文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)10-0085-03
隨著現(xiàn)代雷達領域的電磁頻譜不斷拓寬,,對接收機的帶寬也提出了要求。而寬帶的接收機必然需要寬帶的頻率源,,將寬帶信號下變頻到窄帶的中頻信號,,以便處理。在寬帶頻率源的設計上,,傳統(tǒng)的直接頻率合成技術需要大量的分頻器,、倍頻器和濾波器等,體積大,,不利于設備的小型化,。DDS(直接數(shù)字頻率合成技術)輸出的頻率較低,不適合直接應用在寬帶系統(tǒng)中,,且其有限量化位會帶來不易控制的雜散,。而使用由鑒相器、濾波器和VCO等組成的PLL(鎖相環(huán))系統(tǒng),,只要VCO選擇在所需的帶寬之上,,設計難度就不會太大。
本論文需要設計一寬帶頻率源,,具體指標為:頻帶范圍4 GHz~8 GHz;相噪小于-80 dBc/Hz@10 kHz;雜散小于-60 dBc;變頻時間小于30 μs;頻率分辨率為10 MHz;功率大于-10 dBm,。
1 頻率源設計
1.1 器件選擇
本文采用基于鎖相環(huán)的設計方法, 鎖相環(huán)框圖如圖1所示,。
其中Fref為參考輸入,一般由晶振提供,。Fout為最終輸出頻率,。
本文選擇Hittite公司的PLL芯片HMC702,該芯片內(nèi)置了R分頻器,、鑒相器和N分頻器,,最高支持14 GHz的頻率,相噪雜散水平也十分優(yōu)異,,有小數(shù)模式和整數(shù)模式可供選擇。而VCO的選擇,,根據(jù)頻率范圍,,選擇HMC586。它是一款MMIC寬帶VCO,,圖2為其調(diào)節(jié)電壓和頻率之間的關系圖,從圖中可以看出其可以覆蓋4 GHz~8 GHz[1],。
1.2 環(huán)路濾波器設計
如圖1所示,環(huán)路濾波器在環(huán)路中處于鑒相器和VCO之間,不但可以濾除來自晶振的噪聲,、鑒相器本身的輸出噪聲和載頻分量以及減少鑒相頻率的泄露,,還可以濾除來自VCO的噪聲,但最重要的是建立起環(huán)路的動態(tài)特性[2]。
由圖2可以看出,在4 GHz~8 GHz時,,VCO的調(diào)節(jié)電壓約為0.8 V~14.2 V,,而HMC702所能給出的電壓為0.5 V~4.5 V[3],所以需采用有源環(huán)路。這里采用AD公司的OP184運放,,該運放為軌到軌運放,,噪聲為3.9 nV/√Hz,適合應用于有源環(huán)路中,。另外由于系統(tǒng)5 V供電,,所以需要采用升壓電路將5 V電壓升到16 V。濾波器的設計采用Hittite PLL Design軟件進行設計,。為了獲得盡可能快的變頻速度,,環(huán)路帶寬需盡量寬。但是為了利于設備的小型化,,晶振使用的是某國產(chǎn)貼片晶振,,相噪并不十分理想,為了濾除晶振的噪聲,環(huán)路帶寬需要足夠窄[4]。這里結合設計指標,,并利用Hittite PLL Design進行仿真,,最終設定環(huán)路帶寬為250 kHz,相位裕度為80°,,計算得到的四階有源環(huán)路濾波器如圖3所示,。
1.3 芯片寄存器操作及控制電路設計
HMC702中R分頻器系數(shù)、N分頻器系數(shù)等通過內(nèi)部寄存器進行設定,。以SPI協(xié)議的形式向內(nèi)部寄存器寫數(shù)據(jù),。設定芯片工作在整數(shù)分頻模式,,電荷泵電流為4 mA,需要對寄存器01h,、03h,、06h、07h,、08h,、12h、0Fh進行寫數(shù)據(jù),。01h控制芯片內(nèi)部各個模塊的使能,;03h控制R分頻,因為要獲得10 MHz的頻率分辨率,,且HMC702內(nèi)部環(huán)路中存在固定的2分頻,,根據(jù)式1可得當晶振為50 MHz時,R分頻系數(shù)需設定為10,;06h控制鑒相器延遲,;07h控制電荷泵電流;08h控制電荷泵偏移電流,;12h控制分頻模式,;0Fh控制N分頻器系數(shù),即控制輸出頻率,,該寄存器由外部主機寫入,。
控制電路采用Xilinx公司的XC3S200 FPGA,系統(tǒng)加電后,,由FPGA寫入前6個寄存器的值,,每個寄存器的寫入時序如圖4所示, 前6 bit為對應寄存器地址,,后24 bit為寄存器的值,。
然后系統(tǒng)接受外部頻率字變頻,設定頻率字為14 bit,為減少連線并加快傳輸速度,,采用了串行輸入和SPI協(xié)議,。FPGA讀取外部以SPI協(xié)議輸入的14 bit頻率字,再封裝成31 bit以圖4的時序寫進PLL芯片, 即可完成變頻,。
2 測試系統(tǒng)設計
2.1 硬件設計
頻率源的測試方法是,,以SPI協(xié)議寫入14 bit頻率字,然后使用對應儀器觀察相噪,、變頻時間等指標,。
