VHF跳頻臺頻合設(shè)計(jì)

1、超短波跳頻電臺頻率合成器設(shè)計(jì) 徐建斌,尹鎖柱 (桂林電子科技大學(xué),廣西桂林541004)摘要:針對超短波電臺對頻率合成器所提出的指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)了合成器的實(shí)現(xiàn)方案,并依據(jù)方案軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)了一套頻率合成器。方案中采用了基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻技術(shù),既實(shí)現(xiàn)了很小的頻率分辨率又消除了因小數(shù)分頻而引起的雜散。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,其雜散小于- 70dBc,鎖定時(shí)間小于150us,頻率間隔為25kHz,這些性能可以滿足超短波跳頻電臺的指標(biāo)要求。關(guān)鍵詞:超短波;整數(shù)分頻鎖相環(huán);小數(shù)分頻鎖相環(huán);- 調(diào)制;頻率合成器一、引言作為電臺的核心部件,頻率合成器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)直接影響到電臺的整機(jī)性能指標(biāo)。卓越性能的電臺必須具備卓

2、越性能的頻率合成器, 所以很有必要研制出一個(gè)低相位噪聲、低雜散、小頻率間隔及快速轉(zhuǎn)換時(shí)間的頻率合成器。超短波跳頻電臺的工作頻率范圍為 30108 MHz, 要求的跳頻間隔為25kHz, 頻率跳變速率為609跳/秒。按工程設(shè)計(jì)中合成器的鎖定時(shí)間占電臺頻率跳變時(shí)間的10%計(jì)算, 則合成器的頻率鎖定時(shí)間必須小于165us。當(dāng)采用鎖相頻率合成方式時(shí), 要減小頻率鎖定時(shí)間就要盡量增大鑒相頻率。當(dāng)采用大的鑒相頻率時(shí), 要保證25kHz的跳頻間隔就得采用小數(shù)分頻頻率合成技術(shù)。但小數(shù)分頻存在很大的小數(shù)雜散,大大降低了頻譜純度。目前,基于- 調(diào)制技術(shù)的小數(shù)分頻技術(shù)的出現(xiàn),使得小數(shù)雜散在理論上可以完全消除。- 調(diào)

3、制的工作原理為: 在對信號進(jìn)行過取樣后，噪聲功率頻譜幅度降低，并通過一個(gè)對輸入呈低通對噪聲呈高通的噪聲整型器,將噪聲功率的絕大部分移到信號頻帶之外, 而采用過取樣移出的噪聲不會與信號頻譜混疊,從而可通過簡單的濾波有效地抑制噪聲。 二、頻率合成器的方案設(shè)計(jì)為了易于對信號的調(diào)制與解調(diào),信號不是直接在30108MHz射頻上調(diào)制解調(diào),而是在指定的某個(gè)中頻上實(shí)現(xiàn)。超短波電臺發(fā)射與接收的框圖如圖1所示。發(fā)射與接收都是采用兩級混頻的方式,信號的調(diào)制與解調(diào)都在384kHz的第一中頻上進(jìn)行。384kHz的第一中頻及混頻處理都是在電臺的其它模塊實(shí)現(xiàn),故本頻率合成器要求提供的為以下兩路本振信號: (1)第一本振為1

4、24.416MHz的定頻。 (2)第二本振為154.8232.8MHz的變頻。 (a) VHF發(fā)射 (b) VHF接收圖1超短波電臺發(fā)射與接收框圖由于需要產(chǎn)生的頻率較高,而信道間隔的要求較低,所以采用基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻的方案來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過對比,最后選擇了基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻芯片LMX2485E來實(shí)現(xiàn)。LMX2485E除了一路- 小數(shù)分頻鎖相環(huán)外,還具有一路輔助整數(shù)分頻鎖相環(huán)。整數(shù)分頻鎖相環(huán)又稱IF鎖相環(huán), 其工作頻率范圍為75800MHz,參考分頻比可在34095間變化,可編程分頻比可在24262143間變化。對于給定的一參考頻率,可以通過對參考分頻比和可編程分頻比進(jìn)行編程,使輸出頻率為1

5、24.416MHz。另外一路- 小數(shù)分頻鎖相環(huán)又稱RF鎖相環(huán),其工作頻率范圍為503000MHz, 可選擇12比特或22比特小數(shù)分頻方式。- 調(diào)制的階數(shù)最高為四階,可以通過編程來選擇最佳的調(diào)制階數(shù)來滿足相位噪聲、雜散和鎖定時(shí)間的要求。為了減小頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間,控制芯片采用Actel公司閃存系列FPGA芯片APA075- 100。為了提高數(shù)據(jù)處理能力,除FPGA芯片外,在電路中還采用了ATMEL公司的單片機(jī)AT89C51ED2。AT89C51ED2具有64K字節(jié)FLASH和2KRAM,并且支持JTAG口在線編程。系統(tǒng)原理如圖2所 示。從控制單元來的包含頻率信息的IWO、ICB、ISP串行數(shù)據(jù)經(jīng)過FP

6、GA串并轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理。每個(gè)頻率點(diǎn)對應(yīng)六個(gè)字節(jié)的頻率字,因而所有頻率點(diǎn)的頻率字都可以存放在單片機(jī)的FLASH中。單片機(jī)可以通過直接計(jì)算的方法得出LMX2485E的頻率控制字,也可以人為計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)對應(yīng)的頻率字,做成一張表存儲在單片機(jī)的 FLASH中,通過查表的方式找出需要輸出頻率的頻率字。對比兩種方法,后一種方法省去了計(jì)算的過程,能夠有效地減小頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間。對于超短波電臺,它要求的跳頻速率為609跳/秒,對頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求較高,因此采用后一種方法很是必要。事實(shí)上,其信道間隔為25kHz,具有3120個(gè)頻率點(diǎn),每個(gè)頻率點(diǎn)對應(yīng)6個(gè)字節(jié)的頻率字，因而，所有的頻率點(diǎn)的頻率字都可以存

