一種基于LMX2531的L波段頻率源設(shè)計(jì)

張冬

摘 要：采用片內(nèi)集成壓控振蕩器（VCO）的鎖相環(huán)芯片LMX2531，設(shè)計(jì)了一種用于射頻收發(fā)機(jī)前端的L頻段頻率源。利用小數(shù)分頻技術(shù)克服了整數(shù)分頻鎖相環(huán)所固有的高頻率分辨率與相位噪聲之間的矛盾，同時(shí)滿足了高頻率分辨率與比較好的相位噪聲。利用單片機(jī)通用IO口對(duì)鎖相環(huán)芯片進(jìn)行邏輯控制，該頻率源可實(shí)現(xiàn)1268～1360 MHz頻率范圍內(nèi)任意步進(jìn)頻點(diǎn)的合成，并具有2分頻輸出控制功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該信號(hào)源具有優(yōu)良的相位噪聲和雜散抑制，具有易調(diào)試、集成度高、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 頻率源 相位噪聲 壓控振蕩器 收發(fā)機(jī)

中圖分類號(hào)：Tn402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（a）-0086-02

Designing of L-Band Frequency source based on LMX2531

Zhang Dong

（The 28th Research Institute，CETC，Nanjing Jiangsu，210000，China）

Abstract：AL-band frequency sourcebased on sigma-delta fractional-N phase locked loop （PLL） technologyis designed for RF transceiver， utilizingPLL chip integrated with a voltage controlled oscillator （VCO）. This frequency source solves the contradiction between high frequency resolution and low phase noise. By the control of the micro-controller， the frequency source can generate any frequency range from 1268MHz to 1360MHz.Experiment results show thatthe L-band frequency source has excellent phase noise and spurioussuppression. Meanwhile，it is easy to debugging，high integration，good consistency.

Key Words：Phaselocked loop（PLL）；Frequency source；Phase noise；Voltage controlled oscillator（VCO）；Transceiver

雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率源低相噪、低雜散、捷變頻、步進(jìn)小等方面提出了較高要求[1]。頻率合成技術(shù)包括直接頻率合成和間接頻率合成。鎖相環(huán)頻率合成作為一種間接頻率合成技術(shù)[2]，就是利用一個(gè)頻率源，通過(guò)分頻器R產(chǎn)生參考頻率，然后用鎖相環(huán)把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生出所需要的頻率輸出。鎖相頻率合成器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該文介紹一種基于小數(shù)分頻鎖相環(huán)技術(shù)的L頻段頻率源的設(shè)計(jì)過(guò)程，核心器件采用NI公司推出的鎖相環(huán)芯片LMX2531。利用其小數(shù)分頻頻率合成器的功能，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于收發(fā)機(jī)前端的頻率合成器。

1 小數(shù)分頻鎖相環(huán)及LMX2531芯片介紹

1.1 小數(shù)分頻鎖相環(huán)技術(shù)

鎖相環(huán)技術(shù)存在以下矛盾：較高的頻率分辨率要求較低的鑒相頻率，而較低的鑒相頻率將對(duì)應(yīng)較大的分頻比，進(jìn)而導(dǎo)致鎖相環(huán)帶內(nèi)相位噪聲的顯著增加[3]。小數(shù)分頻鎖相環(huán)能夠?qū)⑤敵鲂盘?hào)頻率鎖定在輸入?yún)⒖夹盘?hào)的小數(shù)倍上，解決了上述矛盾。小數(shù)分頻鎖相環(huán)的分頻器N具有整數(shù)和小數(shù)兩部分。分頻器輸出的瞬時(shí)頻率與鑒相頻率不等，將造成鑒相器產(chǎn)生鋸齒狀的相位誤差，此相位誤差經(jīng)環(huán)路濾波器后到達(dá)壓控振蕩器，導(dǎo)致壓控振蕩器的輸出頻率附近產(chǎn)生尾數(shù)調(diào)制雜散。為消除這種雜散，人們發(fā)展了模擬相位內(nèi)插和Σ-Δ調(diào)制技術(shù)。Σ-Δ調(diào)制技術(shù)采用一種提高頻率分辨率的編碼方法，使其不僅具有良好的噪聲整形特點(diǎn)，并且可采用全數(shù)字化的架構(gòu)，易于大規(guī)模集成，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成鎖相環(huán)芯片中。

1.2 LMX2531芯片介紹

LMX2531是一種低功耗、高性能內(nèi)置集成VCO的鎖相環(huán)芯片。VCO輸出頻率范圍為1268～1360 MHz，并可支持VCO的二分頻輸出。外部輸入?yún)⒖夹盘?hào)的頻率范圍為5～80 MHz，內(nèi)部鑒相器最高鑒相頻率為32 MHz。鎖相芯片LMX2531采用Σ-Δ調(diào)制器，不但可以有效抑制雜散和相位噪聲，還可以在保證環(huán)路帶寬及鎖定時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的頻率分辨率[4]。

