《電子技術應用》
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一種基于PE3236 L波段頻率合成器設計實現
摘要: 基于芯片PE3236設計了一種用于L波段的具有低相位噪聲性能的頻率合成器,分析了環路對相位噪聲性能的影響。該頻率合成器已經成功運用于分米波儀表著陸設備外場檢測儀中。
Abstract:
Key words :

  頻率合成技術是產生頻率源的一種現代化手段,他已廣泛應用于通信、導航、電子偵察、干擾與反干擾、??匾2餳跋執瞧饕潛碇?。無線通信技術的快速發展,使得頻率合成技術在通信中的作用日益顯著?! ?/p>

  以往的頻率合成器都是用分立元件和小規模集成電路組裝起來的,技術復雜,可靠性低、功耗大、體積大、成本高。隨著半導體工藝和集成電路技術的快速發展,出現了許多用于頻率合成的大規模集成電路。在這些大規模集成電路中,把頻率合成器的主要部件如參考分頻器、程序分頻器、鑒相器、鎖定指示器、甚至微處理器等集成在同一芯片上。再配上參考振蕩器、壓控振蕩器、環路濾波器及高速前置分頻器,即可構成完整的頻率合成器。這使得頻率合成器的成本、體積和功耗都大大下降,簡化了設計和生產調試的復雜程度,而可靠性則明顯提高。大規模集成鎖相環頻率合成器電路的出現,為頻率合成器的應用開辟了廣闊的前景。

  1 頻率合成器設計

  所設計的頻率合成器,要求相位噪聲低,輸出頻率800~1 000 MHz,共88個波道,通過單片機發送的頻率控制字進行波道選擇。在對比各種大規模集成頻率合成芯片性能的基礎上,選用了單片大規模集成鎖相環頻率

 

合成芯片PE3236作為核心電路,構成鎖相式頻率合成器。

 

  1.1 集成鎖相環頻率合成芯片PE3236

  集成鎖相環頻率合成芯片PE3236是Peregrine公司生產的一種高性能整數分頻PLL芯片,最高分頻頻率可達2.2 GHz。PE3236采用了UTSiCMOS技術,具有超低相位噪聲的優良性能,成為了蜂窩網/PCS基站、無線本地環路基站的理想選擇。

  PE3236由高速前置分頻器、計數器、鑒相器和控制邏輯組成。高速前置分頻器采用吞脈沖分頻技術,通過模式選擇確定對VCO輸出頻率÷10還是÷11;主計數器M和參考計數器R分別對雙模前置分頻器輸出頻率和參考頻率進行分頻;輔助計數器A用于模式選擇控制邏輯;鑒相器產生上下頻率控制信號;還具有鑒相頻率檢測、時鐘檢測引腳。各計數器的計數值可以通過串行或并行接口編程實現,也可以直接通過連線實現。該芯片具有功耗低、相位噪聲低、雜散小、分頻頻率高、編程靈活方便等優點。

  主計數器輸出頻率fp和參考計數器輸出頻率fc即為鑒相頻率,他們和輸入頻率、參考頻率的關系為: fp=fin/[10×(M+1)+A]  A≤M+1,M≠0 

  fc=fr/(R+1)             R≥0    

  當環路鎖定時,應有:fp=fc。

  因此,芯片的輸入頻率fin與參考頻率fr的關系為:

芯片的輸入頻率fin與參考頻率fr的關系

  1.2 頻率合成器的設計

  設計的頻率合成器系統實現框圖如圖1所示。

頻率合成器系統實現框圖

  通過串行口,來自單片機的頻率控制字對集成鎖相芯片PE3236的內部分頻器進行設置,將所需頻率fo進行10×(M+1)次分頻作為一路鑒相輸入,將參考頻率fr進行(R+1)分頻作為另一路鑒相輸入,通過鑒相器后得到反映兩路鑒相信號誤差的輸出PD_U 和PD_D-,PD_U和PD_D經過環路濾波器,對噪聲和雜散等干擾進行抑制后得到VCO的控制電壓,控制VCO工作,使VCO輸出頻率鎖定在fo(fo=[10×

公式

  改變單片機控制數據,可以選擇不同的波道。

  1.3 環路濾波器對相位噪聲性能的影響分析

  隨著無線電通信系統性能的提高,信號源相位噪聲的要求常常是整個系統的制約因素。對頻率合成器的相位噪聲影響因素很多,這里對環路濾波器的影響作以簡要分析。

  在鎖相環頻率合成器中,環路濾波器的設計是非常重要的。在環路帶寬內,鑒相器強迫壓控振蕩器(VCO)跟蹤參考頻率,將參考振蕩器的相位噪聲映射到VCO上。這一過程受到鑒相器噪聲基底的支配,因為鑒相器噪聲基底通常比參考振蕩器的相位噪聲高。由于補償頻率高于環路帶寬,環路就不能很好的跟蹤參考頻率,總的相位噪聲等于VCO的相位噪聲,因此要將環路帶寬設置在鑒相器噪聲基底與VCO自由振蕩時相位噪聲的交叉點上。過寬和過窄的環路帶寬雖然對VCO的相位噪聲有一定的改善,但不能很好地提高PLL的相位噪聲性能。

環路濾波器是由精密運算<a class=放大器" hspace="0" p="" src="//files.chinaaet.com/images/20100811/862902ac-adc1-4490-8c44-8d00b9bb776d.jpg" title="放大器" width="231" />

  在本設計中,環路濾波器是由精密運算放大器OP27組成的有源比例積分濾波器,如圖2所示。為了很好地降低PLL相位噪聲,合適的選擇環路元件值是非常必要的。

  2 測試結果

  在以上設計的基礎上,制作了一個L波段的頻率合成器,實測結果如下:

  工作頻率:800~1 000 MHz,88個波道。頻率穩定度:±1×10-6。

  輸出功率:≥+7 dBm。

  相位噪聲:≤-90 dB(偏離中心頻率10 kHz處)。

 

  3 結 語

  隨著雷達、電子對抗、航空航天、通訊及相關技術的發展,對頻率合成技術的要求更加嚴格。集成鎖相環頻率合成器體積小、功耗小、成本低、功能全、靈活性大、適合大規模生產等優點,越來越引起了人們的重視。本文采用大規模集成鎖相環頻率合成芯片PE3236,設計并制作了一個L波段頻率合成器。該頻率合成器已經成功應用于分米波儀表著陸設備外場檢測儀中,運行良好。

 

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