李 壘

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司衛(wèi)星通信技術(shù)研究所，南京 210094）

0 引言

近年來(lái)，衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展和各類機(jī)載、車載、地面等終端設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)終端設(shè)備的體積和功耗要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的鎖相環(huán)和壓控振蕩器為兩種獨(dú)立的器件，尺寸較大，無(wú)法滿足越來(lái)越迫切的產(chǎn)品小型化需求[1][2][3]，本文利用ATMEL公司的8位單片機(jī)ATTINY9結(jié)合TI公司新一代集成VCO的頻合器LMX2572設(shè)計(jì)了一款輸出頻率為4875MHz的鎖相頻率源。

設(shè)計(jì)要求：

（1）相位噪聲＜-70dBc@100Hz，＜-80dBc@ 1kHz，＜-90dBc@10kHz，＜-100dBc@100kHz。

（2）輸出電平≥5dBm。

1 硬件選擇與實(shí)現(xiàn)

1.1 硬件選擇

LMX2572是美國(guó)TI公司2019年推出的一款低功耗、高性能寬帶合成器，可以輸出12.4MHz到6.4GHz之間的任何頻率且不需要內(nèi)部倍頻，這就大大減少了混頻輸出的本振產(chǎn)生的分頻和倍頻雜散，PLL可提供優(yōu)異的性能，在3.3V單電源中的電流消耗僅為75mA。LMX2572允許用戶同步多個(gè)器件的輸出，并可支持需要輸入和輸出之間具有確定延遲的應(yīng)用并提供了一個(gè)可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)相位的選項(xiàng)，以解決電路板上或器件內(nèi)的延遲不匹配問(wèn)題；芯片內(nèi)部的頻率斜升發(fā)生器可在自動(dòng)斜坡生成選項(xiàng)或手動(dòng)選項(xiàng)中最多合成2段斜坡，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。通過(guò)快速校準(zhǔn)算法，用戶可在不到20μs的時(shí)間內(nèi)改變頻率。LMX2572集成了通過(guò)3.3V單電源供電的LDO，無(wú)需再配備板載低噪聲LDO，綜合以上描述LMX2572為目前業(yè)界同類產(chǎn)品中比較領(lǐng)先的一款芯片，在100kHz偏頻和6.4GHz載波的情況下具有-106dBc/Hz的超低相位噪聲[4]。

單片機(jī)選用的是ATMEL公司ATTINY9芯片，該單片機(jī)是一個(gè)6個(gè)引腳的8位單片機(jī)，尺寸小，功耗低，其內(nèi)部含有32Byte的可編程可擦除存儲(chǔ)器[5]。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少單片機(jī)中的雜散干擾，在單片機(jī)與LMX2572連接之間接入10k電阻和皮法級(jí)別的接地電容。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

該鎖相頻率合成器的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由頻率合成器LMX2572、單片機(jī)、環(huán)路濾波器、參考源組成。參考源為高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的晶體振蕩器產(chǎn)生的10MHz經(jīng)過(guò)5倍頻而來(lái)，然后利用鎖相環(huán)路良好的跟蹤特性，使內(nèi)部壓控振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確地穩(wěn)定在參考頻率或某次諧波上。LMX2572中設(shè)有預(yù)分頻器和倍頻器，可根據(jù)需要選用哪種電路來(lái)獲得鑒相頻率，本文采用100MHz鑒相。下圖中fo為輸出頻率，fosc為晶振頻率，fREF為參考頻率，fcom為輸出頻率分頻后的鑒相比較頻率。

圖1 LMX2572鎖相頻率合成器結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

4875MHz輸出頻率時(shí)的原理圖如圖2所示。圖中LMX2572的CP腳外接電容8.2nF、180nF和電阻47Ω構(gòu)成的兩階環(huán)路濾波器，其環(huán)路帶寬為45kHz左右。LMX2572各供電管腳的濾波電容排版時(shí)盡量接近管腳，降低電源的低頻干擾。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

利用TI公司的輔助設(shè)計(jì)工具TICSPRO-SW軟件計(jì)算出125組寄存器值，很多項(xiàng)只有地址位，可以忽略，針對(duì)單一頻點(diǎn)輸出的特點(diǎn)，刪除掉多余的無(wú)關(guān)項(xiàng)和冗余項(xiàng)，最后選取寄存器值如下：

R46：0x2E07F1 R45：0x2DCE1F

R44：0x2C1F83 R43：0x2B02EE

R39：0x2703E8 R37：0x258205

R36：0x240030

R34：0x220010 R12：0x0C5001

R11：0x0BB018 R10：0x0A10F8

R9：0x091004 R0：0x00211C

3 模擬仿真

利用TI公司的仿真軟件PLLatinum Sim設(shè)置如下：參考頻率為50MHz，鑒相頻率為100MHz，電荷泵電流為5mA，輸出頻率為4875MHz，環(huán)路帶寬為45kHz，相位裕度選用60°由模擬仿真曲線圖3可以看出各個(gè)典型值的相位噪聲為：-90dBc@100Hz，

-100dBc@1kHz，-100dBc@10kHz，-110dBc@ 100kHz，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 模擬仿真曲線圖

4 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

根據(jù)原理圖結(jié)合射頻電路板設(shè)計(jì)規(guī)范制作了實(shí)物電路板，對(duì)較為敏感的芯片供電腳處都加了相應(yīng)電容進(jìn)行濾波處理，尤其是單片機(jī)和頻合器通信電路上數(shù)據(jù)線要盡量短并濾波處理，減少雜波對(duì)數(shù)字信號(hào)的干擾。

利用是德科技的N9030A型頻譜儀對(duì)實(shí)物電路進(jìn)行了測(cè)試，輸出頻率在SPAN 200k下如圖4（a）所示，可以看出頻率比較干凈，沒(méi)有明顯的近端雜散；圖4（b）為頻寬為5GHz下的遠(yuǎn)端雜散，可以看出在信號(hào)的1/2分頻處沒(méi)有雜散輸出，此頻合器的近端和遠(yuǎn)端雜散都是非常優(yōu)良的，頻合器電平輸出頻譜儀測(cè)試大小為-0.15dBm左右，用校準(zhǔn)后的功率計(jì)準(zhǔn)確測(cè)試為7dBm左右；圖4（c）為頻譜儀自動(dòng)相位噪聲測(cè)試模式下的實(shí)測(cè)值，分別為為-78dBc@100Hz、-95dBc @1kHz、-100dBc@10kHz、-105dBc@100kHz完全滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 實(shí)測(cè)結(jié)果曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

頻率源作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的最核心的部件之一，相較于其他如雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)相位噪聲的要求很高，如果近端相噪不好會(huì)影響后續(xù)的調(diào)制解調(diào)的難度，導(dǎo)致誤碼率上升，嚴(yán)重者會(huì)引起通信中斷。本文設(shè)計(jì)的頻率源，選用了最新一代的頻合器芯片，空間尺寸小、功耗低，性能可靠，而且可以通過(guò)改變單片機(jī)軟件控制關(guān)鍵字及利用芯片的輸出頻率速度快的特點(diǎn)獲得一系列跳頻源，增加通信的抗干擾能力，具有較好的擴(kuò)展性，有著廣泛的應(yīng)用前景。