該芯片內(nèi)部主要包含了參考支路的R分頻器、反饋支路的N分頻器、VCO、鑒相器、電荷泵、Σ-Δ調(diào)制器和串行接口控制器等。芯片通過(guò)CLK、LE、DATA等引腳以SPI（三線串口）形式在CE引腳有效時(shí)將控制數(shù)據(jù)經(jīng)DATA引腳寫入芯片，對(duì)芯片內(nèi)的11個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)配置，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2 電路方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)此小數(shù)分頻頻率合成器的原理框圖如圖2所示。

該方案電路實(shí)現(xiàn)主要由溫補(bǔ)晶振、單片機(jī)、環(huán)路濾波器、鎖相環(huán)芯片構(gòu)成。外部參考信號(hào)由10 MHz的溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生。單片機(jī)MSP430F1121主要為鎖相環(huán)芯片提供控制信號(hào)，對(duì)芯片內(nèi)部的控制寄存器進(jìn)行正確配置。

2.1 輸出頻率設(shè)計(jì)

鎖相芯片的輸出頻率如公式（1）所示：

（1）

式（1）中，fOscin為參考晶振頻率，R為參考支路分頻系數(shù)，N為反饋支路分頻系數(shù)，D為輸出分頻器系數(shù)。例如，要產(chǎn)生1314 MHz輸出，參考晶振頻率為10 MHz，R設(shè)置為1，N設(shè)置為131.4，D設(shè)置為1。

2.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

芯片內(nèi)部集成可數(shù)字化設(shè)置的阻容網(wǎng)絡(luò)與外部環(huán)路構(gòu)成環(huán)路濾波器，主要用于濾除電荷泵輸出電流中的紋波和鎖相環(huán)的部分低通型相位噪聲。環(huán)路濾波器將電荷泵輸出的含紋波的直流電流轉(zhuǎn)換為壓控振蕩器的控制電壓，進(jìn)而控制VCO的輸出頻率。環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)主要包括開環(huán)增益帶寬和相位裕度兩個(gè)方面。為保證環(huán)路的鎖定時(shí)間與環(huán)路的穩(wěn)定性，通常將環(huán)路濾波器的環(huán)路帶寬為鑒相頻率的3%～10%，而相位裕度范圍為30°～70°。使用NI公司設(shè)計(jì)仿真軟件優(yōu)化得到環(huán)路帶寬為7.6 kHz，相位裕度為61.5°。

2.3 相位噪聲估算

鎖相環(huán)的帶內(nèi)相位噪聲PN由基底噪聲PNflat和閃爍噪聲PNflicker通過(guò)（2）～（4）式進(jìn)行計(jì)算。

（2）

（3）

（4）

其中，PN為鎖相環(huán)輸出信號(hào)的帶內(nèi)相位噪聲，PNPLL指鎖相環(huán)的歸一化帶內(nèi)相位噪聲，fPD為鑒相頻率，N為VCO輸出頻率相對(duì)于鑒相頻率的倍數(shù)。根據(jù)芯片手冊(cè)，當(dāng)電荷泵增益設(shè)置為16倍時(shí)，PNPLL為-212 dBc/Hz，采用小數(shù)分頻鎖相環(huán)模式，在此模式下，將使雜散平均化，所以LMX2531的帶內(nèi)歸一化相位噪聲將為-209 dBc/Hz。根據(jù)芯片手冊(cè)，當(dāng)載波歸一化為1 GHz，10 kHz處閃爍噪聲PNflicker（10 kHz）為-104 dBc/Hz。計(jì)算前提鑒相頻率設(shè)為10 MHz，輸出信號(hào)頻率為1314 MHz。1 kHz處相位噪聲為-90.44 dBc/Hz，10 kHz處相位噪聲為-92.98 dBc/Hz。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

針對(duì)以上設(shè)計(jì)，利用Agilent E5052A信號(hào)源分析儀對(duì)頻點(diǎn)1314 MHz的相位噪聲和雜散抑制進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。相位噪聲分別為-85.69 dBc/Hz@1 kHz、-90.04 dBc/Hz@10 kHz，與2.3部分計(jì)算值較為接近。另外，測(cè)試在250 kHz偏頻處的雜散抑制達(dá)到74 dBc以上。利用此小數(shù)分頻鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)1268～1360 MHz之間任意步進(jìn)頻點(diǎn)輸出，保證了良好的相位噪聲和雜散抑制，并保持較高的頻率分辨率。

4 結(jié)語(yǔ)

文章采用內(nèi)置VCO的數(shù)字鎖相環(huán)芯片設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于射頻收發(fā)機(jī)前端的低雜散、低相噪、高分辨率L頻段頻率源。該頻率源輸出信號(hào)的相位噪聲和雜散抑制性能優(yōu)良，通過(guò)單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)1268～1360MHz之間任意步進(jìn)頻點(diǎn)的合成。此外，該頻率源還具有體積小、集成度高、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)其他高分辨率、低相位噪聲、低雜散性能的小數(shù)分頻鎖相環(huán)頻率合成器具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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