ADF4157在數(shù)字預(yù)失真時(shí)鐘方案中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯ADF4157在數(shù)字預(yù)失真時(shí)鐘方案中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用在現(xiàn)代電子技術(shù)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中.特別是在通信、雷達(dá)、航空、航天以及儀器儀表等領(lǐng)域，都需要進(jìn)一步提高一系列高精度、高穩(wěn)定度的頻率源的頻率精度，頻率合成器是無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備中的一個(gè)重要組成部分，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到通信設(shè)備的性能。

由于數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線(xiàn)性處理，通常預(yù)失真后的信號(hào)帶寬為原始信號(hào)帶寬的5~7倍，這樣DPD算法才能在上發(fā)揮性能。由此應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)纳献冾l和下變頻方案及相應(yīng)的時(shí)鐘方案，以確保信號(hào)的質(zhì)量。本文結(jié)合新型PLL頻率合成器ADF4157設(shè)計(jì)一款適用于數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)本振時(shí)鐘的頻率合成器，方便地實(shí)現(xiàn)DPD系統(tǒng)上下變頻所需要的時(shí)鐘。

1PLL頻率合成器ADF4157簡(jiǎn)介

ADF4157芯片是美國(guó)ADI公司推出一款全新的具有高分辨率，小數(shù)分頻的PLL頻率合成器(FNPLL)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1ADF4157內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其內(nèi)部集成1個(gè)小數(shù)N分頻的頻率合成器，具有25bit固定模數(shù)，在6GHz實(shí)現(xiàn)亞赫茲頻率分辨率。1個(gè)參考時(shí)鐘輸入端且輸入范圍為10MHz到300MHz，2個(gè)RF預(yù)分頻輸入端RFINA/RFINB，一個(gè)參考輸入頻率倍增位D和一個(gè)參考輸入2分頻位T，低噪聲數(shù)字鑒相器，精密電荷泵(CP)，可編程參考除法器，ADF4157小數(shù)分頻有多種實(shí)現(xiàn)方式，本文采用∑-△小數(shù)頻率合成器實(shí)現(xiàn)方式，且ADF4157內(nèi)置周跳減少電路，在不需要對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行更改的情況下實(shí)現(xiàn)了更快速鎖定。這種小數(shù)N分頻的PLL頻率合成器適合用于需要低相位噪聲和超精細(xì)控制分辨率的應(yīng)用，的特點(diǎn)是在參考頻率不變的情況下，比任何單環(huán)NPLL可以有更小的步進(jìn)變化，通過(guò)提供鑒相頻率既可增加環(huán)路帶寬、加強(qiáng)反饋、加快頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，又可降低與大分頻比N有關(guān)的參考相位噪聲的倍乘，從而可獲得比NPLL環(huán)路更好的噪聲性能，提高了頻譜純度。按照FNPLL頻率合成器的方法，得到的輸出信號(hào)頻率不必是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍，也可以是小數(shù)倍。小數(shù)頻率合成器輸出頻率精度由參考信號(hào)頻率和小數(shù)頻率合成器的分辨位數(shù)決定，所以ADF4157支持高頻率的參考信號(hào)的同時(shí)可以獲得很高輸出頻率精度。

2DPD系統(tǒng)本振時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1DPD時(shí)鐘的總體方案介紹

基于XilinxIP核的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)方案的硬件平臺(tái)主要有兩部分組成:預(yù)失真基帶單元和預(yù)失真時(shí)鐘單元。本時(shí)鐘單元為小數(shù)頻率合成方案，所合成的頻率精度高，頻率高，頻率合成器所涉及有PLL(鎖相環(huán))以及PLL+DDS(鎖相環(huán)+直接數(shù)字頻率合成)等合成原理。主要產(chǎn)生的頻率為DVB??T時(shí)鐘頻率30.24MHz，ADC采樣時(shí)鐘90.72MHz，DAC采樣時(shí)鐘362.88MHz，F(xiàn)PGA工作頻率90.72MHz，射頻路上下變頻頻率的發(fā)射端級(jí)本振1973.16MHz、接收端第二級(jí)本振1927.80MHz、發(fā)射端第二級(jí)本振與接收端級(jí)本振2482.44MHz。

