基于鎖相環(huán)技術的UHF頻段寬帶頻率源設計

趙秋明，肖　龍，許豐靈，王永琦（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004）

基于鎖相環(huán)技術的UHF頻段寬帶頻率源設計

趙秋明*，肖龍，許豐靈，王永琦
（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林541004）

針對UHF頻段的通信系統(tǒng)，研制了一種UHF頻段的寬帶頻率源。采用鎖相環(huán)頻率合成的方法，通過對器件選型、參數(shù)設定、環(huán)路濾波器等關鍵部分詳細分析的方式，完成了UHF頻段頻率源的設計。測試結果表明，該頻率源的工作頻率范圍為300MHz～350 MHz，步進頻率為10 kHz，雜散抑制優(yōu)于-45 dBc，相位噪聲優(yōu)于-50 dBc/Hz@100 kHz，輸出功率大于-15 dBm，各項指標滿足實際工程應用要求。

頻率源；鎖相環(huán)；UHF頻帶；寬帶

頻率源是現(xiàn)代短波射頻通信系統(tǒng)的核心部件，對通信系統(tǒng)性能起著決定性作用，因此，頻率源被人們喻為電子系統(tǒng)的“心臟”［1］。隨著通信頻率資源的日益緊缺，一種免通行證的ISM頻段在通信領域內備受關注，而UHF頻段作為ISM頻段的一部分，因此，被廣泛應用在工業(yè)、科學、醫(yī)療等無線通信領域中。目前，較為常用的頻率源設計方法主要有直接數(shù)字頻率合成和鎖相環(huán)頻率合成兩種。其中采用鎖相環(huán)設計的頻率源具有輸出頻率高、頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、低相位噪聲、雜散抑制好等優(yōu)點［2］，廣泛應用在無線通信系統(tǒng)本振的設計中。目前常用的鎖相頻率源，輸出頻率范圍大多是單點或者窄帶，設計寬帶的鎖相頻率源仍然具有較強的挑戰(zhàn)性［3］。正是基于這一點，并結合PLL的優(yōu)點，研制了一種低相噪、雜散抑制度高、成本低、體積小的UHF頻段寬帶頻率源。

1　鎖相環(huán)頻率合成原理介紹

鎖相環(huán)是一個傳遞相位的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，它的基本電路單元如圖1所示，主要由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器3個部分組成［4］。

鎖相環(huán)的基本工作原理：鑒相器比較參考時鐘信號與壓控振蕩器反饋信號兩者的相位差，經(jīng)過環(huán)路濾波器得到與相位差信號成線性函數(shù)關系的誤差電壓，從而控制VCO輸出特定頻率，達到動態(tài)鎖定［5］。

圖1　鎖相環(huán)結構示意圖

如圖1所示，環(huán)路鎖定時，輸出信號相位與參考時鐘信號相位之間的相位差為零，即θt（t）=θo（t），且環(huán)路誤差電壓信號μc（t）為恒定值，從而控制VCO輸出穩(wěn)定的頻率。

2　方案設計與分析

2.1頻率源技術指標

頻率源技術指標如表1所示。

表1　主要技術指標

2.2方案設計

頻率源原理框圖如圖2所示，UHF頻段寬帶頻率源主要包括鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、緩沖放大器。

鑒相器采用Motorola公司的MC12202鎖相環(huán)芯片，具有雙充電泵輸出功能。其工作電壓范圍為2.7 V～5.5 V，典型工作電流為5.8 mA，最高工作頻率范圍為1.1GHz，片內集成了4個可編程分頻器，分別為前置分頻器P，參考分頻器R，整數(shù)分頻器N，小數(shù)分頻器A，可以滿足300MHz～350MHz范圍頻率需求。數(shù)字接口采用簡單的SPI接口，STM32f103處理器可以很方便地對其進行配置。

圖2　頻率源原理框圖

環(huán)路濾波器采用一階無源RC比例積分濾波器。其電路簡單，不僅簡化了環(huán)路濾波器電路的設計與調試，而且減小了環(huán)路鎖定時間，有利于增強環(huán)路的穩(wěn)定性［6］。

壓控振蕩器采用MAXIM公司的MAX2608集成振蕩器芯片，其工作電壓范圍為2.7V～5.5 V，單端最佳匹配輸出功率最大為-10 dBm。片上集成變容二極管，通過改變外圍電路的電感值設置其起振頻率，使得外部調諧電路更加簡單，消除了過多無源元件引入的雜散［7］。起振信號的頻率范圍為300MHz～500MHz，滿足頻率源的頻率范圍設計要求。偏離中心頻率100 kHz處的相位噪聲為-100 dBc/Hz，滿足頻率源的相位噪聲設計要求。

