基于HMC703鎖相環(huán)的X波段線性掃頻源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

秦聚超，姜 弢

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱150001)

線性掃頻源是調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)(Frequency Modulated Continuous Wave Radar System)的核心，其性能將直接影響系統(tǒng)整體性能［1-3］。采用分立元件制作的線性掃頻源，為了提高線性度，加入了很多控制器，導(dǎo)致線性掃頻源系統(tǒng)很復(fù)雜、體積大，線性度一般為±5%左右，量產(chǎn)與調(diào)試比較困難，在很多的場合不能滿足要求［4-5］。采用鎖相環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)掃頻源具有輸出頻率高，頻率穩(wěn)定度高，相位噪聲低，線性度高，雜散抑制好等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴捎眉善骷?，此線性掃頻源體積很小，加入負(fù)反饋，這樣可以使掃頻源的線性度達(dá)到千分之幾，可以滿足大部分掃頻雷達(dá)的要求。

本文提出了一種基于鎖相環(huán)HMC703線性掃頻源的設(shè)計(jì)方法。與用分立器件實(shí)現(xiàn)線性掃頻源相比，此線性掃頻源具有電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，調(diào)試工作量小，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 HMC703的基本工作原理

HMC703的原理框圖如圖1所示，它由控制器部分，掃描控制部分，調(diào)制器，可編程R分頻器，可編程N(yùn)分頻器，鑒相器，RF 2分頻器和電荷泵組成。當(dāng)輸入信號小于4 GHz時(shí)，RF 2分頻器不使能，當(dāng)輸入信號大于4 GHz，并且小于8 GHz時(shí)，RF 2分頻器需要使能。HMC703工作原理為:由芯片外部提供的參考信號FREF通過XREFP引腳輸入，經(jīng)過R分頻器分頻后輸入到鑒相器，作為鑒相器的參考信號，即頻率合成器的鑒相頻率FPFD。VCO信號經(jīng)過VCOIN引腳，進(jìn)入一個(gè)可程控制2分頻器，然后進(jìn)入N分頻器得到FN，F(xiàn)N與鑒相頻率FPFD進(jìn)行比較，兩者的相位差轉(zhuǎn)換為與之成比例的脈沖輸出，經(jīng)過電荷泵輸出控制信號。從CP引腳輸出的脈沖通過芯片外的環(huán)路濾波器積分后濾除鑒相雜散信號，變?yōu)閹в邢辔徽`差的鑒相控制信號，并輸入到VCO的電壓控制端，從而使VCO鎖定在固定的頻率。

圖1 HMC703原理框圖

HMC703工作電源電壓為3.3 V，電荷泵工作電壓為5 V，最高鑒相頻率為115 MHz，射頻輸入功率為-15 dBm～-3 dBm，參考信號輸入功率一般為6 dBm。HMC703可以工作在整數(shù)模式和小數(shù)模式，有著很好的相位噪聲系數(shù)。內(nèi)部寄存器讀寫具有雙重緩沖，使頻率控制更加精確，通過控制寄存器可以很方便的實(shí)現(xiàn)線性掃頻，F(xiàn)SK調(diào)制，PSK調(diào)制。精確工作模式下，它內(nèi)部的24 bit的小數(shù)頻率調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)0頻差。它內(nèi)部沒有集成VCO，因而使用很靈活，價(jià)格也比較低。

2 HMC703的工作模式

HMC703可以工作在整數(shù)模式，小數(shù)模式，精確頻率模式，F(xiàn)M調(diào)制模式，PM調(diào)制模式，掃頻工作模式，除了整數(shù)模式外，其他工作模式都應(yīng)該開啟小數(shù)模式。小數(shù)工作模式可以得到很好的頻率步進(jìn)，精確頻率模式可以使小數(shù)模式頻率的誤差為0。FM，PM工作模式可以用在簡單的通信工作中，通信速率由鎖相環(huán)環(huán)路濾波器決定。掃頻工作模式支持單向掃頻，雙向掃頻，也支持用戶自定義掃頻，主要應(yīng)用在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中。

根據(jù)不同的工作模式，輔助寄存器Reg 0Ah，Reg 0Ch，Reg 0Dh將被使用，如表1所示。

表1 工作模式

HMC703的工作模式很多，在線性掃頻源中，我們只用到了掃頻功能，故本文只介紹小數(shù)工作模式和自動雙向掃頻模式，掌握這兩種工作模式其他功能也就可以很容易的實(shí)現(xiàn)。

2.1 小數(shù)工作模式

通過置 SD_MODE(Reg 06h［7:5］)=0，HMC703工作在小數(shù)工作模式，計(jì)算VCO輸出頻率公式由下給出:

其中fps為通過 RF 2分頻器后的頻率;fvco為HMC703 RF引腳的頻率;k為當(dāng)RF 2分頻器使能時(shí)，k=2，否則為1;Nint為整數(shù)分頻比，為Reg 03h的值;Nfrac為小數(shù)部分，為Reg 04h的值;R為參考頻率分頻比;fxtal為參考信號頻率。通過計(jì)算，只要將Reg 03h，Reg 04h數(shù)據(jù)寫入HMC703，就可以輸出相應(yīng)的頻率。

2.2 掃頻工作模式

掃頻工作模式分為自動雙向掃頻模式，觸發(fā)雙向掃頻模式與觸發(fā)單向掃頻模式。為用戶提供豐富的選擇，使設(shè)計(jì)更加靈活。

自動雙向掃頻模式下，第一次觸發(fā)發(fā)后，信號頻率先由低到最高，當(dāng)頻率達(dá)到最大值時(shí)，又自動變到最低，然后自動循環(huán)，如圖2所示。