7、放在單片機(jī)中的FLASH中。圖2系統(tǒng)原理方框圖 頻率合成器的最重要的特點(diǎn)是其合成的頻率與參考時(shí)鐘具有相同的精度和穩(wěn)定度。本合率穩(wěn)定度要求小于0.5ppm,一般的晶體振蕩器很難達(dá)到此要求,因此采用了定制的36MHz數(shù)字溫補(bǔ)晶振作為參考時(shí)鐘輸入。36MHz的溫補(bǔ)晶振作為FPGA的參考時(shí)鐘輸入,FPGA將36MHz四分頻,分頻后的信號作為LMX2485E的參考時(shí)鐘。 三、測試結(jié)果與分析LMX2485E的參考時(shí)鐘為9MHz,其IF鎖相環(huán)輸出124.416MHz點(diǎn)頻。由于IF鎖相環(huán)的參考分頻比 R的變化范圍為34095,可編程分頻比N的變化范圍為24262143,根據(jù)IF鎖相環(huán)的輸出公式,當(dāng) N取172

8、8,R取125時(shí),IF鎖相環(huán)輸出的頻率為124.416MHz。圖3是用Agilent公司的E4402B頻譜儀和E5052A網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的頻譜和相位噪聲。 1. IF鎖相環(huán)輸出測試 (a) 整數(shù)分頻的頻譜(b) 整數(shù)分頻的相位噪聲圖3IF鎖相環(huán)輸出頻譜和相位噪聲測試 從圖3可以看到,它的雜散約為-70dBc,相噪雖然在偏離中心頻率1MHz處小于-150dBc/Hz, 但是在偏離中心頻率1kHz處只有-92dBc/Hz。作為整數(shù)分頻,其雜散與相噪性能并不是很優(yōu)越。造成此現(xiàn)象的原因是由于N取值較大,使得最后輸出的雜散和相噪得以增量的惡化。2. RF鎖相環(huán)輸出測試RF鎖相環(huán)輸出公式為: (1)式中,

9、N 為可編程分頻比,變化范圍為492045;R為參考分頻比,變化范圍為163;RF_FN為分?jǐn)?shù)的分子,變化范圍為04095;RF_FD為分?jǐn)?shù)的分母,變化范圍為04095。其中：:初始設(shè)定的鑒相頻率(MHz),:頻道間隔（kHz）,:參考分頻比編程時(shí),取R為4,RF_FD為90,通過變化N和RF_FN來改變輸出頻率。由(1)式可知,當(dāng)為9MHz時(shí),要覆蓋154.18232.8MHz這段頻率,N的變化范圍為68103,N每增加1,輸出頻率增加2.25 MHz。這就可以達(dá)到VHF段的25kHz頻率間隔的要求。例如,當(dāng) N=68,RF_FN=72時(shí),輸出頻率為154.8MHz。當(dāng) N=103,RF_F

10、N=42時(shí),輸出頻率為232.8MHz。RF鎖相環(huán)輸出154.8MHz的譜和相噪如圖4所示。從圖4中可以看出, 基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻在中心頻率的近端雜散比較大,在稍遠(yuǎn)端雜散性能比較好。(a)基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻的頻譜(b)基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻的相位噪聲圖4RF鎖相環(huán)輸出15418MH時(shí)的頻譜和相位噪聲3. 鎖定時(shí)間測試 本設(shè)計(jì)是采用Agilent E5052A網(wǎng)絡(luò)分析儀來對頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行測量的。圖5是頻率從232.8MHz跳變到154.8MHz鎖相環(huán)的鎖定過程。X軸方向表示時(shí)間,Y軸方向表示頻率。在開始跳變時(shí)刻,頻率雜亂無章,經(jīng)過一段時(shí)間之后,頻率向154.8MHz靠近,最后鎖定在15

11、4.8MHz。在測量時(shí),當(dāng)跳變的頻率與154.8MHz的差值小于500Hz時(shí)就當(dāng)作鎖定,最后測得的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為144us。圖5鎖定時(shí)間的測試一、 結(jié)束語本文運(yùn)用了整數(shù)分頻頻率合成和基于- 調(diào)制的小數(shù)分頻頻率合成兩種頻率合成方式,既實(shí)現(xiàn)了低雜散輸出,又保證了極小的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間。文中給出了超短波電臺頻率合成器的實(shí)現(xiàn)方案和具體的芯片選擇,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案是切實(shí)可行的。 參考文獻(xiàn) 1鐘景華,郭學(xué)雷1調(diào)制頻率合成器J1電子技術(shù)應(yīng)用,2002,2861( ) 2鄭繼禹,張厥盛,萬心平1鎖相技術(shù)M1北京:人民郵電出版社,19841 3P1V1BrennanandR1Walkington,“Stored2

12、sequenceSigma2DeltaFractional2NSynthesiser,”IEEEproc12CircuitsDe2 vicesSyst,Vol1151,No12,April20041Designof Frequency Synthesizerfor VHFBand Frequency Hopping Radio XUJian2bin,YISuo2zhu (GuilinUniversityofElectronicTechnologyGuilin541004) Abstract:ThispaperlaysoutapracticalsynthesizerschemebasedontherequiredtargetforVHFbandradio,andrealizesasetof synthesizerwhichcombinessoftwareandhardware1Theschemeadoptssigma- deltafractional-NPLL,whichcan achievesmallerfrequencyintervalandeliminatethespurscausedbyfractional-NPLL1Experimentalresultsindicate thatspursislessthan-70dBc,sett