緩沖放大器采用Agilent公司的AT41511低噪聲通用放大器，其工作電壓為5 V，典型工作電流為25mA。工作頻率500MHz時，噪聲系數(shù)約0.8 dB，增益為20 dB，滿足頻率源的本振功率放大要求。

3　電路設計與分析

3.1鑒相器電路設計

鑒相器電路原理圖如圖3所示，其中BISW和D0為雙充電泵輸出，LD為環(huán)路鎖定指示輸出。假設頻率源輸出的頻率為325MHz，而步進頻率 f r為10 kHz，因此可以求得MC12202內部集成分頻器總的分頻比為325MHz/10 kHz=32 500。ARM控制器（STM32f103）通過3線SPI接口（圖中LE、Din、CLK）向MC12202的內部分頻器P、N、A、R中寫入相應的分頻值。

圖3　鑒相器電路原理圖

環(huán)路鎖定時，輸入信號與壓控振蕩器信號輸出頻差為零，相位差不再隨時間變化，此時誤差控制電壓為一固定值，壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號頻率相等［8］，即

其中 fOSC為10MHz參考時鐘信號，fVCO為合成頻率信號。若前置分頻器值P=64，依據(jù)式（1），則可以求得R=1 000，N=507，A=52。對于其它的頻率信號，計算過程依此類推，不再贅述。

3.2環(huán)路濾波器電路設計

環(huán)路濾波器的設計是頻率源設計的重要環(huán)節(jié)，其決定了合成器的雜散抑制、相位噪聲、環(huán)路穩(wěn)定性以及鎖定時間等非常重要的環(huán)路參數(shù)［9］。環(huán)路濾波器電路原理圖如圖4所示，該模塊選用一階無源RC比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器，鑒相器輸出的相位誤差信號最大為5 V，而MAX2608振蕩器的電壓調諧范圍為0.4 V～2.4 V，滿足電壓調諧范圍。

圖4　環(huán)路濾波器電路原理圖

環(huán)路濾波器的參數(shù)計算公式［10］滿足：

其中N為反饋環(huán)路總分頻數(shù)，ξ為環(huán)路阻尼因子，Vp為鑒相器充電泵的工作電壓，ω為環(huán)路帶寬。由于頻率源的頻率輸出范圍為300MHz～350MHz，因此相應地分頻數(shù)N為30 000～35 000，工程應用中N取中點值32 500。鑒相器的充電泵電壓Vp為5 V，壓控振蕩器的靈敏度為30MHz/V。一般取阻尼因子ξ=0.707，環(huán)路帶寬ω≤fr/10［9-10］。

依據(jù)以上理論分析，若環(huán)路帶寬為w=2πfr/50= 1 256 rad/s，電容C=0.1μF，則可以計算出R1=7.69 kΩ，R2=6.92 kΩ，取標稱值R1=7.5 kΩ，R2=6.8 kΩ。

為了使得頻率源在300MHz～350MHz范圍均能鎖定，經(jīng)過反復調試優(yōu)化后，實際的電阻取值分別為R1=10 kΩ，R2=10 kΩ。在Multisim 12.0中建立原理圖，其相頻特性仿真結果如圖5所示。

圖5　環(huán)路濾波器相頻特性圖

從圖5中可以看出，環(huán)路濾波器在截止頻率106.244 Hz處有19.44°的相位返回特性，增強了環(huán)路的穩(wěn)定性。

3.3壓控振蕩器電路設計

壓控振蕩器原理圖如圖6所示，因頻率源合成的頻率范圍為300 MHz～350 MHz，根據(jù)MAX2608芯片手冊的電感值對應表，選定中點值頻率325 MHz所對應的電感值34 nH。由于該電感值并不是標稱的電感值，因此該模塊采用兩個村田Murata系列的高Q值電感串聯(lián)，圖中L5和L6標準電感值分別為22 nH、12 nH。

圖6　壓控振蕩器原理圖

3.4緩沖放大電路設計

緩沖放大器原理圖如圖7所示，該模塊采用A類共發(fā)射極放大電路，其中R5和R17為基極提供直流偏置電壓，R16為集電極限流電阻，R18為發(fā)射極負反饋電阻，確保了放大器的穩(wěn)定性。該方案電路簡單、成本低，易于實現(xiàn)。

