頻率合成器是發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)中的核心器件,，采用相位負反饋頻率控制技術(shù)，具有良好的窄帶載波跟蹤性能和帶寬調(diào)制跟蹤性能,，為系統(tǒng)上,、下變頻提供本振信號，對相位噪聲和雜散具有很好的抑制作用,，通過鎖相頻率合成技術(shù)實現(xiàn)的頻率源已經(jīng)在雷達,、通信、電子等領域得到了廣泛應用,。
本文以GPS信號源設計為參考,，介紹ADI公司的頻率合成器ADF4360-4在GPS信號源設計中的典型應用。
1 信號源系統(tǒng)組成
1.1 系統(tǒng)設計
根據(jù)文獻了解了GPS信號的結(jié)構(gòu)特點,，本文設計GPS信號源的目的是模擬衛(wèi)星發(fā)射的GPS信號,，也就是對GPS信號進行基帶調(diào)制并產(chǎn)生頻率為1 575.42 MHz的GPS射頻信號，根據(jù)文獻,，在系統(tǒng)總體設計中,，采用超外差上變頻思路，根據(jù)系統(tǒng)設計特點,，分數(shù)字電路和模擬電路兩部分,，系統(tǒng)設計如圖1所示，數(shù)字電路部分設計采用軟件無線電的思路,，利用FPGA芯片完成GPS信號的基帶調(diào)制和中頻調(diào)制,，輸出8 b的GPS數(shù)字中頻信號，通過D/A器件轉(zhuǎn)換為模擬信號后送到模擬電路;模擬電路部分是整體設計的核心,，主要是進行射頻電路板的設計與實現(xiàn),，采用頻率合成器、混頻器等器件,，對信號進行混頻,，濾波，功率控制等,，將GPS中頻信號混頻調(diào)制到射頻信號,，利用射頻電路完成上變頻功能。
1.2 模塊設計
(1)數(shù)字電路：數(shù)字電路部分就是基帶/中頻模塊設計,，采用軟件無線電思路,，根據(jù)文獻，利用FPGA芯片產(chǎn)生GPS導航電文(D碼),、C/A碼,、數(shù)字中頻載波，對它們進行基帶調(diào)制,、擴頻調(diào)制輸出GPS數(shù)字中頻信號,，其中GPS信號調(diào)制原理如圖2所示,，主要由C/A碼模塊、D碼模塊,、DDS模塊和調(diào)制模塊等組成,。其中C/A碼模塊產(chǎn)生速率l.023MHz的第i顆衛(wèi)星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個碼片,，持續(xù)周期是1 ms;D碼模塊產(chǎn)生速率50 Hz的第i顆衛(wèi)星的導航電文(D碼);DDS模塊產(chǎn)生速率12.5 MHz的數(shù)字載波信號;調(diào)制模塊對C/A碼,、D碼和載波信號進行擴頻調(diào)制和BPSK調(diào)制，輸出12.5 MHz的GPS數(shù)字中頻信號,。
(2)模擬電路：根據(jù)文獻,，模擬電路部分就是射頻模塊設計，利用頻率合成器,、混頻器,、濾波器和衰減器等器件進行射頻電路設計，基本原理如圖1所示的模擬部分,，功能是將GPS信號由中頻搬移到射頻上,，通過濾波器濾波，經(jīng)可調(diào)衰減器調(diào)整功率后輸出GPS射頻信號,，完成上變頻功能。
2 頻率合成器ADF4360-4
2.1 工作原理及其性能
頻率合成器主要功能是為系統(tǒng)上下變頻提供本振信號,，多應用于發(fā)射機和接收機系統(tǒng)設計中,，通常由數(shù)字鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF),、壓控振蕩器 (VCO)和可編程計數(shù)器(R計數(shù)器和N計數(shù)器)等組成,，數(shù)字鑒相器(PD)對R計算器與N計數(shù)器的輸出信號進行相位比較，得到一個誤差電壓,，經(jīng)環(huán)路濾波器(LF)后控制壓控振蕩器(VCO)產(chǎn)生所需頻率,。