HMC703掃頻配置方法應(yīng)該按下面的順序配置

(1)使HMC703工作在小數(shù)模式(Reg 06h［7:5］=0)。

(2)確定起始頻率，計(jì)算開始N，對 Reg 03h，Reg 04h進(jìn)行編程。

(3)確定步進(jìn)大小，計(jì)算終止N，對 Reg 0Ah，Reg 0Ch，Reg 0Dh 編程。

(4)改變 HMC703工作模式，Reg 06h［7:5］=5，6 或7。

注意:結(jié)束的N一定要正好等于起始的N加上步進(jìn)的整數(shù)倍。

圖2 自動雙向觸發(fā)掃頻模式

3 線性掃頻源參數(shù)設(shè)計(jì)

對于基于HMC703線性掃頻源而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是確定鎖相環(huán)的參考輸入頻率XREF、鑒相頻率FPFD、前置預(yù)分頻器R、分頻器N的大小，輔助寄存器大小以及有源環(huán)路濾波器參數(shù)。本文設(shè)計(jì)的線性掃頻源輸出掃頻范圍為10.45 GHz～10.85 GHz，相位噪聲優(yōu)于-85 dBc/Hz@10 kHz，雜散抑制優(yōu)于-60 dBc，線性度優(yōu)于0.3%。

從系統(tǒng)噪聲上考慮，鎖相環(huán)對系統(tǒng)噪聲系統(tǒng)的影響為:

根據(jù)線性掃頻源的系統(tǒng)求，設(shè)計(jì)的各參數(shù)為:工作模式為雙向自動掃頻模式，F(xiàn)REF=50 MHz，F(xiàn)PFD=50MHz，掃頻時(shí)間為1 ms。結(jié)合HMC703的datasheet資料，確定reg 0～reg9，regA～regF的各寄存器值如表2所示。

表2 各寄存器值

4 有源環(huán)路濾波器仿真設(shè)計(jì)

環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，用來濾除高頻雜散信號，對系統(tǒng)相位噪聲，系統(tǒng)穩(wěn)定度有著重要作用［6-7］。由于HMC513調(diào)諧電壓范圍為0～13 V，而HMC703電荷泵輸出電壓范圍為0～5 V，故需要采用有源環(huán)路濾波器擴(kuò)大鎖相環(huán)輸出的電源范圍［8-13］。有源環(huán)路濾波器采用HITTITE公司提供的Hittite PLL Design Software進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過優(yōu)化后的環(huán)路濾波器仿真圖如圖3所示，圖中環(huán)路濾波器參數(shù)為:C1=1 nF，C2=22 nF，R2=330 Ω，R3=330 Ω，C3=560 pF，R4=33 Ω，C4=4.7 nF，Rb1=1 k Ω，Rb2=1 k Ω。從圖4可以看到，在5.4 GHz(10.8 GHz二分頻輸出)在10 kHz時(shí)，相位噪聲約為-106 dBc/Hz@10 kHz。

圖3 有源環(huán)路濾波器仿真電路圖

圖4 5.4 GHz(10.8 GHz 2分頻后得到)相位噪聲仿真圖

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于HMC703線性掃頻源與ARM(stm32f107)控制器接口如圖5所示，圖中ARM的一個(gè)SPI口與HMC703的 SCK，SDI，SDO相連，ARM 的兩個(gè)普通IO口與HMC703的CEN，SEN相連。SCK為SPI串行時(shí)鐘輸入，SEN為SPI使能端，高有效。SDI為串行數(shù)據(jù)輸入。SDO為串行數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)也可以通過配置內(nèi)部寄存器，輸出不同的內(nèi)部信號。HMC703有兩種寫入時(shí)序，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的HMC Model，圖6為數(shù)據(jù)寫入寄存器的時(shí)序圖。在SEN的上升沿選通SPI口，第1個(gè)時(shí)鐘的上升沿，如果SDI為低電平，則為寫操作，如果為高電平，則為讀操作。后續(xù)在SCK上升沿到來時(shí)，SDI從MSB開始依次寫入，其中前六位為寄存器地址，后24 bit為寄存器值，的最后一位無效位，共32 bit數(shù)據(jù)，LSB寫入之后，SEN變?yōu)榈碗娖?，關(guān)閉SPI接口。

圖5 線性掃頻源HMC703連接原理圖

圖6 寫入時(shí)序圖

圖7 實(shí)物圖

由于HMC703功能很多，限于篇幅，本文僅給出了HMC703掃頻工作模式時(shí)各寄存器的計(jì)算程序。

參考程序?yàn)?

6 性能測試

頻譜分析儀中心頻率為10.8 GHz，首先測試單頻時(shí)的工作，如圖8所示，在單頻小數(shù)模式下輸出10.8 GHz信號。然后在雙向掃頻模式下測試，因?yàn)榫€性掃頻源的掃描時(shí)鐘與與頻譜分析儀的掃描時(shí)鐘不同步，所以導(dǎo)致測試現(xiàn)象為一系列分立的譜線，測試結(jié)果如圖9所示。

圖8 小數(shù)模式單頻點(diǎn)測試

圖9 自動雙向掃頻模式測試

7 結(jié)論

本文介紹了HMC703鎖相環(huán)與HMC513壓控振蕩器與ARM控制器STM32F107設(shè)計(jì)的10.45 GHz～10.85 GHz線性掃頻源的設(shè)計(jì)過程與設(shè)計(jì)方法，給出了有源環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)方法，通過硬件電路的制作與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，性能較好的線性掃頻源。

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