趙小寒 宋經(jīng)雄（廣西廣播電視技術(shù)中心）

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基于ADF4153的
數(shù)字電視激勵器上變頻本振設(shè)計

趙小寒 宋經(jīng)雄
（廣西廣播電視技術(shù)中心）

［摘 要］通過分析頻率合成器的基本原理，闡述采用小數(shù)分頻的ADF4153芯片完成頻率合成器的設(shè)計。詳細(xì)介紹元器件的選型以及采用ADIsimPLL來對環(huán)路濾波器進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計。最后通過實(shí)驗來驗證軟硬件設(shè)計的可行性。

［關(guān)鍵詞］ADF4153芯片 ; 地面數(shù)字電視 ; 激勵器 ; 頻率合成器

1　引言

地面數(shù)字電視網(wǎng)與有線數(shù)字電視網(wǎng)、衛(wèi)星數(shù)字電視網(wǎng)并列為三大數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)，是覆蓋我國移動電視終端、廣大城郊、農(nóng)村電視用戶的良好途徑，通過地面電視數(shù)字化改造后的數(shù)字電視網(wǎng)的覆蓋，能夠讓更多的用戶觀看內(nèi)容豐富的數(shù)字電視節(jié)目。

地面數(shù)字電視廣播激勵器技術(shù)指標(biāo)直接影響地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)性能和地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。數(shù)字電視激勵器中上變頻部分是實(shí)現(xiàn)中頻信號到電視射頻信號變換的關(guān)鍵模塊。上變頻器對頻率合成器的相位噪聲、帶內(nèi)雜散提出越來越高的要求。在常用的幾種頻率合成技術(shù)中，鎖相頻率合成系統(tǒng)因為結(jié)構(gòu)簡單，輸出頻譜純度高，是目前頻率合成廣泛采用形式［1］。本文研究通過小數(shù)分頻鎖相合成技術(shù)來產(chǎn)生寬帶、低噪、低成本的頻率合成器。

2　鎖相環(huán)原理及鎖相芯片選型

鎖相環(huán)是一個相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。鑒相器把晶振輸入信號相位與壓控振蕩器輸出信號相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，該控制電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器濾除誤差信號的高頻分量之后改變壓控振蕩器的輸出頻率，該輸出頻率經(jīng)分頻后反饋到鑒相器，從而減小輸入信號與壓控振蕩器的相位誤差。鎖相環(huán)利用其良好的窄帶跟蹤特性使壓控振蕩器的輸出頻率準(zhǔn)確地鎖定在所需要的頻率上。

從圖1中可以看出，改變分頻比N能得到不同的合成頻率，環(huán)路的輸出頻率fo=N*fref。fref為來自晶體振蕩器的輸入?yún)⒖碱l率，fo為壓控振蕩器的輸出頻率。

本次設(shè)計頻率合成器技術(shù)指標(biāo)要求是：工作頻率穩(wěn)定輸出在1.1GHz，輸出雜散優(yōu)于 -60dBc，相位噪聲優(yōu)于-90 dBc@1kHz。

現(xiàn)階段的頻率合成器大多采用整數(shù)分頻比，缺點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時間長，頻率分辨率低；小數(shù)分頻比的頻率合成器，可以獲得較高分辨率，較低的相位噪聲［2］。本設(shè)計采用美國ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的一款高性能小數(shù)頻率合成芯片ADF4153。

圖1　鎖相環(huán)原理框圖

3　頻率合成器的實(shí)現(xiàn)

3.1參考頻率和壓控振蕩器選擇

參考晶振頻率和壓控振蕩器的選擇首先是考慮這兩者的輸出功率是否能滿足輸入靈敏度要求。保證參考計數(shù)器和反饋計數(shù)器不會誤工作。本文采用10MHz恒溫晶體來提供ADF4153要求的參考頻率。

壓控振蕩器主要是通過調(diào)整外加電壓來改變輸出頻率，盡量選擇壓控振蕩器的輸出頻率對應(yīng)的控制電壓在可用調(diào)諧電壓范圍的中點(diǎn)。靈敏度是選型考慮的一個重要因素，器件靈敏度越低，其穩(wěn)定性也較差，輸出的相位噪聲也會隨穩(wěn)定性下降而急劇增加。設(shè)計中采用的是ZCOMM公司的V582ME10-LF，調(diào)諧電壓為0.5V-5.5V。

3.2環(huán)路濾波參數(shù)設(shè)置

頻率合成電路設(shè)計中，鎖相環(huán)的基本頻率特性由環(huán)路濾波器性能決定。環(huán)路濾波器的主要作用是控制帶內(nèi)外噪聲，抑制鑒相器輸出的高頻成分噪聲，維持環(huán)路穩(wěn)定。環(huán)路濾波器的設(shè)計主要包括環(huán)路帶寬、濾波器的結(jié)構(gòu)。環(huán)路帶寬對噪聲的抑制、對環(huán)路的穩(wěn)定性和捕獲時間的影響在參考文獻(xiàn)［3］中已經(jīng)做過分析。

