基于ADF4360-8的频率合成系统的设计与实现

　　多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 （红移 red shift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度

　　在卫星通信中，多普勒频移现象普遍存在，提高频率的稳定性，对于接收机的解调解扩有着重要的意义。频率合成是指由一个或多个频率稳定度和度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和度的大量离散频率的过程。是指由一个或多个频率稳定度和度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和度的大量离散频率的过程。

　　早期的频率合成是用多晶体直接合成，以后发展成用一个高稳定参考源来合成多个频率。20世纪50年代出现了间接频率合成技术。但在使用频段上，直到50年代中期仍局限于短波范围。60年代中期，带有可变分频的数字锁相式频率合成器问世。60年代后期，全晶体管化的微波频率合成技术已应用于通信设备。随着大规模集成电路的发展，新的全数字化的频率合成技术得以实现。80年代频率合成技术进入毫米波范围。频率合成技术广泛用于通信、导航、雷达和测量等设备中。测量设备采用频率合成技术能提高测量，并易于与微处理机相结合，实现测量的自动化。

　　卫星地面站接收的中频信号为标准的70 MHz信号，直接输入到数字接收机会使接收机的采样频率较高，不利于接收机稳定工作。本文通过对ADI公司生产的集成锁相芯片ADF4360-8和AD8343的使用，实现卫星通信地球站中频70 MHz～11.4 MHz的频率转换，从而减低接收机的采样频率，减小接收机的工作复杂性，为接收机的稳定工作提供良好的运行条件。

　　1 ADF4360-8芯片介绍及工作原理

　　1.1 芯片介绍

　　ADF4360-8芯片是一种完全综合合成器和压控振荡器，它是一款高性能的PLL芯片，具有很宽的工作频带。

　　ADF4360-8主要由一个14 bit可编程参考R计数器、一个24 bit数据寄存器、一个24 bit功能锁存器、压控震荡器、相位比较器、锁定检测器、多路复用器以及电荷泵等组成，的参考频率为250 MHz，输出频率范围为60 MHz～400 MHz，主要应用于系统时钟、检测设备、无线局域网以及有线电视设备等，ADF4360-8的功能模块图如图1所示。

　　1.2 工作原理

　　ADF4360-8外部输入信号有外部参考频率信号和控制信号，14 bit可编程R计数器对外部频率源信号分频后得到的参考频率送到鉴相器。控制信号由时钟信号CLK、数据信号DATA和使能信号LE组成，LE位为逻辑“1”时表示加载。在时钟信号CLK的控制下，串行输入24 bit数据信号，暂存在24 bit数据寄存器中，当接收到使能信号LE后，先前输入的24 bit数据根据地址位到达对应的锁存。

　　ADF4360-8内部集成了VCO（压控振荡器），由外部电感值设定不同的工作频段，方便了锁相环路的设计。VCO输出频率如式（1）所示。

　　式（3）中9.3 pF和0.9 nH是芯片内部的电容值和电感值；LEXT为系统外接电感值。可见，当系统输出中心频率较高时，F0主要由内部电感0.9 nH决定；系统的输出工作频率较低时，F0主要由外部电感值决定。本文外部电感为397 nH，可调谐的中心频率约为81.4 MHz。芯片鉴相频率为8 MHz，实际选择鉴相频率为5 MHz。

　　系统外部晶振采用10.0 MHz温补晶振，其稳定度≤0.9 ppm，通过REFin引脚接入芯片，经过内部参考分频器（除50）后得到200 kHz的参考频率间隔，内部电荷泵输出引脚CP于VCO输入引脚VTUNE之间接入三阶无源低通滤波器，该环路滤波器的带宽为100 kHz。由ADIsimPLL软件可以仿真计算得到电感值和电容值，C1=24.2 pF，C2=329 pF，C3=11.0 pF，R1=13.6 kΩ，R2=27.7 kΩ。图2所示为三阶无源低通环路滤波电路，图3所示为环路滤波器仿真曲线。图4为相位噪声仿真曲线图。

　　对ADF4360-8进行程序配置由接收板上DSP实现，对ADF4360-8加电寄存器的配置顺序为：加参考时钟→R计数锁存器→控制锁存器→N计数锁存器，如果配置的顺序错误，则不能保证ADF4360正常工作。每次上电加载数据时，先按接收板上RESET键复位，然后LE使能，这样接收板和ADF4360-8连通后，可以传输数据，然后按R、C、N锁存器顺序使数据依次写入。

　　R计数锁存器主要对14 bit的分频比进行设置，控制锁存器主要要对电泵电流、输出电源级数、频率锁定选项、相位探测选项、电泵三态选择、计数器重启选项、电源级别等芯片性能参数进行设置，N计数锁存器则需对电泵增益以及13 bit的混频比进行设置。

　　数据输入时，首先由DATA在每个CLK的上升沿从MSB（有效位）开始依次写入24 bit移位寄存器中的数据并锁存到目标寄存器，然后再进行下一个目标寄存器的初始化。目标寄存器的选择可由移位寄存器中的末两位DB1和DB0决定，其数据写入时序图如图5所示。图6所示为ADF4360-8本振信号源波形。从图6可以看出，波形保持比较完整，未出现严重失真现象。

　　3 基于AD8343混频处理

　　锁相环频率合成器，包括：一鉴频鉴相器；一电荷泵，该电荷泵的输入端与鉴频鉴相器的输出端相连；一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与电荷泵的输出端相连；一数模混合信号控制振荡器，该数模混合信号控制振荡器接收低通滤波器的信号和分频数N信号；一1/N分频器；由以上电路组成锁相环路，其中数模混合信号控制振荡器由数字和模拟混合信号来控制，实现快速频率和相位锁定；其中数字信号直接确定数模混合信号控制振荡器的频率；模拟信号控制数模混合信号控制振荡器的输出频率的；其中控制1/N分频器的分频数N信号经过编码器产生数模混合信号控制数模混合信号控制振荡器的数字控制信号，数字控制信号控制数模混合信号控制振荡器。变频系统的结构框图如图7所示。

　　AD8343是一款高性能的混频器[5]，增益约为7 dB，由ADF4360-8产生本振信号源，频率为81.4 MHz，输入到AD8343芯片。70 MHz中频信号经过MSA放大器后，有18 dB左右的增益，通过声表面滤波器，使变频系统产生8 M带宽的通带，再从AD8343中的2、3管脚输入，，从管脚12、13输出频率为11.4 MHz的中频信号，通过LC-π型滤波电路（如图8所示）输出信号直接送到数字接收机中进行数字采样处理。

　　本文利用ADF4360-8芯片作为锁相环电路设计本振源信号，将卫星地面站70 MHz中频信号变频为11.4 MHz，为数字接收机降低采样频率及提高工作，起到了十分重要的作用，同时给出了用ADF4360-8设计混频器本振信号源的设计方法及芯片的控制方法。

  

参考文献:

[1]. ADF4360-8 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADF4360-8_123392.html.
[2]. AD8343 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD8343_1131428.html.
[3]. ADF4360 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADF4360_1085594.html.
[4]. MSA datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MSA_1580912.html.