利用PC機編寫相應軟件,并以PC機自帶的RS232串口輸出控制信號實現(xiàn)變頻,是一種十分方便,、直觀的測試方法,。這就涉及到串口協(xié)議到SPI協(xié)議的轉換。為了實現(xiàn)該功能,,設計如圖5所示的框圖,。
由PC經(jīng)串口發(fā)出的信號,經(jīng)過MAX232轉為TTL電平,,送入FPGA后轉為SPI協(xié)議,,SCLK為時鐘,SDI為數(shù)據(jù),,CS為使能信號,。由于所需頻率字為14 bit,而串口一次只能發(fā)8 bit,,所以采用發(fā)送兩次串口數(shù)據(jù),其中最高位為識別位,,其余7 bit為數(shù)據(jù)位,,再將其組合成14 bit數(shù)據(jù)。Verilog編寫程序時,,規(guī)定如先檢測到最高位為0的8 bit數(shù)據(jù),,再檢測到最高位為1的8 bit數(shù)據(jù),即將這兩組數(shù)據(jù)組合,,再轉為圖4所示的SPI數(shù)據(jù)格式,。
2.2 軟件設計
采用PC串口工具發(fā)送數(shù)據(jù)時,可以采用串口調(diào)試工具,。但本論文需要連續(xù)發(fā)兩次,,還需具體計算,比較麻煩,。為了測試的方便,,采用Matlab的串口函數(shù)來控制串口,并采用其GUI編程編出一簡易的圖形界面,。關鍵代碼如下,,發(fā)兩組數(shù)據(jù),第一組最高位為0,,第二組最高位為1,。
freq = str2double(get(handles.freq,'string'))/10;
zero8=bitset(uint8(bi2de(bitget(freq,8:14))),8,0);
one8=bitset(uint8(bi2de(bitget(freq,1:7))),8,1);
s=serial('com7','BaudRate',9600,'DataBits',8);
fopen(s);
fwrite(s,zero8,'uint8');
fwrite(s,one8,'uint8');
fclose(s);
delete(s);
3 測試結果
首先測試由4 GHz變頻到6 GHz的變頻時間。采用示波器測試VCO的Vtune端口電壓變化情況,。測試結果如圖6所示,,圖中曲線1的下降沿,表示SPI數(shù)據(jù)已經(jīng)寫進芯片的時刻。變頻時間約為19.7 μs,。SPI時鐘50 MHz,,讀14 bit,寫31 bit所需時間為0.9 ?滋s,。所以從外部控制字寫完到實現(xiàn)變頻所需時間約為20.6 ?滋s,小于30 μs,。
接著測量相噪雜散水平,為了證明其寬帶變頻和10 MHz的頻率分辨率,,分別給出4.32 GHz,、6 GHz、8 GHz的測試結果,,如圖7所示,。其中圖7(a)為4.32 GHz,span為100 kHz,RBW為100 Hz,所以此時相噪為-88.2 dBC/Hz@10 kHz,;圖7(b)為6 GHz,span為100 kHz,,RBW為100 Hz,所以此時相噪為-95.4 dBC/Hz@10 kHz,;圖7(c)為8 GHz, span為20 MHz,,RBW為10 kHz,可見此時出現(xiàn)了-62.7 dBc的雜散,此雜散偏離中心頻率5 MHz為鑒相頻率泄露造成,。
本論文設計了基于鎖相環(huán)的C波段寬帶頻率源,,由以上測試結果看,所有指標均滿足要求,,設計獲得成功,。所以利用鎖相環(huán)結構配合寬帶VCO,是設計寬帶頻率源的有效方法,。對于控制方式為SPI協(xié)議的系統(tǒng),,測試時采用PC串口轉SPI協(xié)議,是一種非常方便、直觀的測試方法,。
參考文獻
[1] Hittite Microwave Corporation. HMC586LC4B Datasheet[EB/OL].2011.[2012-2-24].http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc586lc4b.pdf.
[2] 潘玉劍,,張曉發(fā),袁乃昌. 基于HMC830的低相噪低雜散頻率源的設計[J]. 電子設計工程,,2011,19(19):180-182.
[3] Hittite Microwave Corporation. HMC702LP6C Datasheet[EB/OL].2011.[2012-2-24].http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc702lp6c.pdf.
[4] Gardner, FLOYD M.鎖相環(huán)技術[M]. 姚劍清,,譯.北京: 人民郵電出版社,2007.