作者：趙穎輝，袁安民，戚云軍

頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生頻率源的一種現(xiàn)代化手段，他已廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、電子偵察、干擾與反干擾、遙控遙測(cè)及現(xiàn)代化儀器儀表中。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得頻率合成技術(shù)在通信中的作用日益顯著。

以往的頻率合成器都是用分立元件和小規(guī)模集成電路組裝起來(lái)的，技術(shù)復(fù)雜，可靠性低、功耗大、體積大、成本高。隨著半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了許多用于頻率合成的大規(guī)模集成電路。在這些大規(guī)模集成電路中，把頻率合成器的主要部件如參考分頻器、程序分頻器、鑒相器、鎖定指示器、甚至微處理器等集成在同一芯片上。再配上參考振蕩器、壓控振蕩器、環(huán)路濾波器及高速前置分頻器，即可構(gòu)成完整的頻率合成器。這使得頻率合成器的成本、體積和功耗都大大下降，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)試的復(fù)雜程度，而可靠性則明顯提高。大規(guī)模集成鎖相環(huán)頻率合成器電路的出現(xiàn)，為頻率合成器的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景。

1 頻率合成器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的頻率合成器，要求相位噪聲低，輸出頻率800～1 000 MHz，共88個(gè)波道，通過(guò)單片機(jī)發(fā)送的頻率控制字進(jìn)行波道選擇。在對(duì)比各種大規(guī)模集成頻率合成芯片性能的基礎(chǔ)上，選用了單片大規(guī)模集成鎖相環(huán)頻率合成芯片PE3236作為核心電路，構(gòu)成鎖相式頻率合成器。

1．1 集成鎖相環(huán)頻率合成芯片PE3236

集成鎖相環(huán)頻率合成芯片PE3236是Peregrine公司生產(chǎn)的一種高性能整數(shù)分頻PLL芯片，最高分頻頻率可達(dá)2．2 GHz。PE3236采用了UTSiCMOS技術(shù)，具有超低相位噪聲的優(yōu)良性能，成為了蜂窩網(wǎng)／PCS基站、無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路基站的理想選擇。

PE3236由高速前置分頻器、計(jì)數(shù)器、鑒相器和控制邏輯組成。高速前置分頻器采用吞脈沖分頻技術(shù)，通過(guò)模式選擇確定對(duì)VCO輸出頻率÷10還是÷11；主計(jì)數(shù)器M和參考計(jì)數(shù)器R分別對(duì)雙模前置分頻器輸出頻率和參考頻率進(jìn)行分頻；輔助計(jì)數(shù)器A用于模式選擇控制邏輯；鑒相器產(chǎn)生上下頻率控制信號(hào)；還具有鑒相頻率檢測(cè)、時(shí)鐘檢測(cè)引腳。各計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以通過(guò)串行或并行接口編程實(shí)現(xiàn)，也可以直接通過(guò)連線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。該芯片具有功耗低、相位噪聲低、雜散小、分頻頻率高、編程靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

主計(jì)數(shù)器輸出頻率fp和參考計(jì)數(shù)器輸出頻率fc即為鑒相頻率，他們和輸入頻率、參考頻率的關(guān)系為： fp＝fin／［10×（M＋1）＋A］ A≤M＋1，M≠0

fc＝fr／（R＋1） R≥0

當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，應(yīng)有：fp=fc。

因此，芯片的輸入頻率fin與參考頻率fr的關(guān)系為：

1．2 頻率合成器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的頻率合成器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

通過(guò)串行口，來(lái)自單片機(jī)的頻率控制字對(duì)集成鎖相芯片PE3236的內(nèi)部分頻器進(jìn)行設(shè)置，將所需頻率fo進(jìn)行10×（M＋1）次分頻作為一路鑒相輸入，將參考頻率fr進(jìn)行（R＋1）分頻作為另一路鑒相輸入，通過(guò)鑒相器后得到反映兩路鑒相信號(hào)誤差的輸出PD_U 和PD_D-，PD_U和PD_D經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器，對(duì)噪聲和雜散等干擾進(jìn)行抑制后得到VCO的控制電壓，控制VCO工作，使VCO輸出頻率鎖定在fo（fo＝［10×

改變單片機(jī)控制數(shù)據(jù)，可以選擇不同的波道。

1．3 環(huán)路濾波器對(duì)相位噪聲性能的影響分析

隨著無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)性能的提高，信號(hào)源相位噪聲的要求常常是整個(gè)系統(tǒng)的制約因素。對(duì)頻率合成器的相位噪聲影響因素很多，這里對(duì)環(huán)路濾波器的影響作以簡(jiǎn)要分析。

在鎖相環(huán)頻率合成器中，環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是非常重要的。在環(huán)路帶寬內(nèi)，鑒相器強(qiáng)迫壓控振蕩器（VCO）跟蹤參考頻率，將參考振蕩器的相位噪聲映射到VCO上。這一過(guò)程受到鑒相器噪聲基底的支配，因?yàn)殍b相器噪聲基底通常比參考振蕩器的相位噪聲高。由于補(bǔ)償頻率高于環(huán)路帶寬，環(huán)路就不能很好的跟蹤參考頻率，總的相位噪聲等于VCO的相位噪聲，因此要將環(huán)路帶寬設(shè)置在鑒相器噪聲基底與VCO自由振蕩時(shí)相位噪聲的交叉點(diǎn)上。過(guò)寬和過(guò)窄的環(huán)路帶寬雖然對(duì)VCO的相位噪聲有一定的改善，但不能很好地提高PLL的相位噪聲性能。

在本設(shè)計(jì)中，環(huán)路濾波器是由精密運(yùn)算放大器OP27組成的有源比例積分濾波器，如圖2所示。為了很好地降低PLL相位噪聲，合適的選擇環(huán)路元件值是非常必要的。

2 測(cè)試結(jié)果

在以上設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，制作了一個(gè)L波段的頻率合成器，實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

工作頻率：800～1 000 MHz，88個(gè)波道。頻率穩(wěn)定度：±1×10－6。

輸出功率：≥＋7 dBm。

相位噪聲：≤－90 dB（偏離中心頻率10 kHz處）。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著雷達(dá)、電子對(duì)抗、航空航天、通訊及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率合成技術(shù)的要求更加嚴(yán)格。集成鎖相環(huán)頻率合成器體積小、功耗小、成本低、功能全、靈活性大、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越引起了人們的重視。本文采用大規(guī)模集成鎖相環(huán)頻率合成芯片PE3236，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)L波段頻率合成器。該頻率合成器已經(jīng)成功應(yīng)用于分米波儀表著陸設(shè)備外場(chǎng)檢測(cè)儀中，運(yùn)行良好。

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