頻率合成器ADF4360-4是ADI公司生產(chǎn)的高性能鎖相頻率合成芯片，是一款雙模前置分頻型單環(huán)頻率合成器,，在不改變頻率分辨率時,，能有效提高頻率合成器的輸出頻率;其主要性能有，輸出頻率范圍為1450～1750 MHz,，可選擇二分頻,，選擇二分頻時輸出信號頻率為725～875 MHz;工作電壓為3～3.6V;輸出信號的功率可控制范圍為-13～-4 dBm;可編程雙模前置分頻器的分頻比為8/9，16/17,，32/33;能夠進行模擬和數(shù)字鎖定檢測;芯片內(nèi)部集成了VCO等,。ADF4360-4的工作原理如圖3所示，P/(P+1)為高速雙模前置分頻器,，其分頻模數(shù)為P+1和P,，A為5位脈沖吞咽可編程計數(shù)器,，B為13位主可編程計數(shù)器，R為14位可編程參考分頻器,，MC為?？刂七壿嬰娐贰Ｔ撈骷ㄟ^可編程5位A計數(shù)器,、13位B計數(shù)器及雙模前置分頻器(P/P+1)來共同確定主分頻比 N(N=BP+A),，14位可編程參考R分頻器對外部晶振分頻后得到參考頻率fr=f0/R，因此,，設計時只需外加環(huán)路濾波器,，并選擇合適的參考值，可獲得穩(wěn)定的頻率輸出,，其輸出頻率為f0=fi/R(A+BP),，式中，fi為輸入頻率,，由外部晶振提供,。
2.2 應用電路設計
在模擬電路射頻模塊中，頻率合成器ADF4360-4為混頻器提供本振信號,，其應用電路如圖4所示,，頻率合成器的模擬輸入是外部溫補晶振，晶振通過一個濾波器將標準時鐘送到ADF4360-4的16腳REFin;頻率合成器的輸出管腳是4腳：RFoutA和5腳RFoutB,，這兩路輸出差分高頻信號,，通過匹配網(wǎng)絡和諧振濾波網(wǎng)絡送入混頻器的差分輸入端;第17～19管腳分別是頻率合成器初始化時控制數(shù)據(jù)的CLK腳、DATA腳,、LE腳,，與測試輸出用的20腳MUXOUT一并接到一個5針插頭，以便與FPGA芯片連接,，作為其輸入輸出控制接口;12腳Cc為補償管腳,，連一個電容接地;13腳 Rset用來設置電荷泵輸出最大電流的大小，電流大小由公式ICPmax=11.75/Rest決定,，本電路中Rest=4.7 kΩ;14腳CN連一個電容接Vvco去耦;6腳VCO電源,、21腳數(shù)字電源和2腳模擬電源分開放置，分別加去耦電容;其他的模擬地和數(shù)字地直接接地,。
2.3 初始化設計
頻率合成器ADF4360-4通過高速雙模前置分頻器P,，5位脈沖吞咽可編程計數(shù)器A，13位主可編程計數(shù)器B和14位可編程參考R分頻器共同決定主分頻比,，其輸出頻率為
,。模擬電路中使用輸入晶振為fi=11.289 6 MHz，數(shù)字電路部分輸出GPS信號頻率為12.5 MHz,，經(jīng)過推算可以設置頻率合成器參數(shù)A=5,，B=34,，P=8，因此頻率合成器輸出本振信號頻率為.f0=1 563.609 8 MHz,。
頻率合成器ADF4360-4內(nèi)部有3個24位寄存器,，R寄存器、C寄存器和N寄存器,，由于寄存器是用來暫存指令和數(shù)據(jù)的,，每次掉電后原來寫入寄存器的數(shù)據(jù)也就丟失了，因此每次上電時,，必須重新給寄存器寫入數(shù)據(jù)才能獲得所需的本振輸出,。通電時寄存器數(shù)據(jù)寫入順序是R寄存器、C寄存器和N寄存器,，寄存器數(shù)據(jù)輸入程序用VHDL語言編寫,，采用FPGA芯片來控制，其中3個24位寄存器的初始化設置值如表1所示,。