整個(gè)時(shí)鐘板功能主要是由10MHz晶振、AD9516、LPF構(gòu)成的一個(gè)類(lèi)似PLL的環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)框圖見(jiàn)圖2。

整個(gè)時(shí)鐘方案主要由兩大部分組成，時(shí)鐘分配器和PLL頻率合成器，時(shí)鐘分配器采用ADI公司的AD9549和AD9516，PLL頻率合成器采用ADI公司的整數(shù)N分頻ADF4106和ADF4360及小數(shù)N分頻ADF4157。

圖2預(yù)失真時(shí)鐘板頻率合成框圖。

本方案中的PLL頻率合成器ADF4157需要以AD9516送過(guò)來(lái)的fREF=181.44MHz作為參考頻率，合成發(fā)射端二級(jí)本振上變頻頻率和接收端本振下變頻頻率2482.44MHz，由于它要產(chǎn)生上下變頻的本振信號(hào)，要求輸出功率比較大，故在它所構(gòu)成的PLL環(huán)路中加了一個(gè)集成運(yùn)放，以提高外部VCO的輸出功率，以致于滿(mǎn)足預(yù)失真板上混頻器的本振功率要求，且要增加一個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)將一路輸出分成兩路。

ADF4157內(nèi)部小數(shù)N分頻，通過(guò)∑-△調(diào)制方式再結(jié)合頻率合成器的環(huán)路低通濾波器輸出低的相位噪聲和更高的頻率精度，本文ADF4157模塊的鑒相頻率為2.835MHz，輸入?yún)⒖碱l率是181.44MHz，則步進(jìn)頻率為fPHD/225=0.0844896Hz，輸出頻率分辨率(頻率精度)為fREF/225=5.0473Hz。用在DPD系統(tǒng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的上變頻和下變頻部分中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)本振。

2.2ADF4157內(nèi)部主要寄存器配置

ADF4157所有寄存器的控制是通過(guò)簡(jiǎn)單的三線(xiàn)接口進(jìn)行的，如圖3。

圖3ADF4157PLL頻率合成器的串行控制接口

控制接口由時(shí)鐘CLOCK，數(shù)據(jù)DATA，加載使能LE構(gòu)成。加載使能LE的下降沿提供起始串行數(shù)據(jù)的同步。串行數(shù)據(jù)先移位到PLL頻率合成器的移位寄存器中，然后在LE的上升沿更新內(nèi)部相應(yīng)寄存器，注意到時(shí)序圖中有兩種LE的控制方法。另外，需要注意的是對(duì)PLL芯片的寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，需要按照一定的次序來(lái)寫(xiě)，具體請(qǐng)參照芯片資料中的描述。

ADF4157通過(guò)INT與FRAC寄存器配置N分頻器，N=INT+(FRAC/225)，圖2中的環(huán)路濾波器(LPF)的作用是濾除鑒相器輸出信號(hào)的高頻成分和噪聲，并將鑒相器的輸出電流轉(zhuǎn)化為電壓送到VCO的輸入端，以控制VCO的輸出頻率。同時(shí)將VCO輸出頻率經(jīng)過(guò)N分頻后反饋給鑒相器。鑒相器的作用是對(duì)反饋頻率和參考鑒相頻率進(jìn)行比較，當(dāng)鑒相器兩個(gè)輸入信號(hào)的相位同步時(shí)，VCO的輸出頻率就是要鎖定的頻率。PLL的R，INT，F(xiàn)RAC寄存器通過(guò)合理配置使外部VCO工作在2482.44MHz輸出，將其快速鎖定鎖相模塊。其關(guān)系式為：

由于N分頻的∑-△調(diào)制器速度的限制fPHD為32MHz。FRAC取0到225-1，D、T取0或1，R取1到32，INT可取23到4095，通過(guò)ADI公司設(shè)計(jì)的ADF4157EvaluationSoftwareADF_FRAC_REC3[軟件進(jìn)行R，INT和各個(gè)分頻器合理的設(shè)置。由于fREF為181.44MHz由AD9516時(shí)鐘分配器輸出，R選32，fPHD=2.835MHz，D取0，T取1。