圖7　緩沖放大電路原理圖

4　性能測試與分析

軟件開發(fā)工具主要是Keil Software公司提供的Keil uVision4以及 NI公司提供的 Multisim 12.0。編程語言主要為C語言，C語言是在基于STM32單片機的ARM Cortex-M平臺上完成。UHF頻段的寬帶頻率源實物制作圖如圖8所示，在該硬件平臺上，主要是在實驗室里，通過設定合成300 MHz～350MHz頻率范圍內不同的頻率信號，在輸出端連接至頻譜分析儀（型號為AgilentN9344C）觀察其合成信號的頻譜中心頻率、輸出功率、雜散抑制度與相位噪聲，測試主要包括以下3個部分：

（1）測試頻率源的輸出頻率范圍和輸出功率是否正確，300MHz～350MHz之間連續(xù)步進為10 kHz，輸出功率≥-15dBm。

（2）測試頻率源輸出整數(shù)頻率信號和小數(shù)頻率信號的雜散抑制是否優(yōu)于-45 dBc。

（3）測試頻率源輸出300 MHz～350 MHz本振信號偏移中心頻率100 kHz處的相位噪聲是否優(yōu)于-50 dBc/Hz。

圖8　實物圖

按照步驟（1），測試頻率源的輸出頻率范圍及輸出功率，如圖9所示。

圖9　中心頻率的頻譜圖

按照步驟（2），測試頻率源整數(shù)頻率信號和小數(shù)頻率信號的雜散抑制，如圖10所示。

圖10　雜散抑制圖

按照步驟（3），測試頻率源偏移中心頻率100 kHz處的相位噪聲，如圖11所示。

圖11　相位噪聲圖

如圖9所示，驗證了頻率源在300MHz～350MHz之間連續(xù)步進為10 kHz，輸出功率≥-15 dBm。如圖10所示，中心頻率300MHz、349.99MHz的雜散抑制分別為-60.47 dBc、-47.66 dBc，驗證了頻率源的雜散抑制度優(yōu)于-45 dBc。如圖11所示，偏移中心頻率300MHz、350MHz的100 kHz處的PNmark值分別為-16.84 dBc、-63.26 dBc，根據(jù)文獻［2］中相位噪聲計算公式PN=PNmark-10 lgRBW，其中RBW為頻譜分析儀的分辨率帶寬。因此，可以計算出偏移中心頻率300MHz、350MHz的100 kHz處的相位噪聲分別為-51.61 dBc、-98.03 dBc，驗證相位噪聲優(yōu)于-50 dBc/Hz@100 kHz。

5　結束語

本文充分利用PLL的優(yōu)點，給出了一種UHF頻段的寬帶頻率源的實現(xiàn)方案。實測結果表明：該頻率源具有電路結構簡單、低相位噪聲、雜散抑制度高、頻帶寬、成本低、體積小等優(yōu)點，通過改變壓控振蕩器外部調諧電感和環(huán)路濾波器的參數(shù)，便可以實現(xiàn)合成300MHz～500MHz內更寬頻率范圍內的任何頻率點信號，具有很好的帶寬拓展性。該頻率源達到了預期的設計目的，為寬帶頻率源的設計提供了一種工程實現(xiàn)方法，具有很高的工程應用價值。

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趙秋明（1954-），男，漢族，廣西桂林人，桂林電子科技大學碩士生導師，副教授，高級工程師，研究方向為無線通信、電路與系統(tǒng)；

肖龍（1988-），男，漢族，湖北黃岡人，桂林電子科技大學信息與通信學院碩士研究生，研究方向為無線通信，xll_xiaolong@163.com；

許豐靈（1990-），男，漢族，廣東揭陽人，桂林電子科技大學信息與通信學院碩士研究生，研究方向為嵌入式應用；

王永琦（1989-），男，漢族，河南駐馬店人，桂林電子科技大學信息與通信學院碩士研究生，研究方向為天線設計與微波測量。mailto：296033816@qq.com。

Design of a Broadband Synthesizer of UHF-Band Based on PLL

ZHAO Qiuming*，XIAO Long，XU Fengling，WANG Yongqi
（School of Information and Communication Engineering，Guilin Uniυersity of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

In view of the communication system of UHF-band，a broadband frequency source in UHF-band is designed.According to detailed analysis of the devices selection，parameter setting，loop filter and other key parts，a synthesizer of UHF-band is complemented based on themethod of PLL frequency synthesis.The test results show that its frequency range is 300MHz～350MHz，step frequency is10 kHz，spurious reduction isbetter than-45 dBc，phase noise isbetter than-50 dBc/Hz@100 kHz，outputpower ismore than-15 dBm，the indicatorsmeet the practicalengineering application requirements.

frequency source；pll；uhf-band；wide-band

TN742

A

1005-9490（2016）04-0898-05

2015-08-07修改日期：2015-09-08

EEACC:123010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.028