其中每個寄存器最末兩位DBl和DB0用來決定目標寄存器,，比如“01”代表R寄存器，“10”代表N寄存器,，“00"代表C寄存器;R寄存器的DBl5～DB2用來設置14位可編程參考分頻器R,，N寄存器的DB20～DB8用來設置 13位主可編程計數(shù)器B，DB6～DB2用來設置5位脈沖吞咽可編程計數(shù)器A,，C寄存器的DB23和DB22用來決定高速雙模前置分頻器P,，比如“OO” 表示P=8，C寄存器的DBl3和DBl2用來設置輸出功率大小,，例如“10”表示頻率合成器輸出功率大小是-7 dBm，可以根據(jù)實際需要調(diào)整輸出功率的大小
ADF4360-4的3個寄存器數(shù)據(jù)寫入是通過ADI公司的FPGA芯片PlC6Q240C8的3個雙向I/O口來實現(xiàn)的,，連接原理如圖4所示,，F(xiàn)PGA芯片的3個雙向I/O口，分別連接ADF4360-4的LE腳,、DATA腳,、CLK腳，其中CLK為串行時鐘輸入,，DATA為串行數(shù)據(jù)輸入,，LE為加載使能。ADF4360-4初始化時序如圖5所示,。首先由DATA腳在每個CLK的上升沿從MSB(最高有效位)開始依次寫入24位移位寄存器中的數(shù)據(jù),，并根據(jù)LE腳的上升沿信號一次性將輸入的24 b數(shù)據(jù)加載到目標寄存器，然后再進行下一個目標寄存器的初始化,，其中C寄存器和N寄存器的賦值間隔應該大于5 ms,。
3 實驗結(jié)果
數(shù)字電路模塊的核心是基帶/中頻模塊,，采用ADI公司的FPGA芯片EPlC6Q240C8，該芯片采用130 nm工藝,，邏輯單元有5 980個,，在Quart-usⅡ8.O平臺下測試，測試結(jié)果是GPS信號調(diào)制占用邏輯單元337個,，采用ModelSim仿真平臺,，編寫TestBench測試文件，在ModelSim平臺下導出時長1 ms的GPS信號數(shù)據(jù),，在Matlab上進行功率譜分析,，仿真波形如圖6(a)所示，中心頻率是12.5 MHm將基帶/中頻模塊輸出的GPS中頻信號送到安泰頻譜分析儀AT5011進行頻譜分析,，頻譜波形如圖6(b)所示,，信號中心頻率為12.5 MHz，中頻信號能量主要集中在主瓣上,，仿真結(jié)果和實測結(jié)果相符合,。
模擬電路的射頻模塊在進行PCB電路設計時，需要考慮的問題是噪聲干擾,，噪聲干擾是影響射頻電路性能的重要因素,，在PCB布局時要考慮數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾，大功率器件和小功率器件之間的干擾,，供電電源的噪聲干擾,，高頻線的布線及接地等因素。射頻模塊的驗證是觀察是否將GPS中頻信號上變頻為1 575.42 MHz的信號,，測試中將射頻模塊輸出的GPS射頻信號經(jīng)60 dB衰減后送到頻譜分析儀,，頻譜顯示信號是一個單頻信號，中心頻率是1 575.4 MHz,，測試符合系統(tǒng)設定要求,。
4 結(jié)語
通過分析頻率合成器ADF4360-4的工作原理、性能特點及其應用電路設計,，結(jié)合GPS信號源設計,，提出了以FPGA芯片和頻率合成器為核心的 GPS信號源的總體設計方案，分數(shù)字電路和模擬電路兩部分進行了設計與實現(xiàn),，并給出了實驗測試,。結(jié)果表明，以FPGA為核心的基帶/中頻模塊實現(xiàn)了GPS 信號的BPSK調(diào)制,，擴頻調(diào)制,，輸出了12.5 MHz的GPS中頻信號;以頻率合成器ADF4360-4為核心的射頻模塊完成了上變頻功能，將GPS中頻信號調(diào)制到射頻1 575.4 MHz上，測試滿足系統(tǒng)設計要求,。