將上述數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制數(shù)可得到其配置數(shù)據(jù)。終將外部VCO輸出的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)環(huán)路濾波器輸入到數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的上下變頻模塊作為本振時(shí)鐘。

2.3測(cè)試結(jié)果

2.3.1ADF4157相位噪聲仿真

相位噪聲是影響頻率合成器性能的重要指標(biāo)，主要來(lái)自鎖相環(huán)各組成部分的相位噪聲，分別為VCO相位噪聲，參考輸入頻率相位噪聲，PLL芯片相位噪聲，環(huán)路濾波器相位噪聲。根據(jù)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)上下變頻本振頻率要求，VCO輸出頻率2482.44MHz，參考輸入頻率為181.44MHZ，鑒相頻率2.835MHz，由于VCO控制電壓(14V)超出了Vp電壓(5V)，所以鎖相環(huán)環(huán)路濾波器采用有源濾波器，放大器為OP184，環(huán)路帶寬選擇為84kHz，VCO選擇SCD160(UMX??160??D16)通過(guò)ADIsimPLL軟件仿真如圖4。

圖4相位噪聲。

可以看出，在低的偏離頻率處，參考源的噪聲是頻率合成器輸出噪聲的主要，在高的偏離頻率處，VCO相位噪聲成為影響頻率合成器總的相位噪聲主要因素，在10kHz時(shí)總的相位噪聲為-89.2560dBc/Hz，性能較好。

2.3.2ADF4157鎖定時(shí)間仿真

影響鎖相環(huán)頻率合成器鎖定時(shí)間主要的因素是環(huán)路帶寬和相位裕量。環(huán)路帶寬越寬鎖定時(shí)間越快，但其濾波效果差。ADF4157在參考輸入頻率為181.44MHz，鎖相環(huán)VCO輸出2482.44MHz，鑒相頻率為2.835MHz，環(huán)路帶寬選擇為84kHz，相位裕量47!，在45.54s的時(shí)候，鎖相環(huán)基本上達(dá)到鎖定，通過(guò)ADIsimPLL軟件仿真如圖5。

圖584kHz時(shí)鎖定時(shí)間。

在圖6中環(huán)路帶寬為200kHz其他條件不變，24.05s的時(shí)候，鎖相環(huán)基本達(dá)到鎖定。進(jìn)一步證明環(huán)路帶寬越寬鎖定時(shí)間越快，但其濾波效果更差。

圖6200kHz時(shí)鎖定時(shí)間。

2.3.3ADF4157輸出頻譜圖

采用此本振頻率時(shí)鐘方案，系統(tǒng)整體性能也較為理想，PLL頻率合成器ADF4157產(chǎn)生的本振頻率經(jīng)過(guò)頻譜分析儀測(cè)試頻率合成器輸出信號(hào)，輸出信號(hào)頻率為2482.44MHz，信號(hào)功率為-2.5dBm左右，在40MHz的窄帶范圍內(nèi)沒(méi)有明顯的雜散存在，滿(mǎn)足預(yù)失真系統(tǒng)上下變頻本振信號(hào)頻率要求，經(jīng)過(guò)調(diào)試匹配等優(yōu)化措施輸出頻譜圖如圖7。

圖7ADF4157輸出頻譜圖

2.3.4時(shí)鐘板實(shí)物圖：

我們采用CadenceAllegroPCBEditor15.5繪制出整個(gè)時(shí)鐘方案的PCB圖，時(shí)鐘板為4層板，頂層和底層是信號(hào)層，中間兩層是地層和電源層，鑒于時(shí)鐘線(xiàn)的布線(xiàn)要求，時(shí)鐘線(xiàn)應(yīng)盡量短而粗，采用差分走線(xiàn)，保證信號(hào)完整性。經(jīng)過(guò)合理布局，繪制的PCB電路圖如圖8。

圖8時(shí)鐘方案實(shí)際PCB圖。

3結(jié)束語(yǔ)