_12_08稿件編號：201512091

總裝航空支撐項(xiàng)目（619011101103）

曹輝（1979—），女，陜西西安人，碩士，工程師。研究方向：無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。