采用參考文獻(xiàn)［3］中對有源和無源環(huán)路濾波器的設(shè)計方法來進(jìn)行參數(shù)設(shè)計顯得比較麻煩。為了簡化設(shè)計難度，本文采用ADI發(fā)布的免費(fèi)仿真工具ADIsimPLL來進(jìn)行輔助設(shè)計，它具有對小數(shù)N分頻雜散估計進(jìn)行仿真的全新功能，允許用戶調(diào)整參數(shù)，根據(jù)不同的環(huán)路濾波器來設(shè)置雜散，從而對系統(tǒng)中的雜散進(jìn)行更好的完善。仿真參數(shù)設(shè)置：參考晶振為10MHz，鑒相頻率為5MHz，環(huán)路帶寬為200kHz，壓控振蕩器靈敏度為38 MHz/V，輸出中心頻率為1.100GHz。為了方便購買元件，結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，最終確定環(huán)路帶寬為270kHz，電路結(jié)構(gòu)及元件值如圖2所示。

圖2　環(huán)路濾波器仿真圖

圖3　環(huán)路濾波器仿真圖

經(jīng)過軟件優(yōu)化，相位噪聲仿真如圖3所示，輸出頻率為1.100GHz，相位噪聲為-100 dBc@1kHz，-105dBc@10kHz。仿真輸出噪聲和雜散都能滿足系統(tǒng)要求。

3.3頻率合成器的電路原理圖

圖4　頻率合成器電路圖

本頻率合成器由ADF4153、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和控制單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)采用STC15F104W。整個頻率合成器的電路原理圖如圖4所示。

4　測試結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

本頻率合成器測試采用ETL數(shù)字電視分析儀，安捷倫頻譜分析儀，數(shù)字示波器，萬用表。

4.1實(shí)測輸出相噪分析

實(shí)測輸出相噪如圖5所示。本設(shè)計理論相噪滿足系統(tǒng)要求。由于布線和器件選擇的原因，實(shí)測與理論分析有一定差距。實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整環(huán)路濾波器帶寬對相噪有影響。選擇相噪指標(biāo)高的晶振和壓控振蕩器對系統(tǒng)相噪有一定的改善，但是會增加系統(tǒng)成本。

圖5　系統(tǒng)實(shí)測相噪圖

4.2實(shí)測輸出頻譜雜散分布分析及改進(jìn)

從圖6可以看出在中心頻率附近有2個小尖峰脈沖，根據(jù)文獻(xiàn)［1］分析，尖峰的產(chǎn)生第一個原因可能是因為電荷泵電流適配，針對這個原因，測試的時候通過程序設(shè)計將電荷泵電流適配調(diào)低到原來的一半，但是雜散尖峰脈沖沒有明顯改善，也就是說電荷泵電流適配這個因素對尖峰的產(chǎn)生影響不大。第二個原因可能是環(huán)路的帶寬影響。調(diào)整環(huán)路帶寬，雖然有一定的改善，但改善幅度不大。第三個原因可能是電路隔離濾波，因為電路PCB在不重新布線的情況下幾乎沒有辦法改善，只能選擇改善電源濾波。電源濾波原來采用的陶瓷電容，示波器測得紋波有20mV。在陶瓷電容的基礎(chǔ)上并聯(lián)鉭電容，紋波降到10mV以內(nèi)。尖峰脈沖得到了極大的改善，同時相位噪聲也得到改善。改善之后頻譜實(shí)測圖如圖7所示。

5　結(jié)束語

采用ADF4153設(shè)計數(shù)字地面電視激勵器的第一固定頻率本振，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。本文分別從鎖相環(huán)原理、器件選型、電路調(diào)試和優(yōu)化等幾個方面闡述了整個設(shè)計過程。實(shí)驗結(jié)果表明設(shè)計的頻率合成器在頻率穩(wěn)定性和相噪要求方面都能滿足設(shè)計要求。

圖6　改進(jìn)前頻譜圖

圖7. 改善之后的頻譜圖

參考文獻(xiàn)

［1］ 基于ADF4153的頻率合成器設(shè)計 張景山 張其善［M］.遙測遙控,2008,29（5）,9-13

［2］ S波段鎖相頻率合成器的設(shè)計 王飛 馬勝前［M］.

［3］ 頻率合成器環(huán)路濾波器的設(shè)計 趙彥芬［M］.無線電工程,2006,36（4）,39-41